Perspektívy súčasnej konverzie zemného plynu a geotermálnej energie na elektrinu, teplo a chlad (II)

4. Hybridný paroplynový zdroj orientovaný na maximálnu efektívnosť využívania zemného plynu - alternatíva B

Orientácia na maximálnu efektívnosť využívania zemného plynu aj pri relatívne nižšej miere využívania geotermálneho zdroja sa zdá byť správnejšia koncepcia, lebo kým odpadové teplo z konverzie zemného plynu je energia nenávratne stratená, geotermálna energia nahradená takým odpadovým teplom sa dá obvyklým spôsobom využiť.

Principiálna schéma prevádzky hybridnej tepelnej elektrárne, ktorá by viedla k čo možno najvyššej účinnosti využívania zemného plynu aj v prípade, že by sa hybridnom paroplynovom zdroji využilo menšie množstvo geotermálnej energie, je na obr. 3.

Obr. 3 - Principiálna schéma zimnej prevádzky hybridnej paroplynovej elektrárne s kombinovanou výrobou - alternatíva B

Pri tvorbe principiálnej schémy uvažujeme s expanziou vodnej pary v troch stupňoch s medziprihrievaním. Ďalšou zmenou oproti alternatíve A je možnosť použitia tepelného čerpadla HP mimo areálu elektrárne. Tepelné čerpadlo by tak mohlo byť alternatívnym zdrojom tepla pre domácnosti, kde sa s nízkou účinnosťou spaľuje zemný plyn alebo iné fosílne palivo. Relatívnou nevýhodou tejto alternatívy je, že v súčasnosti ešte neexistuje vhodná spotrebiteľská sústava pre tepelné čerpadlo. Preto v súčasnej fáze riešenia problému, hlavne z pohľadu aplikácie technológie čerpania tepla, nie je úplne jednoznačné, či nakoniec bude výhodnejšia alternatíva A alebo B. Tieto dve alternatívy bude nutné v čase rozhodovania o konečnej podobe hybridnej elektrárne podrobiť detailnej porovnávacej analýze.

Podľa výsledkov hrubej energetickej analýzy pri ochladení spalín na teplotu 80 °C, vonkajšej teplote 0 °C a minimálnom teplotnom rozdiele 30 K medzi spalinami a parou tento výkon by predstavoval cca 70 MW. Pri týchto podmienkach by bol celkový elektrický výkon zdroja okolo 424 MW (z toho podiel plynovej turbíny by činil 285 MW a podiel parnej turbíny 139 MW) pri účinnosti 58,14 %.

V prípade potreby by bolo možné generovanie tepelného výkonu pre zásobovanie sústavy CZT aj pomocou odberovej pary, ale prirodzene na úkor elektrického výkonu. Výkon zdroja by sa dal zvýšiť prikurovaním v spalinovom kotle. V dobe špičkového zaťaženia by to mohlo byť opodstatnené napriek zhoršeniu účinnosti.

S integráciou absorpčného chladiaceho zariadenia do štruktúry hybridného paroplynového zdroja sa samozrejme uvažuje aj v alternatíve B, a to na základe principiálnej schémy znázornenej na obr 4. Pri vonkajšej teplote napr. 30 °C by bol elektrický výkon zdroja cca 370 MW (241 MW + 129 MW) pri účinnosti okolo 56,6 % a využiteľný tepelný výkon v spalinovom kotle okolo 65 MW. Využitie tepelného výkonu je účelné realizovať v dvoch stupňoch:

• v prvom stupni asi 20 MW na výrobu chladu na vyššej teplotnej úrovni,
• v druhom stupni asi 45 MW na krytie potreby tepla na prípravu TÚV na nižšej teplotnej úrovni.

Obr. 4 - Principiálna schéma letnej prevádzky hybridnej paroplynovej elektrárne so združenou výrobou - alternatíva B

Vo všeobecnosti sú známe dve štandardné koncepcie využívania tepelného výkonu centrálneho zdroja pri diaľkovom chladení:

• centrálna výroba chladu pomocou absorpčných chladičov a jeho prenos k spotrebiteľom (viď obr. 5A); Pre investične aj prevádzkovo náročný prenos chladu je to skôr teoretická možnosť, než reálna alternatíva.
• prenos tepla z centrálneho zdroja na miesto spotreby, kde sa v lokálnych výrobniach pomocou absorpčných chladičov generuje chladiaci výkon (viď obr. 5B); Táto koncepcia by sa dala jednoduchšie realizovať, ale jej nevýhodou je, že kvôli zabezpečeniu prijateľnej energetickej efektívnosti absorpčnej výroby chladu tento tepelný výkon by sa mal prenášať na vyššej teplotnej úrovni, než je to potrebné pri príprave TÚV. Okrem toho zriadenie takýchto lokálnych výrobní chladu je investične náročnejšie a môže stroskotať už na tom, že nahradenie kompresorových chladičov absorpčnými nie je možné kvôli podstatne väčším nárokom na priestor.

V našom prípade sa dajú tieto problémy efektívne vyriešiť na základe principiálnej schémy na obr. 4. Dôkazom toho je porovnanie odpovedajúcej silne zjednodušenej výkonovej bilancie znázornenej na obr. 5C s možnosťami podľa obr. 5A a obr. 5B. Konverzia disponibilného tepelného výkonu na chladiaci výkon by sa v tomto prípade uskutočnila v centrálnej výrobni, ale na rozdiel od koncepcie podľa obr. 5A chlad by sa neprenášal k spotrebiteľom, ale spätne by sa využil v hybridnom paroplynovom zdroji na chladenie vzduchu nasávaného kompresorom plynoturbinového agregátu. Pri uvažovaných podmienkach by bolo možné ochladiť vzduch minimálne na 15 °C. V dôsledku toho by sa zvýšil celkový elektrický výkon na cca 398 MW (265 MW + 133 MW) a účinnosť na 57,9 %. Zvýšenie elektrického výkonu o 28 MW, čo predstavuje až asi dvojnásobok chladiaceho výkonu, je v časoch najvyšších vonkajších teplôt mimoriadne cenné. Prenos tohto prírastku elektrického výkonu k spotrebiteľom je bezproblémový a pomocou moderných kompresorových chladičov možno z neho generovať pre konečnú spotrebu nízkopotenciálny chladiaci výkon, ktorého veľkosť by mohla byť až okolo 140 MW, teda až desaťnásobok chladiaceho výkonu absorpčných chladičov. Ako elektrický výkon možno ho však samozrejme využívať podľa potreby univerzálne.

Výhoda integrácie hybridného paroplynového zdroja a absorpčnej výrobne chladu sa prejavuje aj možnosťou znižovania investičnej a prevádzkovej náročnosti výroby chladu v porovnaní s bežnými aplikáciami absorpčných chladičov. Odpadové teplo, ktoré pri absorpčnej výrobe chladu predstavuje až okolo 170 % tepelného príkonu, je možné totiž odviesť kondenzátom pred vstupom do výmenníka HEC. V dôsledku toho sa ušetrí adekvátne množstvo geotermálneho tepla.

Obr. 5 - Porovnávanie alternatívnych koncepcií využívania tepla na diaľkové chladenie.

5. Záver

Z hrubej analýzy koncepcie súčasnej konverzie zemného plynu a geotermálnej energie v hybridnej paroplynovej elektrárni je zrejmé, že realizácia optimálnej podoby tohoto projektu by bola veľkým prínosom k pokrokovému riešeniu problémov ďalšieho rozvoja sústavy CZT v Košiciach a súčasne by mohla pozitívne ovplyvniť aj rozvoj výrobnej základne elektrickej energie na Slovensku. Realizačný výstup projektu - hybridná paroplynová elektráreň so združenou výrobou - by bol unikátnym energetickým dielom, aké v súčasnosti ešte nikde na svete neexistuje. Jeho globálny význam by spočíval hlavne v tom, že by posunulo konverziu zemného plynu a geotermálnej energie na úžitkové formy energie (elektrina, teplo a chlad) na kvantitatívne aj kvalitatívne vyššiu úroveň v porovnaní s ich oddelenou konverziou.

Geotermálny projekt môže byť zaťažený určitým rizikom nedostatočnej spoľahlivosti, ale to bude nutné akceptovať aj pri jeho plánovanej klasickej podobe. Hybridný paroplynový zdroj podľa popísanej predstavy by potom nebol zaťažený žiadnym rizikom navyše v porovnaní s klasickým paroplynovým cyklom, lebo je založený na rovnakých osvedčených štandardných technológiách. Neštandardná je len ich spolupráca. Prípadné "zlyhanie" geotermálneho zdroja by neohrozilo prevádzku, pretože by mohol byť veľmi jednoducho nahradený iným vonkajším zdrojom tepla.

Predstava hybridnej paroplynovej elektrárne bola prezentovaná na významných medzinárodných odborných fórach s veľmi pozitívnym ohlasom. Vzhľadom na tieto fakty je určitým prekvapením súčasný relatívny nezáujem na strane kompetentných orgánov o túto jedinečnú šancu na zvýšenie "imidžu" slovenskej energetiky, ktorú nám odborníci z vyspelejších krajín závidia. Konkrétnym prejavom toho je aj skutočnosť, že dodnes chýba štúdia realizovateľnosti. Manažment Teplárne a. s. Košice tesne pred privatizáciou zrejme má iné priority než sa zaoberať s dlhodobými rozvojovými zámermi, na realizácii ktorých oni už budú zainteresovaní pravdepodobne len ako ostatní spotrebitelia. Pritom pri vhodnej propagácii výsledkov takej štúdie by sa spoločnosť stala lukratívnejšou pre potenciálnych záujemcov o jej privatizáciu a v dôsledku toho by sa dala dosiahnuť vyššia predajná cena. Vynaložené prostriedky by sa tak v konečnom dôsledku mohli viacnásobne vrátiť. Ostáva len dúfať, že budúci strategický investor ako aj tvorcovia energetickej politiky nakoniec pochopia výhody koncepcie hybridnej paroplynovej elektrárne so združenou výrobou a po ukončení geotermálneho projektu [2] sa v nejakej podobe realizuje. Ak sa časom vytvorí vhodná spotrebiteľská sústava so sústredenou potrebou vykurovacieho výkonu 20-40 MW na relatívne nízkej teplotnej úrovni, najvhodnejším riešením by mohla byť niektorá konkrétna verzia alternatívy B.

Literatúra
[1] Böszörményi, L., Böszörményi, G.: Perspektívy súčasnej konverzie zemného plynu a geotermálnej energie na elektrinu, teplo a chlad. In: Zborník referátov z konferencie Cassoviatherm 2005, str. 25-30, Dom techniky ZSVTS, Košice 2005.
[2] Geothermal Energy for Košice District Heating. Business Plan, DANCEE, Danish Ministry of the Environment, Danish Environmental Protection Agency, 2002.
[3] Höhne, U.: Green Energy in Europe - the Vision to Towards a Sustainable Future. In: European Conference on Renewable Energies and Cooperation Exchange 2004 / Proceedings of the conference, Wien 2004.
[4] Molnár, L.: Az energiaellátás kérdései, a beruházások problémái. In: Energiagazdálkodás 2004/2, Budapest 2004
[5] Návrh energetickej politiky SR. In: www.economy.gov.sk
[6] Riešenie náhrady zastaralých zdrojov tepla v TEKO Košice, Výskumný ústav energetický EGÚ, Bratislava 1994