O kogeneraci
Kogenerace je sdružená výroba tepla a elektrické energie.
- Slovo kogenerace pochází z anglického co-generation a znamená společnou výrobu elektřiny a tepla.
- Kogenerační jednotku tvoří nejčastěji generátor na výrobu elektřiny poháněný většinou spalovacím motorem na zemní plyn, v méně častých případech plynovou či parní turbínou.
- V případě potřeby je možné vyrábět kromě elektrické energie a tepla i chlad. V tom případě jde o trigeneraci.
U triginerace je kogenerační jednotka doplněna o chladicí jednotku absorpčního typu. Toto spojení umožňuje využít teplo kogenerační jednotky i v letním období k výrobě chladu, kdy jinak spotřeba tepla klesá na minimum. Tím se výrazně prodlužuje doba provozu kogenerační jednotky a zlepšuje její ekonomické ukazatele.
Princip a výhody
Proces přeměny energie z paliva je proveden tak, že nejprve se využije vysokopotenciální tepelná energie (pracovní látka má vysokou teplotu) k vykonání práce (výrobě elektrické energie) a poté se pracovní látka o nižší teplotě využije pro pokrytí potřeb tepla.
Výhody kogenerace
Oproti klasickým elektrárnám, ve kterých je teplo vznikající při výrobě energie bez užitku vypouštěno do okolí, využívá kogenerační jednotka teplo k vytápění nebo k přípravě teplé vody a tím šetří palivo i finanční prostředky potřebné na jeho nákup.
Vysoká účinnost využití energie v palivu, která často přesahuje 90 %, snižuje jak palivovou náročnost energetiky, tak i globální množství emisí.
Konkrétní úspora emisí závisí na velikosti jednotky včetně jejího provozu a je vyčíslena k výrobě elektřiny dle energetického mixu České republiky.
Pokud nastane tzv. Black-out, může kogenerace fungovat jako záložní zdroj zajišťující dodávku elektřiny.
Ekologická výroba
V ČR je v provozu mnoho drobných kotelen, ještě často na uhlí, vytápějí se nemocnice, školy, úřady, průmyslové podniky apod. Spalování uhlí v malých kotelnách je ovšem málo ekologické, poškozuje životní prostředí.
Malé teplárenské zdroje přitom přispívají velkou měrou k jednomu z hlavních problémů současného znečištění ovzduší – polétavému prachu. Poškozují tak lidské zdraví i v lokalitách, kde není velký průmysl a jsou tedy pokládány za čisté. Do velkých elektráren a tepláren plynuly už v minulosti významné investice, takže jejich negativní vliv na životní prostředí se hodně snížil.
Problémy životního prostředí – znečišťování ovzduší – umí malé kogenerace řešit právě díky vyšší efektivitě výroby elektřiny, tepla a využívají jako palivo především zemní plyn. Vyrábět energii s účinností 80–90 % totiž jiné zdroje nedokáží, ale v kogeneraci se tomu lze přiblížit. Z paliva, které má výrobce k dispozici, se vyrobí elektřina i teplo, které prodává dalším zákazníkům. Dalším kladem je, že se decentrální výroba elektřiny a tepla většinou nachází tam, kde se také energie spotřebovává a tím také dochází k minimalizaci ztrát při distribuci energie.
Příklady typického využití kogenerace
Kogenerace je vhodná všude tam, kde jsou vysoké nároky na odběr tepla.
Rozložení výroby tepla [GJ]
Kogenerační jednotku je možno využít všude tam, kde je potřeba
- stabilizace dodávky a ceny tepla,
- zefektivnit provoz zdroje centrálního zásobování teplem,
- uspořit finanční prostředky.
Největší předpoklady pro maximální využití výhod KGJ mají velcí odběratelé tepla
- lokální komunální výtopny,
- systémy centrálního zásobování teplem,
- nemocnice, léčebny dlouhodobě nemocných,
- domovy důchodců,
- hotely, penziony, školy,
- obchodní domy, obchodní centra,
- bazény, lázně, sportovní centra,
- průmyslové podniky.
Teplo vznikající při klasické kondenzační výrobě elektrické energie přichází obvykle nazmar. Při kogenerační výrobě je toto teplo možno účelně využít například k vytápění budov nebo ohřevu vody.
Instalace kogenerační jednotky je vhodná zejména v případě, kdy je garantován celoroční odběr tepelné energie (např. v soustavách kdy se i v mimotopném období připravuje teplá užitková voda). Vždy ale záleží na technicko-ekonomickém vyhodnocení podmínek jednotlivých instalací.
Pro instalaci kogeneračních zdrojů kromě technických a finančních limitů platí i legislativní mantinely a to hlavně posouzení vlivu nové technologie na životní prostředí. Jde o přísné emisní a hlukové limity, které musí být při provozu kogeneračních zdrojů ze zákona dodrženy.
Jak funguje kogenerační jednotka
Efektivní a vysoce účinná kombinovaná výroba elektrické energie a tepla (kogenerace), dokáže využít až 95 % dodaného paliva a přeměnit ho efektivně na elektrickou energii a teplo.
Doposud běžná výroba elektřiny a tepla probíhá odděleně. Elektřina se vyrábí nejčastěji v uhelných či jaderných elektrárnách, kde při výrobě elektrické energie vzniká velké množství tepla, které se nevyužívá a je vypouštěno do ovzduší. Výroba elektřiny tak vyžaduje podstatně větší množství paliva než kombinovaná výroba.
Kombinovaná výroba elektřiny a tepla oproti klasické výrobě energií umí teplo využít efektivně a zužitkovat ho na teplo do otopné soustavy a na přípravu teplé vody s nižšími požadavky na vstupní palivo.
Základ každé kogenerační jednotky tvoří soustrojí motor-generátor. Pohonná jednotka vychází z koncepce pístového motoru upraveného na spalování zemního plynu. Generátor je synchronně roztáčen a vytváří tak napětí s frekvencí 50 Hz, což umožňuje bezproblémové přifázování elektrické energie do distribuční soustavy. Motor i generátor produkují teplo, které je odváděno vodou přes oddělovací výměník, do otopného soustavy. Zdroj energie je tak využit dvakrát, a účinnost zařízení je tak podstatně vyšší.
V době kdy je kogenerační jednotka mimo provoz, je teplo dodáváno dvěma způsoby a to:
- dodávka tepla z akumulačního zásobníku,
- z jiného zdroje tepla, např. plynového kotle.
Z hlediska spolupráce s nadřazenou distribuční soustavou jsou možné tři základní druhy provozu kogenerační jednotky a dále v úvahu přicházejí některé jejich vzájemné kombinace. Základní druhy provozu jsou tyto:
- paralelní provoz se sítí – kogenerační jednotka dodává elektřinu do nadřazené distribuční soustavy,
- ostrovní provoz – kogenerační jednotka pracuje autonomně bez připojení na nadřazenou distribuční soustavu, dodává elektřinu pro vlastní spotřebu odběratele,
- nouzový provoz – v nouzovém provozu plní jednotka funkci záložního zdroje.
Vyrobená elektřina je převážně vyráběna na úrovni nízkého napětí a podle místních podmínek je připojena buď do distribuční sítě nízkého napětí, nebo přes transformátor do distribuční sítě vysokého napětí.
Trigenerace představuje kombinovanou výrobu elektřiny, tepla a chladu. Současná dodávka všech tří energetických toků není nezbytnou podmínkou, možná je i variantní dodávka elektřiny a tepla nebo elektřiny a chladu. Jde o spojení kogenerační jednotky s absorpční chladicí jednotkou. Jednotka pro výrobu chladu je samostatný díl instalovaný v blízkosti kogenerační jednotky. Výhodou tohoto spojení je zejména využití tepla kogenerační jednotky i mimo topnou sezonu, čímž je možnost dosáhnout vyššího i efektivnějšího ročního provozu kogenerační jednotky.
Trigenerace může být využita všude tam, kde je zapotřebí klimatizace nebo výroba technologického chladu.
Co tvoří kogenerační jednotku
Generátor
- zařízení pro přeměnu mechanické točivé energie na energii elektrickou.
Spalovací motor
- pístový motor na zemní plyn, který roztáčí připojený generátor,
- teplo, které motor produkuje je prostřednictvím chladicí vody předáváno do výměníku a dále využíváno, stejně tak je využíváno i teplo spalin motoru.
Tepelný systém (výměník tepla)
Je tvořen primárním okruhem, sekundárním okruhem a v některých případech technologickým okruhem:
- primární okruh je vnitřní uzavřený tlakový okruh, který v případě kogenerační jednotky osazené spalovacím motorem odebírá teplo z vodního pláště motoru a předává ho do sekundárního okruhu,
- sekundárním okruhem je zajištěno vyvedení tepelného výkonu (získaného chlazením spalovacího motoru a spalin) z kogenerační jednotky ke spotřebiči,
- technologický okruh představuje okruh chlazení plnicí směsi ohřáté stlačením v turbokompresoru, tento okruh je realizován pouze u některých typů kogeneračních jednotek.
Rozvaděč a řídicí systém
- rozvaděč je centrální částí řídicího systému,
- řídicí systém je určen pro ovládání kogenerační jednotky.
Spolu s kogenerační jednotkou je instalována akumulační nádrž, která slouží k ukládání přebytečného tepla pro jeho pozdější využití v době, kdy je odběr tepla snížený pod jmenovitý tepelný výkon kogenerační jednotky nebo naopak slouží k vyrovnání zvýšeného odběru tepla v době odběrových špiček. Použití akumulace umožňuje udržet kvalitu dodávek tepla na vysoké úrovni a také prodloužení provozní doby kogenerační jednotky a tím zvýšení efektivity provozu. Mimo jiné slouží akumulace také k dodávkám tepla do navazující soustavy v době, kdy je kogenerační jednotka mimo provoz. Jako médium pro akumulaci tepla je použita teplá voda.
Více informací na http://www.cezenergo.cz/cs/uvod.html