Kogenerace pomocí plynových spalovacích motorů

Úvod

V obecném slova smyslu kogenerace znamená kombinované využití elektrické energie a tepla. Oproti klasickým elektrárnám, kogenerační zařízení využívají odpadní teplo k ohřevu vody, která se poté používá jako médium při vytápění přilehlých i vzdálených objektů. Nejčastější aplikací kogeneračních jednotek jsou potom městské a průmyslové teplárny, spalovny komunálních odpadů, bioplynové stanice, ale i nemocnice, hotely atd. Technologická zařízení určená pro kogeneraci se v závislosti na požadovaném výkonu, účelnosti zařízení, investičních možnostech zadavatele a dalších podmínek, vybavují parními turbínami, spalovacími turbínami nebo spalovacími motory.

Kogenerace pomocí plynových spalovacích motorů

Kogenerace pomocí plynových spalovacích motorů je dnes už velmi rozšířená. Jako palivo se u plynových spalovacích motorů používá především zemní plyn, bioplyn nebo důlní plyn (okrajově potom pyrolýzní plyn, dřevoplyn nebo koksárenský plyn). Vyrábí se ve výkonové řadě od cca 200 kW až do 5 MW. Tyto jednotky se instalují především tam, kde je potřeba menšího instalovaného výkonu, jedná se tedy o nemocnice, hotely, malé průmyslové provozy apod. Velmi důležitou aplikací plynových spalovacích motorů jsou potom bioplynové stanice, kde se používají nejčastěji motory o výkonu 250 až 1000 kW spalující bioplyn.

Kogenerační jednotky spalující bioplyn nebo důlní plyn mají od jednotek, které spalují zemní plyn, svá určitá specifika, která jsou dána složením plynu (především podílem CH₄ v palivu) a také množstvím plynu za hodinu, jenž jsme schopni pro spalování zajistit.

Na území České republiky i v mnoha jiných státech Evropy se používá zemní plyn typu H, který obsahuje 96 % metanu. Mimo metan tvoří dále zemní plyn vyšší uhlovodíky, CO₂ a N₂. Obsah metanu v bioplynu se pohybuje obvykle v intervalu 60 – 70 % (další složky tvořící bioplyn jsou převážně CO₂ a v menším množství H₂, H₂S a N₂). Obsah metanu v důlním plynu se pohybuje v rozmezí od 30 % do 70 % (mezi ostatní složky patří CO₂, N₂, případně O₂ u činných dolů). Přičemž hranice únosnosti pro spalování bioplynu je obvykle 40 % podíl CH₄ a 60 % podíl CO₂. Při spalování důlního plynu hranice podílu metanu nesmí potom klesnout pod 25 %. Důvodem je, že při snižování obsahu metanu ve směsi se snižuje rychlost laminárního plamene a nastávají problémy se zhášením motoru během provozu, což je nežádoucí jev, protože se tím snižuje i účinnost a životnost spalovacího motoru. Další kritické faktory při provozu plynového spalovacího motoru jsou:

1. teplota plynu
2. tlak plynu
3. výkyvy tlaku
4. vlhkost plynu
5. spád potrubí

Teplota plynu před vstupem do kogenerační jednotky by neměla být vyšší jak 40 °C. Je-li teplota vyšší, dochází k nadměrnému teplotnímu namáhání armatur a řídících jednotek. To vede nejčastěji k poškození membrán a tím k jejím netěsnostem. Tlak plynu by se měl pohybovat v rozmezí cca 90 – 200 mbar a jeho výkyvy by neměli překročit hodnotu 10 mbar/s. Výkyvy tlaku plynu jsou problematické především u důlního plynu.

Pokud relativní vlhkost plynu dosahuje více jak 80 %, dochází k tvorbě vodních zátek. S tím souvisí i spád potrubí, který se musí s ohledem na kondenzaci plynu volit co nejmenší, aby se zamezilo vodním zátkám, které se tvoří v prohlubních.

Je nutné ale podotknout, že hodnoty kritických faktorů se liší podle použitých materiálů a konstrukčního uspořádání, a proto každý výrobce kogeneračních jednotek tyto kritické hodnoty uvádí trochu jiné.

Výroba tepelné a elektrické energie

Tepelná energie, jež se dá dále využít pro vytápění budov nebo procesních zařízení (např. reaktor u bioplynových stanic), se tvoří za pomocí výměníků. Základní výměník u kogeneračních jednotek na bázi spalovacích motorů je především výměník motorového okruhu a spalinový výměník. Jako výměník motorového okruhu se může použít například deskový výměník. V případě spalinového výměníku můžeme použít výměník trubkový, přičemž spaliny proudí uvnitř trubek a předávají tak svou tepelnou energii otopné vodě.

Elektrická energie se získává přeměnou mechanické energie a to za pomocí elektromagnetické indukce v elektrickém generátoru. Používají se generátory synchronní i asynchronní.

Celková účinnost kogeneračních jednotek se pohybuje v rozmezí 80 až 90 %. Přičemž tepelná účinnost zařízení ku elektrické účinnosti bývá většinou v poměru 5:4. U některých typů spalovacích zařízení je však tento poměr i 1:1.

Využití CO₂ ze spalin

Zajímavou, ale ne příliš rozšířenou aplikací, je využití potenciálu emisí vznikajících při spalování plynu v kogeneračních jednotkách. Jedná se o CO₂, tedy o plyn, který rostliny využívají jako zdroj uhlíku.

Emise ze spalování plynu, jež obsahují vysoký podíl oxidu uhličitého, jsou nejdříve pomocí katalytických reakcí vyčištěny a poté, co odevzdají svoji tepelnou energii ve spalinovém výměníku, jsou vháněny pomocí dmychadla do skleníku. Ve skleníku se tímto zvyšuje podíl oxidu uhličitého v okolním vzduchu. Jakmile je mez obsahu oxidu uhličitého ve skleníku překročena, odvádí se spaliny pomocí řídící jednotky a soustavy škrtících ventilů do komína.

Objemový podíl oxidu uhličitého v atmosféře je zhruba 350 ppm, uvádí se ale, že optimální podíl oxidu uhličitého pro růst některých rostlin je až 700 ppm. Při použití této technologie je tedy obsah oxidu uhličitého v přilehlém skleníku dvojnásobně vyšší oproti okolní atmosféře. Navíc tepelná energie odváděná z motorového okruhu a ze spalin, je využívána k vytápění skleníku, čímž se udržují konstantní podmínky pro zdárný růst rostlin po celý rok.

Tuto aplikaci například v roce 2008 využila holandská firma zabývající se pěstěním rajčat. Použila kogenerační jednotku firmy Jenbacher spalující zemní plyn o výkonu 4 MW. Další aplikace pochází z města Dmitrov v Rusku vzdáleného od Moskvy cca 65 km. Na konci roku 2008 zde byly instalovány tři kogenerační jednotky spalující zemní plyn o celkovém výkonu 5,4 MW. Vyrobené teplo a oxid uhličitý pocházející ze spalin má zde napomoci ke zvýšení produkce květin.

Tweet

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

Biometan se vyplatí a má budoucnost