Komunálna energetika – zvýšenie energetickej efektívnosti centrálneho zdroja tepla pomocou kondenzačného ohrievača obehovej vody odpadným teplom zo spalín.

Drevo je vzácna surovina, preto využívanie technológií, ktoré prinášajú jeho úsporu, má environmentálne a ekonomické opodstatnenie pre ich celospoločenský prínos. Na Slovensku sa podstatne viac dreva spotrebuje v individuálnych kachľových peciach, kozuboch, kotloch, dokonca v otvorených ohniskách, bez akejkoľvek regulácie spaľovania, ako v moderných zdrojoch tepla pre systémy centralizovaného zásobovania teplom (SCZT). Je to neprijateľné, pretože individuálne zdroje dosahujú priemernú ročnú účinnosť premeny aj menej ako 30 %, zatiaľ čo moderné centrálne zdroje tepla dosahujú priemernú ročnú účinnosť viac ako 85 % z energie v palive. Pre dosiahnutie cieľov zabránenia zmeny klímy je práve biomasa preferovaný obnoviteľný zdroj energie (OZE) pre systémy CZT. Povinnosťou nielen výrobcu tepla, ale aj jeho odberateľov je zabezpečiť vhodné podmienky na dosiahnutie vysokej účinnosti komplexnej premeny energie v palive. Cieľ je, aby výrobca tepla zabezpečil efektívny spôsob výroby a odberateľ tepla využíval nízkoteplotné vykurovacie systémy.     

Tepelné zdroje na biopalivá

Dôkazom trendu zvyšovania parametrov bioenergetických systémov, najmä v zahraničí, je, že od začiatku využívania biopalív dvojnásobne vzrástla účinnosť kotlov na drevo a v súčasnosti už dosahuje hodnotu blízku 100 % pri vztiahnutí na „výhrevnosť“, teda dolnú hranicu energie v palive (Q_i). Rovnako ako pri zemnom plyne by sa mala účinnosť zariadení vyhodnocovať na „spaľovacie teplo“, teda hornú hranicu energie v palive (H_i). Pri výrobe tepla na kotloch sa časť energie obsiahnutej v palive stráca citeľným teplom vo zvyškoch po horení, mechanickým a chemickým nedopalom, citeľným teplom z povrchu kotla (izolácie) a najväčšia strata odchádza ako citeľné teplo spalín do ovzdušia, populárne ju nazývame „komínová strata“. Na obr. 1 je schéma procesu výroby tepla, ktoré je ako „využiteľné teplo“ systémom CZT dodávané pomocou teplonosného média koncovým odberateľom.

Obrázok 1 Princíp zapojenia technologických zariadení

Kondenzačný ohrievač obehovej vody – princíp funkcie zariadenia je identický ako v kondenzačnom kotle na ZPN, len pôvod vodných pár v spalinách je iný. V zariadení na spaľovanie ZPN je vodná para jedným z vedľajších produktov reakcie horenia (oxidácie) metánu (CH₄), pri ktorej sa uvoľňuje teplo. Obsah vodných pár v spalinách ZPN je preto konštantný a prínos zo zachytávania kondenzačného a latentného tepla zo spalín po horení ZPN závisí iba od teploty obehovej vody cez kondenzačný výmenník tepla, v štandardnom režime pri podchladení spalín pod 53 °C tvorí zachytené teplo maximálne 15 % podielu z energie obsiahnutej v palive.

Oproti tomu v spalinách vzniknutých spaľovaním biomasy sa nachádza vodná para z viazanej vody v bunkových šťavách, ale hlavne počas vykurovacieho obdobia, keď sú úhrny atmosférických zrážok najvyššie, je voda súčasťou dodávaných drevných štiepok dokonca aj v tuhom skupenstve vo forme snehu a ľadu. Takúto vodu nazývame „hrubá voda“. Z praktických skúseností straty odchádzajúce v energii vlhkých spalín ako „komínová strata“ dosahujú aj viac ako 30 % z energie obsiahnutej v palive. 

Využívanie kondenzačnej technológie v zdrojoch na biopalivá

Kondenzácia vodných pár obsiahnutých v spalinách vyžaduje zníženie teploty spalín na teplotu blízku teplote nasýtenia vodných pár a teplota na intenzívne chladenej teplovýmennej ploche musí pod kročiť teplotu rosného bodu pri stavových podmienkach na strane spalín, t. j. menej ako 40 až 70 °C v závislosti od paliva a prebytku spaľovacieho vzduchu, obr. 2.

Obrázok 2 Závislosť teploty rosného bodu od relatívnej vlhkosti paliva

Rosný bod spalín je rozhodujúci faktor pri využívaní kondenzačnej techniky. Je to teplota, pri ktorej vodná para obsiahnutá v spalinách dosiahne stav nasýtenia. Ak vtedy povrch teplovýmennej plochy, ktorá je v styku so spalinami, podkročí teplotu rosného bodu spalín, začne prebiehať na tejto ploche skupenská premena, t. j. plynné skupenstvo (para) sa mení na kvapalinu, tento proces nazývame kondenzácia. Proces vylučovania vody zo spalín na intenzívne ochladzovanej ploche dokonca  môže mierne predbehnúť ochladenie spalín na teplotu rosného bodu. 

Prostredie spalín vyžaduje, aby výmenník tepla bol vyrobený z materiálu odolného proti kyslému prostrediu. Efektívna rekuperácia tepla zo spalín býva navrhnutá v dvoch stupňoch nasledovne:

Konvenčný výmenník (ekonomizér, LUWO) vychladí spaliny na teplotu 160 až 180 °C.

Kondenzačný výmenník s intenzívne chladenou teplovýmennou plochou vratnou vodou z SCZT podchladzuje spaliny ďalej tak, že na povrchu teplovýmennej plochy začne prebiehať proces kondenzácie pri stálej teplote rosného bodu. Následne dôjde k podchladeniu spalín a ich teplota začne klesať, ochladzovanie pod teplotu 60 °C je nežiaduce, pretože by sa komplikoval odvod spalín do komína. Zapojene technológie je na obr. 3.

Obrázok 3 Zapojenie kondenzačnej jednotky do zariadenia na biopalivo – drevné štiepky

V konvenčnom zariadení dosahuje teplota spalín na výstupe z kotla 180 až 180 °C v závislosti od použitého paliva, technickej úrovne spaľovacieho zariadenia, spaľovacej komory a teplovýmenných plôch (tlakového celku) kotla. Na vstupe do komína majú spaliny vyššiu teplotu, ako je teplota rosného bodu v spalinách, pretože už pri teplotách pod 150 °C je vysoké riziko vzniku čiastočnej kondenzácie a následnej korózie, čo vedie k poškodeniu kovových častí kotla reakciou kyselín a tým k zníženiu životnosti zariadenia. Konvenčný kotol je preto navrhnutý tak, aby garantoval teplotu spalín nad teplotou rosného bodu, t. j. viac ako 160 °C.

V kondenzačnej jednotke prebieha ohrev vratnej obehovej vody zo systému CZT, ktorej teplota musí byť na takej úrovni, aby dokázala ochladiť spaliny odchádzajúce z kotla pod teplotu rosného bodu. Množstvo vodnej pary obsiahnutej v spalinách po spaľovaní drevných štiepok je úmerný relatívnej vlhkosti biopaliva. Spaliny zbavené prachu po prechode zariadením na zachytávanie TZL sa ochladia vratnou obehovou vodou z SCZT. Vodné pary obsiahnuté v spalinách pri podchladení pod teplotu skupenskej premeny skondenzujú a následne sa ochladí aj vzdušnina obsiahnutá v spalinách, pričom kondenzačné a latentné teplo zo spalín ohreje obehovú vodu v SCZT.

Obrázok 4 Vplyv kondenzačného výmenníka spalín pri 50 % prebytku vzduchu

Využívanie rekuperácie tepla na báze kondenzačnej technológie v bioenergetických systémoch sa začalo na konci osemdesiatych rokov minulého storočia vo viacerých krajinách Európy a najviac sa uplatnilo v Škandinávii (Dánsko, Fínsko, Švédsko). Táto technológia je mimoriadne prínosná v prípade využívania biopalív na báze dreva. Väčšina palív na báze dreva obsahuje vodík, ktorý v priebehu horenia zvyšuje obsah vodných pár v spalinách. Technológia kondenzácie rekuperuje vo výmenníku tepla aj časť latentného tepla obsiahnutého vo vodných parách po schladení spalín  pod teplotu rosného bodu, v rozpätí teplôt 50 až 70 °C, a to v závislosti od relatívnej vlhkosti drevných štiepok a prebytku spaľovacieho vzduchu, obr. 4.

Kondenzačné jednotky v zariadení zdroja tepla umožňujú úplnú alebo aspoň čiastočnú kondenzáciu vodnej pary obsiahnutej v spalinách a tým aj využitie tepla získaného pri ich kondenzácii. Účinnosť kondenzačných kotlov vztiahnutá na výhrevnosť paliva (H_o, resp. Q_i) tak môže dosiahnuť, pri vhodných podmienkach dokonca prekročiť, hranicu účinnosti 100 %, vztiahnutú na výhrevnosť. Výsledná hodnota účinnosti je ovplyvňovaná najmä teplotou vratného vykurovacieho média na vstupe do kondenzačného výmenníka. Množstvo obehovej vody ovplyvňuje teplotu média na výstupe, preto musí byť dodržaný pomer výkonu a množstva obehovej vody cez výmenník. Pre intenzifikáciu prínosu sa odporúča využívať nízkoteplotné vykurovanie s teplotou vratnej vody do 50 °C, čo by pri príprave TÚV nemal byť po väčšinu roka problém, ten môže nastať v ranných špičkách počas zimy_max.. Vzhľadom na predpokladanú teplotu vratnej vody 55 °C, prebytok kyslíka 6,5 až 7,0 %, nastavený v riadiacom systéme kotlov, bude prebytok vzduchu 32-35 % a pri reálnej hodnote relatívnej vlhkosti drevných štiepok počas vykurovacieho obdobia asi 45 až 50 %, pri teplote vody 55-65 °C na výstupe z výmenníka bude dosiahnuteľné zvýšenie účinnosti parných kotlov na drevné štiepky vybudovaných v rámci projektu ekologizácie centrálneho zdroja tepla vo Zvolene 12 až 20 %. Tepelný výkon kondenzačného výmenníka priradeným ku kotlu s inštalovaným výkonom 20,0 MW bude 2,5 až 3,5 MW. Predpokladaná cena zariadenia bude asi 600-800-tisíc €. Pri cene paliva 19,8 €/MWh predstavuje úspora nákladov na palivo okolo 350 000 €/rok, takže jednoduchá návratnosť investície je 2 až 3 roky.

Kondenzačná jednotka je súčasť energetického systému komplexnej premeny energie viazanej v palive – drevných štiepkach. Navrhované zapojenie umožňuje efektívnejšie využiť energiu obsiahnutú v palive až do úrovne spaľovacieho tepla a tým priamoúmerne znížiť spotrebu dendromasy (dreva). Na Slovensku sa kondenzačné jednotky zatiaľ využívajú veľmi málo, ale v Škandinávii v súčasnosti už nie je možné uviesť do prevádzky zdroj tepla na báze biomasy bez inštalácie kondenzačnej jednotky. Zariadenie s kondenzačným výmenníkom sa tak podieľa na efektívnejšom využívaní primárnych zdrojov energie, a tým znižuje nepriaznivé dôsledky prevádzky energetických zariadení pre životné prostredie. V prípade, ak je obava, že teplota vratnej vody bude vyššia, ako potrebuje kondenzačná jednotka, je možné systém doplniť tepelným čerpadlom, ktoré ochladí vratnú vodu a zároveň ohreje výstupnú vodu. Dokonca by stálo za úvahu na kondenzáciu spalín využívať priamo výparník tepelného čerpadla, ale ten by musel byť v prípade biomasy ako paliva z materiálu odolného proti korózii.

Prof. Ing. Jozef Víglašský, CSc., TU Zvolen, 

Ing. Július Jankovský, PhD., energetický audítor