Polsko: teplo z biomasy v systému ORC

Výroba tepla a elektřiny je v Polsku tradičně založena na uhlí, a přestože již využití biomasy v energetickém sektoru není úplnou novinkou, je biomasa stále považována za nekonvenční zdroj. To donedávna platilo i pro Miejskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej Spółka z o.o. w Lęborku (MPEC), obecní teplárnu v Lęborku na severu Polska.

Teplárna MPEC č. 1 byla starou kotelnou na prachové uhlí s výkonem 45 MW. V červnu roku 2012 město získalo 9 milionů eur na projekt, který měl nahradit starou kotelnu za moderní kogenerační (CHP) jednotku spalující biomasu. Nová CHP jednotka se tak měla stát hlavním zdrojem tepla v okresu a původní měla být využívána jen jako záložní zdroj v případě zvýšeného odběru. Nová jednotka měla být současně elektricky soběstačná a přebytečnou energii dodávat do sítě.

Lokální zdroje biomasy

Rozhodnutí využít  biomasu nebylo jen tak náhodné. Lębork je zemědělský region s množstvím zemědělských vedlejších produktů jako je např. sláma. Pěstují se zde i rychle rostoucí dřeviny. Navíc jsou zde obhospodařovány lesy, které poskytují další dřevní hmotu. Jako další zdroj paliva připadají v úvahu i početné dřevozpracující pily.

Kogenerace z biomasy by tak pomohla farmářům a dalším producentům biomasy nabídnout možnost uplatnění vedlejších produktů a zajistit si tak příjem. Současně by došlo k radikálnímu snížení uhlíkové stopy, zlepšení kvality ovzduší spolu s nabídkou spolehlivého a cenově dostupného vytápění místním obyvatelům.

Mezinárodní projekt

Na projekt, který byl z 85 % financován z grantu Švýcarských fondů a zbytek doplácen obcí, byl vypsán tendr. V listopadu 2013 byla podepsána smlouva s mezinárodním konsorciem vedeným rakouskou firmou specializující se na kogeneraci z biomasy. Její úlohou bylo dodat na klíč jednotku kogenerující teplo a elektřinu ze spalované biomasy o celkovém výkonu 7MW, včetně 1 000 m³ skladovacích prostor na palivovou biomasu. Vedoucí investor současně koordinoval a designoval projekt, práce na staveništi, montážní práce a postaral se o uvedení do provozu celé jednotky CHP coby, primárního zdroje vytápění ve městě Lębork. V červnu následujícího roku byla jednotka zkolaudována.

Termoolej a ORC

Vítězným řešením se kotel na biomasu v kombinaci s jednotkou ORC (Organic Rankine Cycle). Maximální výkon jednotky je 7 MW, z čehož tvoří 5,5 MW teplo ve formě teplé vody s parametry 70 / 90 °C a 1,2 MW je ve formě elektrické energie (brutto).

Dispozičně je zdroj rozdělen do dvou budov, zastřešeného skladu biomasy a budovy CHP. Díky tomu, že palivo tvoří  biomasa složená z větší části z vedlejších produktů dřevo-zpracovatelské výroby, je k dispozici po celý rok. Během léta je spotřeba paliva nižší, než celkový dodávaný objem, tento rozdíl je však vyrovnáván v zimě, kdy jedou kotle na plné obrátky.

Posuvné roštové topeniště

Výrobce dodal rošt i kotel, který je hydraulicky plněn posuvným roštem, což umožňuje efektivní spalování biomasy až do vlhkosti 60 %. Rekuperační systém spalin reguluje emise oxidu dusnatého a oxidu uhelnatého. O redukci prachových částic se stará  kombinace multi-cyklonového a elektrostatického odlučovače (ESP). Jednotka podle výrobce splňuje veškeré požadavky na vypouštění emisí v Polsku. Popel z roštu a popel zachycený z odprášení spalin je sbírán automatickým systémem a skladován ve venkovním kontejneru. Popel je k dispozici farmářům, kteří jej mohou použít jako hnojivo.

Výkonný transfer tepla

Teplo je z kotle do ORC bloku (Turboden 14 CHP Split) odváděno pomocí dvou termálních olejových obvodů. Jeden obvod je určen k vyšším a druhý k nižším teplotám. Výměník s nižšími parametry vychlazuje spaliny a ohřívá olej ze 130 °C na 250 °C. Takto předehřátý olej vstupuje do hlavního výměníku ve spalovací komoře kotle a z něj vystupuje olej s teplotou 310 °C.

Vodní pára používaná v konvenční parním soustrojí, je zde nahrazena vysokomolekulární organickou kapalinou, v tomto případě silikonovým olejem. Dosahuje se tak při nižší teplotě a tlaku vyššího elektrického výkonu. Také je tento proces šetrnější pro turbínu, která může pracovat s nižšími otáčkami a není tak náchylná na opotřebení a korozi. Další výhodou je téměř nulová spotřeba vody.

Pro předání tepla mezi kotlem a ORC jednotkou jsou využívány středně- až vysokoteplotní termooleje. Ten slouží k předehřátí a odpaření silikonového oleje ve výparníku ORC. Silikonový olej z výparníku roztáčí turbínu, ta mění termickou energii na mechanickou a následně pomocí asynchronního generátoru až na energii elektrickou. Když páry v turbíně odevzdaly svoji velkou část energie, procházejí regenerátorem, kde předehřívají silikonový olej proudící z kondenzátoru do výparníku. Takto ještě více ochlazené páry jsou dalším ochlazením kondenzovány v kondenzátoru. K ochlazení slouží  vratná voda z dálkové rozvodné sítě tepla, která se při tom z původních 70 °C ohřeje na 90 °C. Silikonový zkapalnělý olej je poté pumpován přes regenerátor do výparníku a celý cyklus se tak opakuje.

Obvod s termálním olejem je vybaven několika bezpečnostními zařízeními, která chrání olej před přehřátím a degradací, jako je karbonizace. Jedním z nich je nouzový cirkulační systém termálního oleje, který se skládá z bezpečnostního chladiče a dvou přídavných pump: jedné dieselové a jedné elektrické se záložním generátorem. V případě výpadku elektřiny nebo jakékoliv jiné krizové situace je termální olej automaticky zchlazen na bezpečnou teplotu.

Brzký návrat investice

Celá výrobna je řízena automatickým kontrolním systémem vyvinutým kompletně firmou Polytechnik. Jediný zaměstnanec je schopen monitorovat chod stanice, kde současně kontroluje dávkování i výstup zpracovávané biomasy.

Díky systému dálkového vytápění dosahuje teplárna v průměru 86% celkové účinnosti, přitom účinnost elektrická je 18 % při maximálním výkonu 1,2 MW. Nové teplárna splňuje nároky Polska na vysokou efektivitu kogeneračních systémů a dosahuje tak na zelené certifikáty za produkovanou elektřinu, které tvoří  doplňkový zdroj příjmů. Ve výsledku relativně malé zařízení CHP založené na technologii ORC, jako je právě to v Leborku s výkonem 5,5 MWt a 1,2 MW_el, může dosáhnout návratnosti již za  8 - 12 let.

Kombinace tepla, elektřiny a chlazení

Vyšší elektrický výkon stanice a kratší doba amortizace se podílí na ceně za MWh elektřiny. Ta je nižší, čím větší je roční odběr tepla. Z ekonomického pohledu, by tak stanice CHP měla být v provozu na co nejvyšší výkon co nejdelší čas. To je však z hlediska sezónních výkyvů ve spotřebě tepla problematické, nicméně zařízení kogenerující elektřinu, teplo a současně chlazení může v letních měsících kompenzovat snížený odběr tepla klimatizováním objektů.

Článek byl publikován v časopise BIOENERGY International No 89, 6 - 2016.

 

Překlad: Julie Jeřábková

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