OZE pro energeticky úsporné a soběstačné obce

Naše společnost Skanska a.s. má snahu ve všech místech kde působí, tedy téměř po celém světě, nést a prosazovat myšlenky „Green construction“. Tyto myšlenku zahrnují téměř všechny činnosti naší společnost a cílí k produktům “přírodě blízké“. Tedy takové stavby, které přírodě neškodí a naopak jí chrání a zapadají do ní.

Na této konferenci se chci soustředit na využívání obnovitelných zdrojů, jejich aplikace a úsporné hospodaření nejen s vlastními surovinami, ale i s produkty a podprodukty.

V současné době mají OZE v naší republice, ale i v celé Evropě, mnoho nepřátel díky naší legislativě, ale hlavně jejich nenadálým a řekl bych nekoncepčním změnám. Věřím, že v době kdy se vám dostává do rukou tento sborník, už je schválená energetická koncepce EU a tedy i ČR. Bez této koncepce a následných legislativních,technických a ekonomických nástrojů nelze dostatečně rozvíjet a budovat energeticko-ekologický systém v ČR a celé EU, ke které jsme se přihlásili.

Myslím si, že jeden z problémů je, že neumíme správně hospodařit s energií v čase a mám pocit, že toto naopak některým monopolním firmám vyhovuje. Chce se mi říci, čím hůř tím líp -tedy alespoň pro výnosy a zisky těchto firem, ale v každém případě ke škodě daňového poplatníka a přírodě okolo nás. Jak je možné, že ČEPS a distributoři elektřiny vědomě porušují zákony (energetický zákon a zákon o podpoře OZE) a ERU tomu jen sekunduje!

Vždyť právě to, na co ČEPS naříká, tedy nerovnoměrnost odběru a špičky je to, co mohou nezávislé decentralizované a mnohdy špičkovací zdroje pomoci vyřešit. Je třeba jen chtít a hledat řešení a ne jen vlastní zisky. Pokud je mezi účastníky a čtenáři „mlynář“, tedy provozovatel MVE, tak mi dá za pravdu, že MVE jsou spíše koníčkem než výdělkem. Málo kdo z nás si účtuje vlastní čas na údržbě, provozu, případně odstranění povodňových škod. Přesto stále vyrábíme a snášíme diktát „státních monopolů v podobě Povodí, distributorů, státní správy a tak dále.

Jako velmi prospěšný – decentralizovaný a v našem provedení i špičkovací zdroj jsou bioplynové stanice (BPS). Tento kombinovaný zdroj na výrobu elektrické energie a tepla byl u nás v minulosti úplně neznámý a téměř neužívaný. Jediné uplatnění bylo na čistírnách odpadních vod (ČOV) a to ještě jenu větších, tedy nad cca 40 tis ekvivalentních obyvatel (EO). V zemědělství se odpady a přebytky řešili jen kompostováním, ale bez dalšího energetického využití unikajícího bioplynu. A právě pro zemědělské hospodářství má BPS mnoho užitku.

• materiálově – spotřeba podestýlek,hnoje a kejdy, nekvalitních produktů, zbytky siláží, zbytky krmiv,třetí seče z pastvin – výnos – digestátu,závlahové vody
• energeticky – výroba elektřiny (zelené bonusy) a tepla – možnost úspor nákupu
• ekonomicky – finanční výnosy z prodeje el. energie a tepla pravidelně – vyrovnané cash flow – záruka spotřeby rostlinných produktů -nezávislost na trhu i počasí.
• podnikatelsky – možnost využití vyprodukované energie a tepla pro další rozvoj podniku – sušárny, provozovny, skleníky, atd.
• ekologicky – kvalitnější hnojení – zabránění splachům do vodotečí, kvalitní závlaha

Pokud se u BPS uplatní principy Skanska lze se dostat na výkonnost až o 30 % vyšší, při stejných materiálových vstupech. Investiční náklady jsou sice vyšší ale ekonomická návratnost výrazně kratší i bez započítání nárůstu cen energií.

Bioplynové stanice s vysokým elektrickým výkonem podle návrhu Skanska CZ

Technická podstata

Bioplynové stanice jsou jedním z nejvýznamnějších potenciálních zdrojů plynu a elektřiny, vyráběných z obnovitelných zdrojů. Investiční náklady na výstavbu bioplynových stanic jsou ale poměrně vysoké a jejich finanční návratnost v současných českých ekonomických podmínkách je dlouhá, obvykle delší než 10 let. Bez podstatných dotací na výstavbu nejsou bioplynové stanice obvyklých koncepcí v ČR pro investory atraktivní.

Dosavadní ekonomickou nevýhodu klasických bioplynových stanic v podmínkách ČR – dlouhou dobu návratnosti investice odstraňuje z části návrh Skanska CZ, který je graficky naznačen na obrázku č.1. Parametry zařízení na obrázku jsou převzaty ze skutečného připravovaného projektu.

Bioplynové stanice s vysokým elektrickým výkonem mají instalovány kogenerační jednotky s 2x až 3x vyšším elektrickým výkonem, než bioplynové stanice obvyklé koncepce (v případě na obrázku je to 2,2x), mají plynojem na 70 až 100% denní produkce bioplynu (zde 70 %), a pokud se přebytečné teplo z kogenerační jednotky využívá i pro jiný účel, než jen pro ohřev fermentorů, tak mají i teplovodní akumulátor tepla. Celá „bioplynová“ část stanice zůstává nezměněná, a produkuje stejné množství bioplynu jako stanice obvyklé koncepce. Větší a účinnější kogenerační jednotka vyrobí ale ze stejného množství bioplynu až o 7 % elektřiny více (zde o 4 %), a to navíc elektřinu více ceněnou, produkovanou jen v době její vysoké spotřeby, a třeba i podle dálkového operativního řízení dle momentální potřeby elektrizační sítě. A to vše bez jakýchkoli provozních vícenákladů samotné stanice, nebo snížení účinnosti a nebo zkrácení životnosti zařízení.

Předpokládané efekty z využití tohoto návrhu Skanska CZ v ČR

Bioplynová stanice s vysokým elektrickým výkonem sice vyžaduje vyšší počáteční investici – například o 20 % (zde je to o 26 %), než bioplynová stanice s obvyklou koncepcí, produkuje ze stejného množství surovin jen o několik procent více elektřiny, tržby za svojí produkci má například jen o 10 až 15 % vyšší (zde o 16 %), ale při téměř stejných provozních nákladech jsou výnosy po odečtení nákladů takové bioplynové stanice vyšší např. o 30 % (zde dokonce o 57 %), a návratnost investice je kratší až o několik let (zde je to o 2,6 roku). A s postupným přechodem elektroenergetiky na využívání obnovitelných zdrojů se bude tato výhoda bioplynových stanic s vysokým elektrickým výkonem ještě zvětšovat, protože cena elektřiny, dodávané jen v době její vysoké spotřeby, a navíc elektřiny, jejíž okamžitý výkon je možné operativně řídit, se jistě bude dále zvyšovat. Výstavba bioplynových stanic s vysokým elektrickým výkonem je ekonomicky výhodnější než stanic klasických!

A to v tomto schématu ještě nemáme uveden náš další průmyslový vzor a to je uplatnění biokatalyzátoru.

Biokatalizátor – stručný popis

Je aplikován biologicky aktivní roztok – biokatalyzátor. Jedná se o vodný roztok, obsahující enzymy a simbiotické mikroorganismy, které intenzifikují anaerobní biochemické procesy ve fermentoru BPS. Bioatalyzátor byl testován IHE Praha a na základě výsledků testů vydalo Ministerstvo zdravotnictví ČR pod. č.j. HEM-343.3-11.91 vyjádření, že biokatalyzátor splňuje hygienické podmínky aplikace, není patogenní, ani toxický. Jelikož se jedná o vodný roztok, splňuje i protipožární podmínky. Biokatalyzátor bude produkován kontinuálně a aplikován do fermentoru BPS.

Tato aplikace byla testována dlouhodobě na BPS v Kněžicích, která byla realizována za příspěvku EU, včetně tepelných rozvodů po obci. Tato obec se tímto projektem, který ještě dále pokračuje, stala energeticky soběstačnou. Navíc je zde likvidován bioodpad nejen z obce samé, ale i fekální vody, protože obec nemá vlastní splaškovou kanalizaci. Fekální odpad se sváží fekálními vozy. Tato technika pak obstarává i rozvoz digestátu na pole. Vlastní navýšení vývoje bioplynu bylo po testu, který trval od r. 2009, 18 %. Čistý ekonomický efekt jen z aplikace “biokatalyzátoru“ je 45 tis. CZK měsíčně.

Schematicky je aplikace biokatalyzátoru patrná na přiloženém schématu BPS Kněžice (obr. č. 2).

Ze schématu je patrno, že BPS je propojena se sezonním zdrojem tepla na biomasu a doplněn akumulátorem tepla. Ten umožňuje, v přechodném období, provozovat kotelnu jen v 8 hodinovém režimu a v letním provozu, kdy teplo dodává jen kogenerace, vyrovnává, (respektive bude vyrovnávat), časový posun mezi spotřebou tepla kdykoli během dne a výrobu tepla při špičkovací výrobě elektřiny podle okamžitých požadavků elektrizační sítě. Zatím bohužel nebylo místně příslušným distributorem elektřiny povoleno navýšení elektrického výkonu kogenerační jednotky do distribuční sítě.

Zde se opět projevuje výhodnost pokrývání vlastní spotřeby elektřiny v obci z bioplynové stanice a nezávislost na distribuci!!

Pokud se v ČR bioplynové stanice uplatní v podobném rozsahu jako je tomu v sousedním Německu a současně se u nich využije tento návrh Skanska CZ, bude jejich celkový elektrický výkon v roce 2030 až cca 3000 MW, celková výše investic na jejich vybudování bude cca 150 až 200 miliard Kč v současných cenách a vlivem jejich provozu se zvýší podíl energie z obnovitelných zdrojů na hrubé domácí spotřebě energie v ČR v současné výši o cca 5 %.

Další zajímavý „princip Skanska“ je z oblasti CZT

Tento návrh Skanska je ukázán na níže uvedeném schématu, na příkladu rekonstrukce konkrétní soustavy CZT s plynovou kotelnou s výrobou tepla 35 000 GJ za rok, na soustavu s teplárnou na biomasu a zemní plyn s využitím objektu původní uhelné kotelny.

Účel návrhu

Česká republika je mezi zeměmi Evropské Unie na samém konci pořadí v rychlosti přechodu energetiky a elektroenergetiky od fosilních zdrojů energie ke zdrojům obnovitelným. Zdůvodňujeme to nedostatkem obnovitelných zdrojů a nedostatkem financí. To jistě přesně platí, pokud si výrobu elektřiny z biomasy představujeme s využitím velmi drahých nových malých kondenzačních parních tepláren s odběrem tepla s průměrnou elektrickou účinností 20 až 25 % a s celkovou energetickou účinností 30 až 40 %. Ale dávno jsou známy mnohonásobně účinnější způsoby využití biomasy v energetice a žádným eticky čistým způsobem se nedá obhájit, proč se v ČR neuplatňují především tyto technologie. Například již několik let je znám návrh Skanska, a.s., který využívá existující rozsáhlou infrastrukturu soustav CZT v ČR právě pro účel realizovat ekonomicky efektivní zařízení, které umožní náhradu uhlí při výrobě elektřiny polovičním a menším množstvím biomasy. Návrh je využitelný především ze strany majitelů a provozovatelů stávajících soustav CZT, tedy měst a obcí, kterým nabízí příležitost inovovat své skomírající problémové soustavy CZT na zbylých 10 – 20 let jejich dožívání na všestranně výdělečné provozy, které velmi přispějí k využívání obnovitelných zdrojů v energetice ČR. Každý kilogram v nich využité spalitelné biomasy pak nahradí v závislosti na své výhřevnosti 2 až 3 kg uhlí v uhelných elektrárnách.

Princip a praktické provedení návrhu

V ČR je dodnes v provozu více než 2000 soustav CZT, většinou horkovodních nebo teplovodních a s plynovými výtopnami. Spotřeba tepla v nich rychle klesá, soustavy čeká postupné snižování výkonů, relativní zvyšování ztrát tepla v rozvodech, zdražování prodávaného tepla a nakonec zánik. Ve stovkách takových soustav je možné na dočasnou dobu 10ti až 20ti let vytvořit městské blokové teplárny s paralelním spalováním zemního plynu a biomasy, s kogeneračními jednotkami s pístovými plynovými motory a s kotli na biomasu. Provedení rekonstrukce je na přiloženém schématu. V pravé části obrázku je nakreslena detailní úprava zařízení plynové výtopny, která měla původně 3 plynové kotle o výkonu 3 x 2,5 MW a byla umístěna v rozlehlé budově někdejší uhelné kotelny. Na volné místo do kotelny se instalují dva nové automatické kotle na místně dostupnou biomasu (štěpku, balíkovanou slámu, odpad z dřevařské výroby a podobně), a napojí se na systémy kotelny. Jako provozní skládka paliva bude využita původní zastřešená skládka uhlí. Celkový výkon kotlů na biomasu se zvolí tak velký, aby spolu s teplem z kogenerační jednotky, provozované pouze 12 hodin denně, pokryly předpokládanou maximální průměrnou několikadenní spotřebu tepla v soustavě CZT. Jako rezervní zdroj pro případ poruchy některého zdroje tepla se ponechá provozuschopný jeden původní plynový kotel. Na místo jednoho ze zrušených plynových kotlů se instaluje kogenerační jednotka s takovým elektrickým výkonem, aby byla schopna pokrýt předpokládanou průměrnou letní každodenní spotřebu tepla v soustavě CZT provozem na plný výkon nejvýše po dobu 12ti hodin denně. K teplárně se dále instaluje akumulátor tepla s takovým objemem, aby byl schopen akumulovat teplo z kogenerační jednotky, vyrobené za 8 až 12 hodin provozu. Provoz teplárny a celé soustavy CZT bude následující: žádné zásadní rekonstrukce teplovodní sítě se již dělat nebudou. Teploty vody v soustavě CZT se budou rok po roce postupně snižovat na nižší, které budou dostačovat pro přenos snižujícího se množství tepla a na zajištění hygienických požadavků pro ohřev TUV. Tím se budou snižovat i ztráty tepla. Celoročně bude v provozu pouze kogenerační jednotka, a to jen po tu denní dobu, kdy vyrobenou elektřinu majitel teplárny výhodně využije pro svojí spotřebu (například se tím kryje část spotřeby elektřiny města – což ale zatím v ČR není obvyklé), a nebo kdy smluvní odběratel takové pološpičkové elektřiny nabídne za tuto elektřinu vyšší než průměrnou cenu. V současné době je například cenovým rozhodnutím ERÚ stanoven příplatek ke smluvní výkupní ceně elektřiny z kombinované výroby (o kombinovanou výrobu elektřiny ze zemního plynu se v tomto případě jedná) na 1440, resp. 1060, resp. 500 Kč/MWh pro dodávku této elektřiny po dobu 24, resp. 12, resp. 8 hodin denně, pokud jde o výrobnu s elektrickým výkonem od 1 MW do 5 MW.

Další potřebné teplo pro soustavu CZT se vyrobí v kotlích na biomasu, v případě jejich krátkodobé poruchy třeba i dočasně v rezervním plynovém kotli. Z pohledu toku jednotlivých paliv a energií se po rekonstrukci kromě stejného množství tepla jako před rekonstrukcí produkuje v teplárně cca 4500 MWh pološpičkovací elektřiny ročně a spotřebovává se navíc pouze spalitelná biomasa s celkovou výhřevností cca 5800 MWh ročně. Tedy zdánlivě jako by se elektřina vyráběla z biomasy s průměrnou účinností cca 78 %. Tak nízké navýšení spotřeby obnovitelné biomasy pro tak vysoké navýšení produkce elektřiny, navíc elektřiny pološpičkovací, není žádným jiným způsobem možné. Návrh Skanska vhodně využívá existující kapacity a infrastrukturu, které to umožní. Teplárna, která před rekonstrukcí jako plynová výtopna spotřebovala za rok určité množství zemního plynu a nejvíce ho spotřebovávala v nejchladnějších měsících roku, po rekonstrukci spotřebovává celkově za rok přibližně stejné množství plynu, ale rovnoměrně po celý rok.

Výroba tepla není na dodávce zemního plynu závislá, teplo je možné kdykoli, a třeba i po celý rok, vyrábět z biomasy. Při přerušení dodávky plynu je tedy přerušena jen výroba elektřiny. Spotřeba biomasy je při běžném provozu za rok asi poloviční, než by byla, pokud by se teplo vyrábělo pouze z biomasy. Protože se při rekonstrukci využívají pouze obvyklá a běžně dostupná zařízení (kotle na biomasu, kogenerační jednotky, tlakové akumulátory tepla), a vhodně se využije většiny dosavadních staveb a zařízení výtopny a současně je produkovaná cenná pološpičkovací elektřina, měla by být rekonstrukce pro investora vysoce ekonomicky efektivní. Prostá návratnost předpokládané investice by se ve většině případů pohybovala v rozmezí 6 až 8 let. Celkově by v ČR při úplném využití všech vhodných podmínek bylo možné realizovat elektrický výkon takových tepláren asi 1000 MW, vyráběly by ročně cca 3500 GWh pološpičkovací elektrické energie. Celková úspora elektrárenského uhlí v ČR z jejich provozu by pak byla cca 3 miliony tun za rok, emise CO₂ by se snížily o cca 1,5 milionu tun/rok. Podíl využití obnovitelných surovin v energetice ČR by se zvýšil asi o 1 %. A snížila by se závislost ČR na dodávkách zemního plynu.

Rekonstrukce výtopen s CZT

Naše společnost dále aktivně pracuje na dalších aktivitách energie, tedy jak výroba tak úspora energií a naším cílem je skutečně stavět přírodě blízké stavby, kde se snoubí jak energetické, ale i vodohospodářské a ekologické parametry.

Rekonstrukce výtopen soustav CZT v ČR a v dalších státech, na teplárny s paralelním spalováním plynu a biomasy podle návrhu Skanska CZ

Technická podstata: veškerá stávající celoroční spotřeba plynu ve výtopně se po rekonstrukci na teplárnu využije pouze na kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v pístových kogeneračních jednotkách, každý den pouze v době vysoké spotřeby elektřiny v elektrizační soustavě ČR (8 až 12 hodin za den). Celkový výkon kogeneračních jednotek je navržen tak, aby v období mimo topnou sezónu stačilo pokrýt celou spotřebu tepla v soustavě samotné teplo z kogeneračních jednotek, při jejich provozu na nominální výkon po dobu 8 až 12 hodin za den. Za tím účelem, aby teplo z kogeneračních jednotek bylo k dispozici po celý den, jsou společně s kogeneračními jednotkami nainstalovány i teplovodní akumulátory tepla. Zvětšená spotřeba tepla v topném období se pokrývá provozem nově instalovaných teplovodních kotlů, které spalují biomasu ve formě dřevní štěpky, slámy anebo podobného obnovitelného paliva. Výkon kotlů je takový, aby spolu s teplem z kogeneračních jednotek v zimním období bezpečně pokryl předpokládanou maximální spotřebu tepla v soustavě. Původní plynový kotel je ponechán ve výtopně jen jako studená rezerva, pro případ poruchy kogenerační jednotky v mimotopném období. Princip návrhu Skanska CZ je graficky naznačen na obrázku č. 9.

V takto uspořádaných teplárnách by bylo možné v ČR, při nezměněné spotřebě zemního plynu a s využitím cca 1,2 milionu tun za rok nově spalované biomasy vyrábět cca 3 500 GWh elektřiny za rok v době její vysoké spotřeby.

Předpokládané efekty z optimálního využití návrhu Skanska CZ v ČR

Celkový elektrický výkon instalovaných kogeneračních jednotek by byl cca 1000 MW. Výroba elektřiny z plynu v těchto jednotkách by díky teplárenskému využití odpadního tepla z kogeneračních jednotek dosahovala účinnosti cca 80 %. Úspora spotřeby energetického uhlí v ČR by byla více než 3 miliony tun za rok. Emise CO₂ z energetiky ČR by se snížily o cca 1,5 milionu tun za rok. Snížila by se závislost ČR na spolehlivosti dodávek zemního plynu. Zvýšil by se podíl využití obnovitelných zdrojů na hrubé domácí spotřebě energie v ČR o cca 1 %. Návratnost investic do těchto rekonstrukcí by byla cca 6 až 10 let. Rekonstrukce by bylo možné financovat z komerčních úvěrů, bez dotací.

Ve státech bývalého východního bloku, ve kterých jsou stejně jako v ČR pro uplatnění tohoto návrhu Skanska CZ vhodné podmínky, by bylo možné celkem takto instalovat ještě o řád větší celkový elektrický výkon.

Článek byl publikován na Konferenci OZE 2011 - Výsledky výzkumu, vývoje a inovací pro obnovitelné zdroje energie (13.-15. dubna 2011, Kouty nad Desnou).

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu