Zvýšení podílu obnovitelných zdrojů v komunální energetice

Úvod

Ve stovkách měst v ČR jsou v provozu soustavy centrálního zásobování teplem (CZT), které používají jako zdroj tepla kotel na zemní plyn (ZP), topný olej (TO, LTO - lehký, ELTO - extra lehký) nebo hnědé uhlí (HU). Jen málo měst využívá možnost efektivní teplárenské výroby elektřiny, která je umožněna právě existující užitečnou spotřebou tepla z výroby elektřiny v soustavě CZT.

Technická podstata

Zachování a rozvoj stávajícího systému CZT s využitím spotřeby tepla k efektivní výrobě elektrické energie ze zemního plynu. Výroba potřebného tepla pro CZT v chladném období roku z biomasy. Konečným cílem je ukončení spotřeby uhlí a LTO. Časový průběh realizace je navržen tak, aby financování bylo možné bez dotací z vlastních prostředků teplárenské společnosti (města) a z bankovních úvěrů a bez nutnosti zvýšení ceny tepla. Je-li v místě ČOV s existující nebo plánovanou výrobou bioplynu, lze do budoucna uvažovat o náhradě zemního plynu bioplynem.

Veškerá stávající celoroční spotřeba plynu ve výtopně se po rekonstrukci na teplárnu využije pouze na kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v kogenerační jednotce. Jednotka bude provozována pouze v době vysoké spotřeby elektřiny v elektrizační soustavě ČR, podle požadavků distributora elektřiny v rozsahu 6 až 12 hodin denně. Celkový výkon kogenerační jednotky je navržen tak, aby v období mimo topnou sezónu vyrobené teplo pokrývalo celou spotřebu tepla v soustavě CZT.

Aby teplo z kogenerační jednotky bylo k dispozici po celý den, je zároveň instalován i teplovodní akumulátor tepla. Veškeré vyrobené teplo z kogenerační jednotky bude využito v soustavě CZT, odpadne nouzové chlazení, což je mimo jiné podmínkou pro možnost účtovat k ceně vyrobené elektřiny operátorovi elektrizační sítě vyplácení příspěvku za kombinovanou výrobu elektřiny a tepla.

Cílem samozřejmě je, aby celkový finanční přínos pro město z prodeje elektřiny a celkem přínos z provozu teplárny byl co největší. Podle dohody s odběratelem/distributorem elektřiny se proto může kogenerační jednotka provozovat buďto v předem stanovené denní době, nebo může být provozována v době, kterou si bude operativně na dálku sám řídit odběratel/distributor elektřiny. V takovém případě může být provoz kogenerační jednotky v zimních měsících i delší než 12 hodin denně. Naopak v létě může být kogenerační jednotka provozována kratší dobu tak, aby se využilo veškeré vyrobené teplo.

Zbývající potřeba tepla v topném období je pokryta provozem nově instalovaných teplovodních kotlů. Jako palivo lze použít odpadní štěpku, odpad z pil, balíkovanou slámu, případně jinou odpadní biomasu, která je v místě nejsnáze dosažitelná [biomasa na TZB-info]. Lze samozřejmě použít i cíleně pěstované energetické plodiny [energetické plodiny na Biom.cz] nebo rychle rostoucí dřeviny [RRD na Biom.cz]. Výkon kotlů je navržen tak, aby spolu s teplem z kogeneračních jednotek v zimním období bezpečně pokryl předpokládanou maximální spotřebu tepla v soustavě CZT. Výkon kotlů lze navrhnout i vyšší, sníží se tím závislost na dodávkách zemního plynu. Původní kotel na fosilní paliva může být ponechán ve výtopně jako studená rezerva.

Obrázek: Princip rekonstrukce plynové kotelny na teplárnu s kombinovanou spotřebou zemního plynu a biomasy

CZT s roční spotřebou tepla 225 000 GJ

Výchozí stav

Ve vlastnictví města jsou:

1. kotelna na hnědé uhlí pro celoroční provoz
2. kotelna na LTO provozovaná při zvýšené potřebě tepla v zimě
3. ČOV v současnosti bez bioplynové stanice

Provoz soustavy CZT je dobrý technicky i ekonomicky, technologie uhelných kotlů je však zastaralá. Mimoto jsou očekávány problémy s dodávkami nízkosirnatého paliva (Na toto téma připravujeme článek pro TZB-info). Kotelny za rok vyrobí a dodají do horkovodní soustavy cca 270 000 GJ tepla. Předpokládaná budoucí celoroční spotřeba tepla 225 000 GJ za rok.

Navrhované úpravy

1. Nová motorová teplárna o výkonu 4,8 MW elektrických a 4,8 MW tepelných na zemní plyn a bioplyn, bude umístěna optimálně v areálu ČOV.
2. Nová trafostanice 6MVA pro vyvedení elektrického výkonu do elektrizační sítě 22 kV.
3. Nová přípojka zemního plynu pro teplárnu, po vybudování bioplynové stanice bude zemní plyn částečně nahrazen bioplynem.
4. Teplovodní akumulátor o objemu cca 1500m³ v blízkosti teplárny.
5. Náhrada stávajících kotlů kotlem na biomasu o výkonu 22 MW, který pokryje výrobu tepla pro soustavu CZT i v případě výpadku dodávek zemního plynu, vytápění města proto bude na dodávce zemního plynu zcela nezávislé.

Teplárna bude v provozu cca 4300 hodin ročně, spotřebuje cca 6 mil. m³ plynu, dodá do elektrizační soustavy cca 20 tisíc MWh elektrické energie a pokryje asi 1/3 spotřeby tepla v CZT (75 tisíc GJ). Výtopna do soustavy CZT dodá ročně asi 150 tis. GJ tepla. Spotřeba biomasy bude 16 tisíc tun při výhřevnosti 11 MJ/kg.

Nejprve bude uvedena do provozu motorová teplárna s akumulátorem tepla. Provoz uhelné kotelny bude omezen na topné období, spotřeba uhlí se sníží na 55 % výchozí úrovně. Kotelna na biomasu může být vybudována později. Bioplynová stanice v areálu ČOV bude realizována v rámci jiné akce, nemá na průběh a parametry výstavby teplárny žádný vliv. Naopak, využití bioplynu v teplárně a dodávka tepla z teplárny do bioplynové stanice podstatně zlepší ekonomii provozu ve srovnání s malou kogenerační jednotkou, která by odpovídala produkci bioplynu v ČOV.

Tabulka: Investiční a provozní náklady a návratnost investice

Roční finanční přínos je 27,8 milionu Kč za rok. Prostá návratnost investice je 7,4 roku. Nejsou uvažovány náklady na demolici stávající uhelné kotelny a stávající kotelny na LTO. Stejně tak není uvažována úspora investic na náhradu dosluhujících kotlů na uhlí a LTO. Zahrnutí uvedených položek dobu návratnosti ještě zkrátí.

Sníží se spotřeba uhlí o 23 tis. tun a poklesnou emise CO₂. Ve většině případů se sníží nároky na dopravu, protože zdroje biomasy jsou místní. Tržby za biomasu zůstanou z velké části v regionu.

CZT s dodávkou tepla 14400 GJ ročně

Výchozí stav

1. Kotelna se dvěma kotli na zemní plyn, celkový tepelný výkon kotlů je 3,1 MW
2. Budova bývalé kotelny na uhlí.
3. Cena tepla v soustavě na sekundární straně domovních předávacích stanic je 489 Kč/GJ.

Město je 100% vlastníkem i provozovatelem soustavy CZT. Kotle i kotelna byly před časem zrekonstruovány z provozu na LTO na provoz na zemní plyn. Soustava se po celý rok provozuje s přerušením vytápění v nočních hodinách v době od 23 hodin do 05 hodin.

Navrhovaná rekonstrukce

V budově bývalé uhelné kotelny budou instalovány

1. Dva automatické horkovodní kotle, každý o výkonu 600 kW se zásobníkem paliva na 24 hodin provozu.
2. Plynová kogenerační jednotka s elektrickým výkonem 600 kW a s tepelným výkonem 800 kW.
3. Beztlakový akumulátor tepla o objemu 200 m³ vedle budovy staré kotelny. Akumulátor bude k soustavě připojen tak, aby mimo jiné fungoval jako vyrovnávací nádrž soustavy CZT.
4. V maximální míře bude použito zařízení stávající plynové kotelny - čerpací stanice pro soustavu CZT a doplňovací stanice s chemickou úpravou doplňovací vody, jeden stávající plynový kotel bude využit jako záložní.

Z hlediska nároků na obsluhu je kogenerační jednotka stejně náročná jako provoz plynových kotlů, v následujícím přehledu je tato položka vynechána. Odbornou údržbu a servis bude provádět specializovaný servis dodavatele, náklady na tento servis a další běžné a generální opravy jsou v hodnocení ekonomiky projektu zahrnuty.

Provoz kotlů na biomasu vyžaduje pravidelný dozor, občasnou obsluhu při doplňování paliva do provozních zásobníků a při odstraňování popela. Pro tuto činnost je předpokládáno zaměstnání celkem 4 nových místních pracovníků na dobu 6 měsíců v roce.

Investiční a provozní náklady a návratnost investice

Roční finanční přínos je 3,6 mil. Kč. Prostá návratnost investice je 6,7 roku. Na výstavbu a rekonstrukci zdrojů využívajících OZE lze získat dotace z Operačního programu Životní prostředí. V daném případě je možno žádat o dotaci na stavbu kotelny na biomasu, na akumulátor tepla a na propojení kotelny na biomasu (tedy na ty části, které souvisí s budoucím využíváním biomasy). Prostá návratnost se může zkrátit na méně než 5 let.

Oproti stavu před rekonstrukcí bude město vyrábět cca 2260 MWh elektřiny za rok. Spotřeba zemního plynu bude mírně vyšší, protože však bude odebírán rovnoměrněji, bude výsledná cena nižší. Po splacení investice by teoreticky město mohlo snížit cenu tepla z dnešních 489 Kč/GJ na 250 Kč/GJ, tím by tržby z prodeje tepla klesly o cca 3,4 mil. Kč za rok.

Závěr

Výroba energie z plynu, díky teplárenskému využití odpadního tepla z kogeneračních jednotek, dosahuje účinnosti až 80 %. Sníží se spotřeba uhlí a emise CO₂ a zvýší se podíl OZE na hrubé spotřebě energie. Sníží se závislost na dodávkách zemního plynu z Ruska. Návratnost investic se pohybuje v rozsahu 6 až 10 let i bez dotací.

Užitný vzor 16082 - Zařízení pro bioplynové stanice s vysokým elektrickým výkonem a vyšší ekonomickou efektivností