Spotreba energie predstavuje významnú nákladovú položku pri podnikaní podnikateľských subjektov a takisto aj pre domácnosti. V súčasnosti trh ponúka viacero možností efektívneho využívania energie prostredníctvom moderných technológií využívajúcich na spaľovanie zemný plyn.
Úvod do kombinovanej výroby tepla a elektriny (Kogenerácia)
Zemný plyn (ďalej len „ZP“) prestal byť vnímaný výlučne ako konvenčné palivo pre prípravu tepla a teplej vody. V súčasnosti predstavuje kľúčový energetický nosič pre implementáciu moderných a vysoko účinných technológií. Od vykurovania v rezidenčnom sektore až po kombinovanú výrobu elektriny a tepla vo veľkých energetických zdrojoch, technológie na báze ZP prešli zásadným vývojom. Ponúkajú nielen ekonomické benefity, ale aj výrazne nižšiu environmentálnu záťaž v porovnaní s tuhými palivami.
Výhody zemného plynu ako paliva pre kogeneráciu
Z pohľadu koncového odberateľa je zemný plyn komfortné palivo. V porovnaní s tuhými palivami ho nie je potrebné skladovať, zabezpečovať jeho logistiku, starať sa o jeho kvalitu, či zbavovať sa prachu a odpadu. Vzhľadom na vysokú plynofikovanosť Slovenskej republiky je veľkou výhodou kogenerácie dostupnosť zemného plynu takmer kdekoľvek a kedykoľvek na celom území. Prioritou každého subjektu je získavať energiu bezpečne, spoľahlivo a efektívne.
Šetrenie primárnej energie
Kogenerácia patrí medzi energeticky najefektívnejšie technológie. Kogenerácia umožňuje významne znížiť náklady na primárne energie. Vďaka vyššej účinnosti premeny energie v palive na tepelnú a elektrickú energiu dochádza k šetreniu primárnej energie v porovnaní s oddelenou výrobou tepla a elektriny až o 40 %. Priamym dôsledkom šetrenia primárneho paliva je pokles emisií, ktoré vznikajú pri horení.
Princíp fungovania kogenerácie
Kogenerácia je moderná technológia založená na princípe združenej výroby tepla a elektrickej energie. Už dlho sa úspešne presadzuje vo vyspelých krajinách západnej Európy a predstavuje nezanedbateľný podiel na celkovej výrobe energií, napríklad v Holandsku, Nemecku alebo škandinávskych krajinách. Pri výrobe elektriny vzniká aj teplo. V centrálnych elektrárňach sa toto teplo stráca ako odpadové teplo a zvyčajne sa musí aj chladiť ďalšou energiou. Na druhej strane, pri princípe kombinovanej výroby elektriny a tepla (KVET) sa odpadové teplo využíva na vykurovanie a prípravu teplej vody.
Základným princípom je maximálne využitie energie obsiahnutej v palive. Plynový motor alebo turbína poháňa generátor, ktorý vyrába elektrickú energiu. Popri tom vzniká značné množstvo tepla, ktoré je z chladiaceho okruhu motora/turbíny a z horúcich spalín rekuperované a odovzdávané do vykurovacieho systému. Takto sa celková účinnosť premeny primárnej energie v palive na užitočné formy energie (elektrina a teplo) zvyšuje na 85-95 %.
V kogeneračnej jednotke poháňa spaľovací motor poháňaný plynom generátor na výrobu elektrickej energie. Celý systém výroby elektrickej energie v plynových motoroch je založený na princípe premeny tepelnej energie na mechanickú prácu a následne prostredníctvom generátora na elektrickú energiu. Palivo sa privedie do spaľovacieho motora, kde dôjde k jej premene na tepelnú energiu a jej časť (približne 30% - 40%) sa premení na mechanickú energiu. Generátor (synchrónny, alebo asynchrónny) vygeneruje elektrickú energiu, ktorá sa prostredníctvom transformátora ďalej využije priamo na mieste, alebo sa predá do rozvodnej elektrickej siete. Zvyšná využiteľná časť tepelnej energie (50% - 60%) sa za pomoci sústavy výmenníkov využije na ohrev vody, resp. iného technologicky vhodného média.
Kogeneračné jednotky majú veľmi široký rozsah využitia. V zásade platí, že kogenerácia je efektívne využitá všade tam, kde je rovnomerná a stabilná potreba tepla, napríklad na ohrev vody. Vysoko efektívne sa kogenerácia využíva aj u priemyselných zákazníkov, ktorí vo výrobnom procese spotrebúvajú teplo. Kogeneračné jednotky vyrábajú nielen elektrinu, ale aj teplo využívané na vykurovanie budov alebo priemyselných procesov.
Technológie kogenerácie na báze zemného plynu
Kogenerácia na báze plynových motorov
Ide o piestové spaľovacie motory optimalizované pre dlhodobú prevádzku. Je to najrozšírenejšia technológia v rozsahu výkonov od desiatok kW do desiatok MW.
Paroplynové cykly (PPC)
PPC sú kombináciou plynovej turbíny (Braytonov cyklus) a parnej turbíny (Rankinov cyklus). Horúce spaliny z plynovej turbíny sa využívajú na výrobu pary v spalinovom kotly, ktorá následne poháňa parnú turbínu. Táto kaskáda umožňuje dosiahnuť najvyššiu elektrickú účinnosť (až 60 %) a využíva sa vo veľkých elektrárňach a teplárňach.
Plynové mikroturbíny
Mikroturbíny sú kompaktné vysokootáčkové (až 100 000 ot./min) radiálne turbíny s výkonom do 100 kW. Vyznačujú sa nízkymi vibráciami, minimálnymi nárokmi na údržbu a produkciou vysokopotenciálneho tepla.
Mikrokogenerácia so Stirlingovým motorom
Ide o tepelný motor s externým prívodom tepla a uzavretým regeneratívnym termodynamickým cyklom. Spaľovanie prebieha mimo motora, plynule a pri atmosférickom tlaku, čo zaručuje extrémne tichú prevádzku a nízke emisie. Hoci elektrická účinnosť je nižšia (cca 20 %), celková účinnosť dosahuje až 96 %.
Palivové články
Palivové články predstavujú technologickú špičku v oblasti energetickej konverzie. Ich princípom je elektrochemická reakcia: vodík je privádzaný na anódu palivového článku, kde je katalyticky štiepený na protóny (H⁺) a elektróny (e⁻). Iónovo vodivá membrána (elektrolyt) umožňuje prechod iba protónom ku katóde. Elektróny sú nútené putovať vonkajším elektrickým obvodom, čím vytvárajú jednosmerný elektrický prúd. Na katóde sa protóny, elektróny a kyslík zo vzduchu zlučujú a jediným produktom reakcie je voda (H₂O). Tento proces priamej premeny energie dosahuje veľmi vysokú účinnosť a prebieha takmer bezhlučne. Dosahujú najvyššiu elektrickú účinnosť, ktorá sa pohybuje v rozsahu 60-70 %, čo je výrazne viac ako pri technológiách založených na spaľovaní.
Vplyv kogenerácie na životné prostredie a energetickú nezávislosť
Okrem úspor má kogenerácia aj významný vzťah k životnému prostrediu. Kogenerácia spaľuje zemný plyn. Moderné spôsoby odstraňovania škodlivín (zo spalín) držia emisie ako NOx, CO, CO2, SO2 na veľmi nízkych úrovniach. Napríklad v porovnaní s hnedým uhlím sa pri spaľovaní zemného plynu produkuje na 1 MJ tepla o 41 % menej oxidu uhličitého a o 99 % menej tuhých znečisťujúcich látok. Plynom poháňané kogeneračné jednotky s katalyzátorom, v porovnaní s uhoľnými elektrárňami, resp. s elektrárňami, v ktorých sa spaľuje vykurovací olej, a výroba tepla v spaľovacích kotloch, vyprodukujú výrazne nižšie emisie. To je možné docieliť (spaľovací motor) sériovo zapojeným trojcestným katalyzátorom s Lambda sondou.
Okrem týchto výhod môže byť kogenerácia označovaná aj ako lokálny energetický zdroj. Zákazník si teda môže optimalizovať spotrebu energie podľa svojich aktuálnych požiadaviek a nemusí znášať prenosové straty. Keďže sa energia vyrába tam a vtedy, keď je skutočne potrebná, pri prenose energie nevznikajú žiadne straty. S decentralizovanou výrobou elektrickej energie sa znižuje aj tlak na rozvodné siete. Kogeneračné jednotky umožňujú väčšiu nezávislosť od energetických podnikov a ich rastúcich cien elektrickej energie. Ak vyrobenú energiu spotrebujete, bude vás stáť len približne tretinu bežnej sadzby za elektrinu.
Kondenzačná technika ako efektívne riešenie
Kondenzačná technika je využiteľná nielen pri nových konštrukčných riešeniach vykurovacej sústavy (napr. podlahové vykurovanie, stenové vykurovanie), ale má svoje opodstatnenie aj pri klasických štandardných vykurovacích sústavách (t. j. sústavy inštalované vo väčšine rodinných domov). Pre domácnosti je odpoveďou výmena starého kotla na konci svojej životnosti za nový. Plynové spotrebiče majú svoju životnosť a čím sú staršie, tým sú aj náročnejšie na prevádzku a údržbu a zároveň aj na spotrebu energie.
Princíp kondenzácie
Spaľovaním zemného plynu vzniká určité množstvo vodnej pary, ktorá spoločne s oxidom uhličitým tvorí spaliny horenia. Konvenčné plynové kotly odvádzajú spaliny s vysokou teplotou do atmosféry, čím dochádza k významným stratám tepelnej energie. Celková energia obsiahnutá v ZP sa označuje ako spalné teplo (Hs). Staršie generácie kotlov boli schopné využiť iba tzv. výhrevnosť (Hi), (tzv. dolná výhrevnosť), čo je energia uvoľnená dokonalým spálením bez kondenzácie vzniknutej vodnej pary. Energia viazaná vo vodnej pare, známa ako latentné teplo, tak bez úžitku unikala.
Kondenzačný kotol je konštruovaný na spätné získanie tejto energie. Jeho kľúčovým komponentom je špeciálny výmenník tepla, vyrobený z materiálov odolných voči kyslému kondenzátu (nerezová oceľ, zliatiny hliníka a kremíka). V tomto výmenníku sú spaliny vedené proti prúdu vratnej, a teda najchladnejšej, vody vracajúcej sa z vykurovacieho systému. Týmto spôsobom dochádza k ochladeniu spalín pod teplotu rosného bodu spalín (cca 57 °C pri spaľovaní ZP). V tomto momente nastáva kondenzácia vodnej pary, pri ktorej sa uvoľňuje značné množstvo kondenzačného tepla. Toto teplo sa odovzdáva vratnej vode, ktorá je takto predhriata ešte pred vstupom do hlavného spaľovacieho priestoru.
Optimalizácia a úspory
Maximálna účinnosť kondenzačného kotla sa dosahuje pri nízkych teplotách vratnej vody, čo je typické pre podlahové, stenové alebo nízkoteplotné radiátorové systémy. Na hospodárnu prevádzku s maximálnym využitím výhod kondenzačného kotla je nevyhnutná inštalácia tzv. ekvitermickej regulácie. Priemerná úspora energie s novým kondenzačným kotlom sa v závislosti od vykurovacieho systému pohybuje v rozpätí 15 % až 30 %. Po spustení nového plynového zariadenia do prevádzky dochádza k zníženiu mesačných zálohových platieb za dodávku plynu. Vo finančnom vyjadrení to predstavuje úsporu, ktorú môže zákazník použiť na splátku úveru na nákup kondenzačného kotla. Kondenzačná technika je štandardné riešenie pre novostavby aj rekonštrukcie v rezidenčnom aj komerčnom sektore.
Kombinované (Hybridné) vykurovacie systémy
Kombinované vykurovacie systémy, známe aj ako hybridné vykurovanie, predstavujú inteligentný spôsob, ako spojiť výhody dvoch alebo viacerých vykurovacích technológií do jedného celku. Tieto systémy využívajú rôzne zdroje tepla, ktoré spolupracujú na zabezpečení optimálnej klímy v domácnosti. Cieľom je dosiahnuť maximálnu energetickú účinnosť, znížiť emisie a zároveň zabezpečiť spoľahlivé a komfortné vykurovanie počas celého roka.
Princíp fungovania hybridného systému
V hybridnom systéme spolupracujú dva nezávislé zdroje tepla. Napríklad plynový kotol môže byť spárovaný s tepelným čerpadlom alebo solárnymi kolektormi. Systém inteligentne prepína medzi zdrojmi podľa aktuálnych podmienok (vonkajšia teplota, cena paliva), aby vždy využil najekonomickejší a najefektívnejší variant.
Výhody hybridného vykurovania
- Výrazné zníženie nákladov na energie: Kombináciou fosílnych palív s obnoviteľnými zdrojmi je možné pokryť značnú časť spotreby lacnejším alebo bezplatným teplom.
- Vyššia energetická účinnosť a ekologickosť: Využívanie obnoviteľných zdrojov znižuje spotrebu fosílnych palív a emisie škodlivín.
- Vždy dostatok tepla a spoľahlivosť: Dva nezávislé zdroje tepla zabezpečujú spoľahlivosť aj v prípade výpadku jedného z nich.
- Flexibilita a moderné funkcie: Pokročilé riadenie umožňuje automatickú optimalizáciu prevádzky a diaľkové ovládanie.
- Plnenie energetických noriem a dotácie: Hybridné systémy pomáhajú spĺňať legislatívne požiadavky a môžu byť podporované dotáciami.
Typické kombinácie zdrojov tepla
- Solárna termika a plynový kotol: Solárne kolektory primárne ohrievajú teplú úžitkovú vodu a podporujú vykurovanie. Plynový kotol slúži ako doplnkový zdroj v období nedostatku slnečného žiarenia.
- Tepelné čerpadlo a plynový kotol: Tepelné čerpadlo pokrýva základnú potrebu tepla, plynový kotol sa zapája pri špičkách alebo veľmi nízkych teplotách.
- Solárne kolektory a kotol na biomasu (drevo, pelety): Podobne ako pri kombinácii s plynom, solárne kolektory dodávajú teplo, kotol na biomasu dopĺňa v nepriaznivých podmienkach.
- Solárne kolektory a tepelné čerpadlo: Kombinácia dvoch obnoviteľných zdrojov, kde tepelné čerpadlo je hlavným zdrojom a solárne kolektory znižujú jeho spotrebu elektriny.
- Plynový kotol a kotol na tuhé palivo: Ekonomická kombinácia, kde sa podľa cien paliva volí efektívnejší zdroj.
- Tepelné čerpadlo a elektrický kotol: Používa sa najmä v oblastiach bez plynovej prípojky, kde elektrický kotol slúži ako záložný zdroj.
Ekonomické aspekty a dimenzovanie kogeneračných jednotiek
Hlavným kritériom zákazníka pri optimalizácii energetického hospodárstva sú náklady. Kogenerácia umožňuje významne znížiť náklady na primárne energie. V prípadoch, kedy je potreba stabilnej dodávky tepla sa ako ekonomicky výhodné riešenie potvrdzuje spojenie výroby tepla a elektrickej energie v kogeneračnej jednotke na báze zemného plynu. Cieľom modelového príkladu je ukázať ekonomický výpočet inštalácie kogeneračnej jednotky využívajúcej spaľovacie motory s palivom zemný plyn s celkovým tepelným inštalovaným výkonom do 2,4 MW a jej návratnosť, berúc do úvahy investičné a prevádzkové náklady.
Dimenzovanie podľa potreby tepla
Aby bolo používanie kogeneračnej jednotky ekonomicky rentabilné, zariadenie by malo pracovať nepretržite čo najdlhšie. Čím dlhšie môže kogeneračná jednotka reálne prenášať teplo a energiu do systému, tým skôr sa oplatí. Pokiaľ ide o dimenzovanie, okrem niektorých výnimiek (napríklad núdzové napájanie) sa pozornosť sústreďuje na teplo. Ak sa pozrieme na to, ako je ročný výkon vykurovania zvyčajne rozložený na obdobie 12 mesiacov (trvalá ročná krivka), je jasné, že kogeneračná jednotka by nemala byť predimenzovaná. Na strane vykurovania pracuje kogeneračná jednotka paralelne s kotlom. Na strane energie je prvoradé pokryť vlastnú spotrebu budovy. Elektrická energia na použitie na mieste sa vyrába v jednotkách prispôsobených príslušnej požiadavke.
Teplo vyrobené v kogeneračnej jednotke sa však na rozdiel od centrálnych elektrární nestráca. Teplo sa dodáva do tepelnej siete. Spolu s iným výrobcom tepla, napríklad kotlom, sa do budovy dodáva energia, teplo a teplá voda takmer bez strát. Keďže kogeneračná jednotka sa v podstate oplatí znížením množstva energie odoberanej zo siete (a nie prostredníctvom výkupnej ceny), je potrebné zohľadniť aj spotrebu elektrickej energie v budove.
Plynová kogeneračná jednotka vyrába súčasne teplo a elektrickú energiu. V závislosti od výkonu je vhodná pre väčšie obytné budovy a obytné komplexy, ako aj pre komerčné podniky a komunálne projekty. Keďže výkon sa navrhuje podľa základného zaťaženia, teda priemernej potreby tepla počas roka, kogeneračná jednotka v obytných budovách sa často kombinuje s kotlom na špičkové zaťaženie. Tým sa zabezpečí dostatok tepla aj v zime.
Kompaktné zariadenia Vitobloc 200 sú navrhnuté ako decentralizované kogeneračné jednotky s orientáciou na vykurovanie. Tieto relatívne malé jednotky vyrábajú elektrickú energiu na princípe kombinovanej výroby tepla a elektrickej energie na spotrebu na mieste. Teplo, ktoré sa týmto procesom vyrába, sa súčasne takmer bez strát využíva na vykurovanie. Všetka nepotrebná energia sa exportuje do verejnej siete a dodávateľ elektrickej energie za ňu poskytuje príslušnú odmenu. Kogeneračné jednotky Vitobloc 300 sú vhodné na zemný plyn, bio zemný plyn, LPG a prímes 20 % vodíka.
Kogeneračné jednotky Viessmann sú tímovými hráčmi. Svoju najvyššiu účinnosť dosahujú v systéme, ktorý je individuálne prispôsobený príslušným požiadavkám. Spoločnosť Viessmann Kraft-Wärme-Kopplung GmbH, ktorá je špecialistom na kogeneračné jednotky skupiny Viessmann, ponúka efektívne plynové systémy na kombinovanú výrobu tepla a elektrickej energie s viac ako 25-ročnými skúsenosťami. Kogeneračné jednotky vyvinuté spoločnosťou Viessmann sú určené na komerčné a komunálne použitie, majú vysoký výkon a sú prispôsobené prevádzkovým procesom na bezpečné zásobovanie elektrickou energiou, vykurovaním/chladením, ako aj teplou úžitkovou vodou. Niektoré z nich majú integrovanú kondenzačnú techniku a dosahujú tak celkovú účinnosť až 95 percent a môžu byť prevádzkované s tepelnou aj výkonovou prevádzkou.
Podpora a budúcnosť plynových technológií
V súvislosti s prechodom na novú energetiku a rastúcimi cenami elektrickej energie je decentralizovaná výroba elektrickej energie čoraz dôležitejšia. Keďže však výroba energie z obnoviteľných zdrojov kolíše, a teda sa nedá plánovať, sú regulovateľné systémy KVET dôležitými stavebnými prvkami na dosiahnutie úspešnej energetickej transformácie. V prípade nedostatku kolísavej výroby elektrickej energie môžu systémy s kombinovanou výrobou tepla a elektriny významne prispieť k pokrytiu dopytu. Vďaka svojej veľkej flexibilite v kombinácii s maximálnou účinnosťou systémy kogenerácie už dokonale dopĺňajú kolísavú výrobu energie zo slnka a vetra.
Legislatívny rámec
Kombinovaná výroba elektriny a tepla sa javí ako veľmi atraktívne riešenie. Pravidlá podpory upravuje zákon č. 309/2009 Z.z. o obnoviteľných zdrojoch energie a vysoko účinnej kombinovanej výrobe. Malo by byť v záujme štátu a celej spoločnosti, aby sa pri výrobe tepla a energie zavádzali inovatívne, úsporné, ekologické a trvalo udržateľné riešenia. V súčasnosti pre zariadenia spaľujúce zemný plyn neexistuje podpora zo strany štátu. Vláda v súčasnosti podporuje najmä malé zdroje na báze obnoviteľných zdrojov energie. Napríklad Ministerstvo životného prostredia v Českej republike vyhlásilo program zameraný na podporu výmeny kotlov pre vykurovanie domácností za modernejšie kotly, ktoré produkujú nižšie emisie. Cieľom podpory je znižovanie emisií pri spaľovaní zemného plynu a znižovanie emisií produkovaných pri spaľovaní dreva a uhlia.
Pripravenosť na obnoviteľné plyny
Kľúčovou výhodou prezentovaných technológií je ich flexibilita a pripravenosť na prechod k obnoviteľným plynom.
- Biometán: Ako chemicky identický ekvivalent ZP, vyrobený z obnoviteľných zdrojov, môže byť biometán spaľovaný vo všetkých uvedených technológiách už dnes a to bez potreby akýchkoľvek technických úprav.
- Vodík: S postupným rozvojom vodíkového hospodárstva sa počíta s primiešavaním vodíka do distribučnej siete ZP. Moderné plynové spotrebiče sú už dnes vyvíjané a certifikované ako "H2-Ready", čo znamená, že sú schopné bezpečne a efektívne spaľovať zmes ZP s prímesou vodíka (typicky do 20 %). V dlhodobom horizonte sa počíta s prechodom na spaľovanie 100% vodíka, najmä v prípade zariadení s vyšším výkonom, ako sú paroplynové cykly.