Príspevok sa zaoberá rekonštrukciou existujúceho zdroja tepla na báze pevného paliva na zdroj KVET, ktorý efektívne zásobuje teplom mesto s ročnou potrebou okolo 100 GWh. Zdroj KVET je tepláreň s dvoma parnými kotlami a turbogenerátorom. Teplo sa dodáva z nízkotlakového ohrievača obehovej vody do systému CZT a slúži pre potrebu obyvateľstva a občianskej vybavenosti mesta. Otázkou je optimalizácia parametrov vstupnej pary do turbogenerátora z pohľadu optimálnej energetickej, ekonomickej a environmentálnej efektívnosti výroby elektriny a dodávky tepla.  

Úvod do problematiky

Slovenská energetika postupne vyraďuje všetky zdroje elektriny na báze uhlia, t. j. nielen „elektrárne“ v Novákoch a vo Vojanoch, ale aj zdroje KVET v Košiciach, Prievidzi, Novákoch, vo Zvolene, v Žiline, Humennom, Snine atď. Takmer tretina obyvateľov SR bola donedávna zásobovaná teplom z iného zdroja energie ako zemný plyn. Diverzifikácia zdrojov energie má dôležitú úlohu v stratégii energetickej bezpečnosti zodpovedného štátu a pri využívaní zdrojov KVET na báze biomasy vo forme dendro, fytomasy, bioodpadu alebo kalov je možné tieto domáce zdroje energie aspoň sčasti zachovať, pretože už aj elektrizačnú sústavu regulujú zdroje na báze ZPN.

Využívanie biopalív na báze dreva ako zdroja energie

Biomasa, hlavne ako zvyšky lesnej ťažby a odpadné drevo z priemyselného spracovania, spoľahlivo slúži na zásobovanie teplom bytových domov, občianskej vybavenosti a priemyslu vo viacerých mestách SR. Suché palivové drevo patrí k palivám s vyšším obsahom energie Q^H = 5,14 kWh.kg^-1 s vysokým podielom prchavej horľaviny V^d = 85 %, nízkym obsahom popola A^d = 1,0 %, bez síry. Využívanie dreva zažíva renesanciu aj preto, že z pohľadu koncentrácie skleníkových plynov v zemskej atmosfére sa považuje za CO₂ neutrálny zdroj energie, lebo rastlina počas svojho rastu spotrebuje rovnaké množstvo CO_2, ako sa uvoľní pri jej spálení.

Negatívne účinky pri energetickom využívaní dreva spôsobuje podiel vlhkosti, ktorá je v dreve prítomná v dvoch formách „hrubej“, respektíve „viazanej“ vody. O viazanej (bunkovej) vode hovoríme do vlhkosti 25 %, nad touto úrovňou je hrubá (povrchová) voda. Vzhľadom na to, že pomer horľaviny obsiahnutej v bezvodej vzorke, teda sušine, sa v dreve nemení, práve zvýšená vlhkosť negatívne ovplyvňuje obsah energie v dreve, výhrevnosť Q^D. Pri nulovej relatívnej vlhkosti je výhrevnosť najvyššia, nazývame ju spalné teplo Q^H. Relatívna vlhkosť zásadne znižuje výhrevnosť dreva tak, že pri 45,0 % podiele vody (surové drevo) je výhrevnosť polovičná.

Vyššia relatívna vlhkosť ovplyvňuje aj samotný proces horenia, zvyšuje objem spalín, znižuje teplotu plameňa, znižuje rosný bod v spalinách, zvyšuje produkciu emisií, dôsledkom je znížená efektívnosť výroby tepla. Hodnotenie účinnosti v praxi potvrdzuje v literatúre uvádzanú zmenu parametrov účinnosti spaľovania [1]. Rozhodujúca je komínová strata, ktorá vplyvom zvýšenia vlhkosti v sledovanom intervale vzrastie na dvojnásobnú hodnotu. Ostatné straty sú podstatne menšie, ale neúmerne sa zvyšujú tak, že spotreba paliva vzrastie štvornásobne. Priebeh závislosti tepelnej účinnosti kotla od rastúcej vlhkosti matematicky dostatočne presne opisuje polynomická funkcia 2. stupňa ȵ = –0,0038 . W^r2 + 0,0796. W^r + ȵ_30% [1] numericky vyjadrená v tabuľke 1 a ilustrovaná na obrázku 1.

Tabuľka 1 Priebeh účinnosti v závislosti od relatívnej vlhkosti dreva

Obrázok 1 Priebeh energetickej efektívnosti výroby tepla na kotloch

Vlastnosti dreva v závislosti od relatívnej vlhkosti majú priamy vplyv na jeho spotrebu pri výrobe tepla. Ak by sa dendromasa využívala efektívnejšie, potom pri zachovaní jej spotreby prepočítanej na sušinu vo forme palivového dreva, poťažbových zvyškov a odpadov z priemyselného spracovania by sa asi 20-percentná úspora mohla efektívne použiť na výrobu elektriny.

Oddelená výroba tepla

Drevo ako palivo sa vo veľkej miere využíva hlavne v individuálnych zdrojoch zásobovania teplom slovenských domácností. Podľa SHMÚ je spotreba dreva v domácnostiach asi tri milióny ton za rok. Správa SHMÚ uvádza, že pri vykurovaní domácností sa emituje do dýchateľnej vrstvy viac ako 58 % celkových emisií PM₁₀ a viac ako 37 % NMVOC (nemetánových prchavých organických látok). Správa SHMÚ ďalej uvádza, že výroba tepla z dreva v domácnostiach je neefektívna, pretože používané drevo má vysokú relatívnu vlhkosť. V správe sa tiež konštatuje: „Na vykurovanie rodinného domu sa spotrebuje ročne 7,33 t palivového dreva alebo 3,33 t drevných brikiet alebo drevných peliet.“ Rozdiel v spotrebe spôsobuje predovšetkým vysoká vlhkosť a technická zaostalosť zdrojov tepla na kusové drevo. V prípade peliet sú zariadenia vybavené adaptívnym režimom spaľovania v závislosti od vonkajšej alebo vnútornej teploty, podobne ako kotol na ZPN.

Zdrojom oddelenej výroby elektriny býva „kondenzačná elektráreň“ vyrábajúca iba elektrinu, pričom teplo skupenskej premeny pary na kvapalinu sa marí v chladiacej veži. Ako zdroj využíva pevné palivo, potom jeho termodynamickým princípom premeny býva Clausiov-Rankinov tepelný obeh (CRC). Účinnosť CRC je limitovaná na úrovni do 30 %. Hlavnou príčinou pomerne nízkej účinnosti je, že takmer 60 % energie obsiahnutej v palive sa marí v chladiacej veži. Tieto elektrárne budú postupne vyradené zo zdrojového mixu elektrizačnej sústavy, pretože prestali byť energeticky a ekonomicky konkurencieschopné. Nahrádzajú ich kombinované (paroplynové) cykly (PPC alebo COGAS), respektíve spaľovacie motory (KGJ), ktoré síce používajú drahšie palivo (zemný plyn), ale dosahujú podstatne vyššiu účinnosť premeny energie asi aj 30 %. Vzhľadom na to, že ZPN má nižšie emisné faktory oproti uhliu, tieto zdroje emitujú menej spoplatňovaných emisií znečisťujúcich látok (ZL) a skleníkových plynov (GHG).

Kombinovaná výroba elektriny a tepla (KVET)

Legislatíva EÚ a SR s ohľadom na energetickú efektívnosť prikazuje pri výstavbe zdroja tepla preskúmať možnosť nasadenia kombinovanej výroby elektriny a tepla (KVET). V prípade, ak sa elektrina vyrába iba na využiteľnom teple, t. j. teple predanom odberateľovi, ide o vysokoúčinnú KVET. VÚKVET má celospoločenský prínos, pretože účinnosť premeny energie dosahuje viac ako 75 %, t. j. na výrobu elektriny sa spotrebuje iba polovičné množstvo paliva ako pri oddelenej výrobe. Po prijatí legislatívy o podpore výroby elektriny z obnoviteľných zdrojov energie (OZE) sa využívanie dreva rozšírilo aj v centrálnych zdrojoch tepla pre systémy centralizovaného zásobovania teplom (SCZT). V krajinách EÚ sa v zdrojoch KVET na biomasu používa sušiareň na báze nízkopotenciálneho tepla, ktorá počas útlmu potreby tepla slúži na odparenie hrubej vody z paliva. Dochádza ku regenerácii paliva pred spaľovaním a tým sa znižuje spotreba paliva. Teplo spotrebované v sušiarni prechádza cez TG a vyrába elektrinu podobne ako pri regeneratívnom ohreve napájacej vody ilustrovanom na obr. 2 b). Vyššia účinnosť výroby tepla má priamy vplyv na celkovú účinnosť zdroja KVET.

Obrázok 2 Kombinovaná výroba elektriny a ilustrácia v T-s diagrame

Pre potrebu tepla v bytovo-komunálnej sfére sa ako teplonosné médium používa teplá, poprípade horúca voda. Principiálna schéma zdroja KVET je na obrázku 2 a). Na obrázku 2 b) je jej ilustrácia v T-s diagrame, pričom z diagramu je zrejmé, že ide o zdroj KVET s vysokými  parametrami pracovného média (tlaku, teploty), pri ktorých je schopnosť pracovného média konať technickú prácu maximálna, hovoríme, že takýto zdroj má najvyšší „teplárenský modul“. Takýto zdroj je však drahý, pretože jeho tlakový celok musí byť zo žiarupevných materiálov, pri zásobovaní komunálnej sféry však efektívnosť kompenzujeme tým, že na zásobovanie teplom použijeme vodu ako teplonosné médium, ktoré umožní predĺžiť expanziu pary až na medznú krivku. Preto aj zdroj s nižšími parametrami vstupnej pary do turbíny umožňuje konkurenčnú  výrobu elektriny, ak používa nízkotlakový ohrev obehovej vody pre SCZT. Parametre média však musia akceptovať odberatelia tepla. Prínosom opatrenia je nižšia cena tepla a, samozrejme, menej emisií v lokalite.

Motivácia prevádzkovateľov teplotechnických zariadení (TTZ)

Príspevok je motiváciou pre majiteľov a prevádzkovateľov TTZ, aby sa s víziou efektívnosti pozreli na problematiku zásobovanej lokality teplom. Nevyhnutná rekonštrukcia zdroja tepla na báze pevných palív (uhlia) totiž vytvára príležitosť na zvýšenie efektívnosti zdroja. Parametre pracovného média (pary) je potrebné navrhnúť v rozsahu technických možností zdroja KVET s ohľadom na využívanie OZE (biopalivo) tak, aby teplo bolo odpojené od zaťaženia platbou za emisné povolenky, ktoré spolu s poplatkami za znečisťujúce látky a DPH predstavujú „hendikep“ oproti individuálnym zdrojom tepla.        

Využívanie menej hodnotných biopalív

V rámci aktualizácie technického potenciálu biomasy v SR je potenciál biokalov 1,39 mil. ton/rok, t. j. 20 000 TJ energie v palive, do bilancie pritom nie sú započítané kaly z čistiarní odpadových vôd. Produkcia kalov sa zvyšuje so stúpajúcou priemyselnou produkciou, hlavne celulózy a papiera a potravinárskej výroby. Producenti kalov hľadajú efektívne možnosti likvidácie, pretože ich skládkovanie je ekonomicky nákladné, pritom 70 % týchto nákladov je viazaných na obsah vody. V praxi najreálnejšie sú termické spôsoby využívania kalov: spaľovanie v účelových zariadeniach (spaľovniach kalov), resp. v spaľovniach komunálneho odpadu, alebo spoluspaľovanie s dendromasou (drevné štiepky, piliny). Obsah vody v mechanicky odvodnenom kale W^r = 70 % pri podiele popola A^d = 25 % spôsobuje, že výhrevnosť kalu je blízka nule a pri W^r = 80 % má už zápornú energetickú hodnotu. Dôsledkom je, že pri spoluspaľovaní takéhoto kalu s drevnými štiepkami (DŠ) sa spotrebuje viac DŠ, ako by sa spotrebovalo bez pridávania kalu. Východisko pre využívanie kalov na výrobu tepla ukazujú sľubné pokusy s predsúšaním kalov v procese biologického sušenia „biodryingu“, v ktorom substrát naočkovaný baktériami zvyšuje jeho teplotu na viac ako 60 °C, čím sa zníži obsah vlhkosti aj o 30-40 %. Správny „mix“ kalov a vhodnej frakcie a relatívnej vlhkosti DŠ je kľúčom k úspechu tejto technológie na celom svete. Na obrázku 3 je príklad rekonštrukcie zdroja tepla pre SCZT doplnením o zariadenia kombinovanej výroby elektriny a tepla – turbogenerátorom s príslušnými parametrami (PT, G), nízkotlakovým ohrievačom obehovej vody (ZO) a pásovou sušiarňou (PS) označených prerušovanou čiarou. Schéma na obrázku zachytáva režim „leto_min“  

Obrázok 3 Schéma zdroja KVET pre SCZT

Resumé aktuálnej problematiky centralizovaného zásobovania teplom   

Na základe porovnania ekonomickej efektívnosti výroby tepla v zdroji oddelenej výroby tepla (výhrevni) so zdrojom KVET je možné konštatovať, že podpora pevnou výkupnou cenou elektriny určená ÚRSO je stanovená pre technologické využitie inštalovaného výkonu 60,5 %, resp. 5 300 hod/rok. Rovnaká výkupná cena elektriny je však nepostačujúca pre „mestské teplárne“, ktorých využitie určuje krivka trvania vonkajších teplôt, t. j. využitie inštalovaného výkonu je menej ako 20 %, teda 1752 hod/rok, a preto nepostačuje pre návratnosť vložených finančných prostriedkov v režime prevádzky VÚKVET.

ÚRSO a MŽPSR by malo tiež prehodnotiť aj využívanie dreva v zdrojoch KVET, ktoré sú vybavené riadeným spaľovaním a koncovými technológiami pre plnenie environmentálnych požiadaviek EÚ a SR. V zdrojoch KVET je ideálna možnosť výroby suchého substrátu na výrobu biopalív pre domácnosti (brikety, pelety). Prevádzkovateľ zdroja KVET by mal dodržiavať nasledujúce opatrenia pre dosiahnutie efektívnej prevádzky:

Optimalizovať parametre pracovného a  teplonosného média v zdroji KVET a SCZT.

Inštalovanie dvoch spaľovacích jednotiek – parných kotlov, pričom optimálne rozvrhnutie inštalovaného výkonu kotlov sú dve jednotky s podielom výkonu 40 : 60 %, pričom prevádzka zariadenia bude 40 % – leto_min, 60 % – zima_min a 100 % – zima_max. TG navrhnúť na 60 % inštalovaného výkonu zdroja tepla.

Doplnenie technológie zdroja KVET o nizkopotenciálne sušenie biopalív a využívanie „biodryingu“ pre sušenie kalov.

Využívanie menej hodnotných, cenovo výhodnejších biopalív na báze vlhkých odpadov z priemyslu alebo ČOV.

Literatúra

[1] Dzurenda: Vlhkosti palivového dreva a efektívnosť výroby tepla, MD 2017

[2] Naylor, L., Nicoletti, R., Calderiso, M.: Amendment Free, Mechanically Enhanced Biodrying  & Composting of Dewatered Undigested Sewage Sludge. J. Water Health, 2009

[3] Novák: Analýza existujúcej podpory obnoviteľných zdrojov energie v SR, 2020 Bratislava

[4] Szemesová, Zemko, Petráš: SHMÚ, Tlačový brífing o výsledkoch z prieskumu..., 2021

[5] Ladomerský, Hroncová, Ďurík: Energetické zhodnocovanie kompostu vyrobeného  z čistiarenských a iných kalov.... – pokus, 2020

[6] Stella Laxhuber: Ponuka pásovej sušiarne…, 2020

[7] Jandačka, Mikulík: Ekologické aspekty spaľovania biomasy a fosílnych palív, Žilina 2008

[8], Michalec, 1988. Spotrebiteľské sústavy a bilancovanie tepla Bratislava, SVŠT

Ing. Július Jankovský, PhD. – energetický audítor