Kogenerace - kombinovaná výroba elektrické energie a tepla (I)

Kogenerace, neboli společná výroba tepla a elektřiny, představuje velmi zajímavou aplikaci moderních technologií na dlouho známé principy. Název se u nás začal používat v počátku devadesátých let jako počeštění mezinárodně srozumitelného termínu "co-generation". Vlastní kombinovaná výroba elektrické energie a tepla se však datuje o téměř stovku let dříve. Výroba elektřiny v podnikových nebo městských elektrárnách v parních turbínách a postupné vyvedení tepelného výkonu předznamenaly vznik velkých soustav dálkového zásobování teplem CZT. Rozšíření malých jednotek na bázi spalovacích motorů začalo na našem území po roce 1990.

Teplárna Avedore na předměstí Kodaně je typickým představitelem velkých
kogeneračních zdrojů pracujících do systémů dálkového zásobování teplem.

Společná výroba elektrické energie a tepla v jediném zařízení se vyznačuje vysokou mírou využití vstupujícího primárního paliva. Při porovnání dodávky tepla a elektrické energie do budovy ze dvou oddělených výroben - kotelny a elektrárny - a z jediného zdroje s kombinovanou výrobou je zřejmé snížení energetických ztrát při výrobě.

Diagram energetických toků pro klasickou oddělenou výrobu tepla a elektrické
energie a pro výrobu v kogenerační jednotce.
(po kliknutí se obrázek zvětší)

Číselný příklad ve formě diagramu energetických toků porovnává dodávku tepla a elektřiny do objektu z kogeneračního zařízení a ze dvou oddělených výroben. V obou případech zásobování je konečná spotřeba číselně stejná. Spotřeba elektřiny činí 1 kWh, spotřeba tepla 1,25 kWh. Velmi se však liší spotřeba paliva. Oddělená výroba spotřebuje 4,33 kWh, ale kogenerace pouze 2,50 kWh. Úspora vstupního paliva v kogeneraci je tedy (100% - 2,50/4,33*100) = 42%. Náš příklad pro jednoduchost neuvažuje ani energetické ztráty v rozvodech, ani rozdílné teplotní úrovně při výrobě tepla.

Dvě kogenerační jednotky na čistírně odpadních vod dodávají elektrickou energii pro vlastní
spotřebu a teplo pro podporu technologického procesu vyhnívání odpadních kalů

V českém odborném názvosloví vznikla zkratka KVET (Kombinovaná Výroba Elektrické energie a Tepla), němčina i angličtina klade větší důraz na výrobu tepla BHKW (Blockheizkraftwerke) a CHP (Combined Heat and Power). Původně anglický výraz "kogenerace" je značně rozšířený, i když němčina používá svůj "Kraft Warme Kuplung".

Trh s kogeneračními jednotkami a nepřímo i s výrobou elektrické energie z nich obsadila v devadesátých letech řada tuzemských výrobců a dovozců zařízení. Rozvoj trhu probíhal se značnou dynamikou. Oproti rozšiřování zařízení pro využití obnovitelných zdrojů - slunečních kolektorů, tepelných čerpadel, nebo větrných elektráren, nevykázal vývoj typickou pauzu, která nastala vždy po opadnutí počátečního nadšení. Počet instalací na území naší republiky lze odhadovat mezi jedním a dvěma tisíci jednotek.

Základní motivace pro stavbu kogeneračních zařízení spočívá jednoznačně v ekonomické efektivnosti společné výroby. Prodej elektrické energie a tepla je podnikání jako každé jiné a jeho základním cílem je vytvoření zisku. Základem úvah o stavbě zařízení je proto technický návrh. Z něj a podmínek budoucího provozu se stanoví roční energetická bilance. Množství spotřebovaného paliva a vyrobené elektřiny a tepla je pak vstupem do ekonomického hodnocení. Teprve to ukáže, zda je vhodné investovat do projektu peníze. Následný projekt financování stanoví jakým způsobem finanční zdroje získat a jak je splácet.

Přínosem k rozvoji oboru je zasazení kogenerace do legislativního rámce. Ustanovení Směrnice 2004/8/EC Evropského parlamentu a Rady o podpoře kogenerace založené na efektivní poptávce po teple na vnitřním energetickém trhu definuje podmínky přiznání podpory pro technologie a zavádí pojem vysoce účinná kogenerace. Ustanovení Směrnice se postupně promítají do naší legislativy. Energetický zákon 406/2000 Sb. stanovuje podmínky kombinované výroby tepla a elektřiny, připojení, přístupu do sítí, prodeje a osvědčení o původu elektřiny. Zákon o obnovitelných zdrojích energie 180/2005 Sb. upravuje podporu státu pro výrobu elektrické energie z obnovitelných zdrojů energie. Mezi ně patří též použití kogeneračních technologií na bázi "zvláštních plynů" jako je bioplyn, skládkový plyn, dřevoplyn, ale i důlní plyn a další.

Další motivací pro stavbu malých kogeneračních zdrojů je proti výstavbě velkých elektrárenských celků - jednodušší příprava stavby, rychlost uvedení do provozu, snadnější financovatelnost spočívající v menších objemech finančních prostředků, spolehlivost a možnost záskoku při společné instalaci více jednotek, šetrnost k životnímu prostředí. V neposlední míře jde i o možnost lokálního nebo centrálního řízení. Lokální řízení citlivě reaguje na potřebu dodávky pro spotřebiče. Centrální řízení umožňuje ovládat chod řady jednotek na různých místech. Dispečer takového systému pak může nabízet regulovaný výkon o velikosti několika desítek MW. Cena takové dodávky je na trhu pochopitelně vyšší, než z jediného zařízení. V poslední době se objevuje i další motivace pro stavbu menších rozptýlených zdrojů energie. Jde o riziko teroristického útoku, živelní katastrofy, nebo průmyslové havárie. Za všechny případy stačí vzpomenout na havárii v Elektrárně Opatovice, kdy se po propadnutí střechy strojovny zastavila dodávka tepla i elektřiny pro velkou oblast Hradce Králové, Pardubic a Chrudimi. Výroba v místě spotřeby sebou přináší též podstatné snížení ztrát energie při transportu rozvodnými sítěmi.

Výpočtů v oblasti použití kogeneračních technologií je podstatně více, než při návrhu zdroje tepla do běžné kotelny. Rozhodně neplatí známé úsloví některých dealerů "naši kogeneraci postavte do kouta kotelny, připojíte tři trubky a kabel a pak už se nemusíte starat...". Výpočet vychází z bilance výroby a spotřeby jak tepla tak elektrické energie. Vlastní dimenzování - určení elektrického výkonu jednotky jen malou částí práce. Základem je kvalitní výpočet dodávky elektřiny k prodeji. Obvykle se vychází z měsíčních, denních, nebo i hodinových spotřeb elektřiny a tepla.

K příkladům použití kogeneračních jednotek ve zdrojích tepla patří čistírny odpadních vod, soustavy centrálního zásobování, teplem, obchodní centra, nemocnice, ale také průmyslové podniky a řada dalších aplikací.

Kde se tedy setkáváme s kogeneračními jednotkami? Historicky první aplikace malých jednotek byly u nás pro rodinné domy, nebo pro malé kancelářské budovy. Ale - to se psal rok 1993 a od té doby se mnoho změnilo. Pro rodinné domy se změnil poměr výkupní ceny elektřiny a nákupní ceny plynu i celková potřeba energie pro standard nízkoenergetických domů. Hlavní část kogeneračních jednotek proto nacházíme ve zdrojích centrálního zásobování teplem, jako doplněk v okrskových kotelnách. Kogenerační jednotky v průmyslových závodech jsou zvláštní, zcela svébytnou kapitolou. Další jsou pak ve sportovních zařízeních, hlavně plaveckých bazénech. Samostatnou kapitolou jsou kogenerační jednotky v nemocnicích, kdy často plní i funkci náhradního zdroje při výpadku elektrické sítě. Obchodní centra a velké administrativní budovy využívají další možnosti, kterou kogenerace nabízí - současnou kombinovanou výrobu elektrické energie, tepla a chladu. Samostatnou dynamicky se rozvíjející aplikací je výroba elektřiny spalováním zvláštních plynů - bioplyn na čistírnách odpadních vod, skládkový plyn, nebo bioplynové stanice pro zpracování odpadů.

Kogenerace vychází ze základního fyzikálního principu, který je neměnný. Její praktické použití limituje ekonomická efektivnost, tedy zda se vložená investice za daných podmínek vyplatí. Kromě případů podporovaných státem závisí na aktuálním poměru výkupních cen elektrické energie a nákupní ceny paliva.

Jak zakončit úvodní článek k seriálu o kogeneraci? V první polovině devadesátých let, když se objevily první kogenerační jednotky a současně probíhala diskuse o dostavbě jaderné elektrárny v Temelíně, jsem nevěřícně četl z románu Karla Čapka - Krakatit. Na posledních stránkách knihy se vynálezce výbušniny srovnávané později s atomovou energií dostává k poznání:

Poselství našeho největšího spisovatele současným technikům? Přímo asi ne. Nyní, po letech, pracuje jak elektrárna jaderná, tak stovky kogeneračních motorů. Pracují do společné sítě a .... dávají užitek.