Kvalita elektrické energie - Průvodce
Rozptýlená výroba a obnovitelné zdroje 8.3.5 Kogenerace
Siemens press picture
Siemens press picture
Copper Development Association Institution of Engineering and Technology Endorsed Training Provider
Rozptýlená výroba a obnovitelné zdroje Kogenerace Rob Smit KEMA Nederland BV December 2006 Autoři překladu: Tadeusz Sikora, Pavel Santarius, Petr Krejčí FEI Technická univerzita Ostrava, Květen 2007 Leonardo ENERGY Leonardo ENERGY je iniciativa řízená European Copper Institute a jeho evropskou sítí, skládající se z 11 úřadů, která se věnuje tvorbě informačních center sloužících projektantům, inženýrům, obchodníkům, architektům, manažerům, pedagogům a studentům, kteří jsou profesionálně nebo jinak spojeni s elektrickou energií. Pomocí různých projektů, včetně projektu Leonardo Power Quality Initiative je zapojeno do programu Leonardo ENERGY přes 130 partnerů z univerzit a průmyslu. WEB stránka www.leonardo-energy.org poskytuje rozsáhlou virtuální knihovnu se širokou nabídkou témat z oblasti elektrické energie a poskytuje uživatelům pravidelně inovované články, poznámky, stručné příspěvky, zprávy i interaktivní výuku. Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC) HCPC je nezisková organizace financovaná producenty mědi a výrobci zpracovávajícími měď. Jejím cílem je podporovat používání mědi a měděných slitin a napomáhat jejich správné a účinné aplikaci. Služby HCPC, mezi něž patří i poskytování informací a technického poradenství, jsou dostupné zájemcům o využití mědi ve všech oborech. Sdružení rovněž slouží jako prostředník mezi výzkumnými organizacemi a průmyslovými uživateli a udržuje těsné styky s obdobnými středisky mědi ve světě. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB Technická univerzita Ostrava (FEI - TUO) Fakulta elektrotechniky a informatiky zahájila svou činnost na VŠB Technické univerzitě v Ostravě od 1. ledna 1991. Fakulta zajišťuje všechny formy vysokoškolského studia (tj. bakalářské, magisterské a doktorské) ve studijním programu Elektrotechnika a informatika s ucelenou strukturou elektrotechnických oborů a inženýrské informatiky. Nedílnou součástí činností pedagogů na fakultě je i vědecko-výzkumná činnost, kde jedním z nosných programů je kvalita elektrické energie s hlavním zaměřením na problematiku monitorování parametrů kvality a na problematiku harmonických v elektrických sítích. European Copper Institute (ECI) European Copper Institute je organizací založenou podporujícími členy ICA (International Copper Association) a IWCC (International Wrought Copper Council). ECI zastupuje největší světové producenty mědi a přední evropské výrobce při propagaci mědi v Evropě. ECI, který byl založen v roce 1996, se opírá o síť deseti národních organizací mědi (Copper Development Associations - 'CDAs') v Beneluxu, Francii, Německu, Řecku, Maďarsku, Itálii, Polsku, Skandinávii, Španělsku a Spojeném království. Navazuje na činnost sdružení Copper Products Development Association založeného v roce 1959 a INCRA (International Copper Research Association) založeného v roce 1961. Upozornění Obsah tohoto materiálu nemusí nutně vyjadřovat názor Evropského společenství a není pro něj ani závazný. European Copper Institute a Hungarian Copper Promotion Centre odmítají odpovědnost za jakékoliv přímé, nepřímé či vedlejší škody, které mohou být způsobeny nesprávným využitím informací v této publikaci. Obsah tohoto materiálu rovněž nemusí plně vyjadřovat názory překladatelů. Copyright© European Copper Institute a Copper Development Association. Česká verze byla připravena ve spolupráci HCPC a Fakulty elektrotechniky a informatiky VŠB – Technické Univerzity Ostrava. Reprodukce je možná za předpokladu, že materiál bude otištěn v nezkrácené podobě a s uvedením zdroje.
Rozptýlená výroba a obnovitelné zdroje Kogenerace Úvod Tento Průvodce je úvodem ke kogeneraci; čím je a jak je v Evropě využívána. Nejdříve je popsán základní princip. Zabýváme se zde různými kogeneračními technologiemi, které se v současnosti používají, a těmi, které pravděpodobně začnou být v nejbližší budoucnosti používány. Pozornost je věnována způsobu, jakým by kogenerace měla být přizpůsobena spotřebě energie, aby se zajistil největší přínos pro životní prostředí. V členských státech EU je cca 10 % výroby elektřiny z kogenerace. Evropská komise chce toto procento ještě zvýšit z důvodu přínosu pro životní prostředí (zvláště s ohledem na emise oxidu uhličitého) a potenciálního přínosu k energetické soběstačnosti. Proto EU podporuje zvýšené využití kogenerace různými směrnicemi, které mají být zavedeny v členských státech EU v příštích pár letech.
Základní principy a definice Kogenerace je současná výroba energie a tepla. Avšak není to kompletní definice, jelikož všechna zařízení, která vyrábějí elektřinu, vyrábějí také teplo. Co odlišuje kogeneraci je, že teplo je prakticky využíváno, tj. jak energie, tak teplo, je plně zužitkováno. Například auto vyrábí energii (pohybovou) a teplo, ale nemůže být nazváno kogenerační jednotkou, protože většina vyrobeného tepla nemá praktického využití. Kogenerace může být proto definována následovně: Kogenerace je současná výroba elektrické energie a tepla s přihlédnutím k praktickému využití obou produktů. Kvůli této kombinaci energie a tepla je kogenerace často také nazývána Kombinovanou výrobou elektřiny a tepla (KVET, angl. CHP – Combined Heat and Power). V tomto Průvodci budou používána obě tato synonyma. Kogenerační produkt „energie“ je téměř vždy elektřina, ačkoliv to může být i stlačený vzduch nebo jiná forma energie. V závislosti na použité kogenerační technologii, vyrobené teplo může být použito při relativně nízké teplotě pro vytápění prostor, nebo při vyšších teplotách jako technologické teplo (obvykle ve formě páry). Tento Průvodce se zaměřuje na kogeneraci jejímž produktem energie je elektřina. Kogenerační jednotka se vždy sestává z následujících základních součástí: ♦ Primární zdroj energie, ve kterém je palivo přeměněno na pohyb a teplo ♦ Generátor na přeměnu pohybu na elektřinu ♦ Systém získávání tepla pro sběr vyrobeného tepla. Kogenerace může být použita v různém měřítku, s použitím různých technologii a na různém poli použití. V souvislosti s kogenerací je často rozlišováno mezi malými a velkými kogeneračními zdroji. Aplikace, které využívají spalovací motory (Internal Combustion – IC) jako pohonnou jednotku (také nazývané plynovými motory), jsou nejčastěji nazývány malokogeneračními, zatímco většina velkokogeneračních využívá pohonu plynovými turbínami. Důležitější ale je rozlišovat na základě použitých technologiích, než podle velikosti.
Srovnání s konvenční výrobou elektřiny a tepla Kogenerace je nyní nejdůležitějším dostupným prostředkem zvyšování energetické účinnosti. Průměrná kogenerační jednotka má účinnost 85 %, takže jen 15 % počáteční energie (paliva) je ztraceno. Pro srovnání: moderní elektrárna s paroplynovým cyklem má účinnost 55 %, čili 45 % energie jsou ztráty.
Kogenerace Na obr. 1 je porovnána kogenerace s oddělenou, konvenční výrobou elektřiny a tepla. Je zde ukázáno, že oddělená výroba elektřiny a tepla vyžaduje více primární energie (paliva), než společná výroba (kogenerace) podobného množství tepla a elektřiny. Schéma předpokládá reálnou 35% elektrickou účinnost a tepelnou účinnost 50 % pro kogenerační jednotku založenou na spalovacím motoru. Množství ušetřené energie (zlepšení účinnosti) závisí na rozdílných formách výroby elektřiny a tepla, se kterými děláme srovnání. Schéma předpokládá průměrnou energetickou účinnost typické infrastruktury výroby elektřiny (43 %) a kotle s 95% účinností. Srovnání s moderní elektrárnou s paroplynovém cyklem, s energetickou účinností 55 %, přináší úsporu energie uvedenou v závorkách. Vstup paliva Oddělená výroba
81 (64)
Elektrárna 43 % (55 %)
Vstup paliva
Kogenerace
Elektřina 35
Účinnost Elektřina 35 %
53
Kotel 95 %
Teplo 50
100
Teplo 50 %
Celkem 134 (117)
Celkem 100 (134 - 100) Úspora energie =
= 25 % (15 %) 134
Obrázek 1 – Teoretická úspora energie kogenerace ve srovnání s oddělenou výrobou elektřiny a tepla
Jak je uvedeno v obrázku 1, vede použití kogenerace ke zvýšení účinnosti o 15 až 25 %. Možnost ke zvýšení účinnosti je jedním z hlavních hnacích motorů úspěchu kogenerace. Přínosy kogenerace Kromě přínosů ze zlepšení účinnosti nabízí kogenerace různé další potenciální přínosy. Nejdůležitějšími jsou: ♦ Pokud veškeré teplo může být zužitkováno v místě výroby, tak kogenerace je nejlepším způsobem výroby elektřiny ♦ Použití kogenerace vede k nižším emisím do životního prostředí, zejména emisí CO2. ♦ Místní výroba elektrické energie může zvýšit místní bezpečnost dodávky elektřiny ♦ Vedlejší produkty procesů (např. organický odpad) mohou být využity jako palivo pro kogenerační zařízení.
Aplikace kogenerace Princip kogenerace Kogenerace může být aplikována v mnoha různých oblastech. Kombinovaná výroba je snadno nasazovaná v budovách jako kanceláře, nemocnice, domy a bazény, stejně jako v zahradnických sklenících, průmyslu a jako zdroj tepla pro dálkové vytápění.
Kogenerace Využití kogenerace má dlouhou historii užití v mnoha typech průmyslu, zvláště v papírenském a chemickém průmyslu, ve kterých je velký současný požadavek tepla a elektřiny. V posledních letech s větší dostupností a širším výběrem vhodných technologií znamená, že kogenerace se stala atraktivním a praktickým návrhem pro široký rozsah aplikací. To znamená zpracovatelský průmysl, budovy veřejné a komerční sféry a návrhy oblastního vytápění. Všechny z nich vytvářejí značnou poptávku po teple. Možné aplikace mohou být rozděleny podle různých parametrů: Měřítko aplikace:
Velké nebo malé
Povaha užití tepla:
Vytápění prostor nebo technologické teplo
Typ technologie:
Plynová turbína nebo spalovací motor
Uživatel:
Jeden nebo více uživatelů
Vlastnictví:
Vlastněno samotným uživatelem, nebo například v partnerství s energetickou společností
Ačkoliv dělení podle měřítka aplikace je běžná záležitost, tak „velké“ a „malé“ jsou subjektivní definice. V kontextu průmyslové plynové kogenerační turbíny jednotka s výkonem 5 MWe (megawatt elektrických) je malá. Pokud se jedná o spalovací motory, tak jednotka 5 MWe je velká. Je mnohem užitečnější dělit podle použité technologie, eventuálně s popisem povahy užití tepla. Spalovací motory jsou normálně používány tam, kde je teplo používáno pro vytápění prostor. Když potřebujeme vysokopotenciální teplo, např. pro technologické teplo, tak plynové turbíny se zdají být více vhodné. Spalovací motory byly tradičně používány pro aplikace v malém měřítku (200 kWe – 5 MWe), zatímco plynové turbíny byly používány pro větší aplikace (> 5 MWe). Nicméně v posledních letech se staly dostupnými pro malé aplikace mikroturbíny (30 kWe – 500 kWe). Kogenerace v Evropě Kogenerace hraje důležitou roli v zásobování energií EU, zvážíme-li 10 % vyrobené elektrické energie. Po celé EU je značná rozmanitost, jak v měřítku, tak v povaze vývoje kogenerace. Tato rozmanitost odráží rozdíly v historii, politických prioritách, přírodních zdrojích, kultuře a klimatu, a je úzce spjata se strukturou a funkčností trhu s elektrickou energií. Obrázek 2 ukazuje současný stav kogenerace v několika členských státech EU. EU Spojené království Švédsko Španělsko Portugalsko Nizozemí Itálie Irsko Řecko Německo Francie Finsko Dánsko Belgie Rakousko Polsko 0
20
40
60
Obrázek 2 – Stav aplikace kogenerace v EU jako podíl (%) národní výroby energie (Zdroj: Cogen Europe)
Kogenerace Z obrázku 2 můžeme vidět, že použití kogenerace v různých zemích se pohybuje od pár procent celkové produkce v Irsku až k 50 % v Dánsku. Ve státech s velkým podílem (Dánsko, Finsko a Nizozemí) jasné politické pobídky velmi zvýšily aplikaci kogenerace. Například v Nizozemí zvláštní nízká cena pohonných hmot a záruka výhodného tarifu pro elektřinu dodávanou z kogenerace do sítě vedlo k značnému nárůstu kogenerace mezi lety 1990 až 2000. Nicméně zvláštní tarify pro kogenerační trh už nejsou možné, takže pouze skutečně kogenerační projekty, zahrnující praktické využití vyrobeného tepla, můžou přežít na liberalizovaném trhu. Správně navržená a provozována kogenerační jednotka poskytne vždy vyšší účinnost, než oddělená výroba elektřiny a tepla. Pro výrobu elektřiny a tepla je použito jednoho paliva; finanční úspora je závislá na cenovém rozdílu mezi cenou tohoto paliva a hodnotou nakupované elektřiny, kterou nahradí kogenerační jednotka. Ačkoliv výnosy kogenerace se obecně odvíjejí od levnosti vyrobené elektřiny, úspěch závisí na schopnosti dát vyrobenému teplu praktické využití. Proto prvním kritériem je existence tepelné aplikace, která může být schopně zvládnuta kogenerací. Podle hrubého odhadu bude kogenerace pravděpodobně životaschopná tam, kde poptávka po teple je alespoň 4500 hodin ročně. Nejlepší možnou situací je, když jak elektřina, tak i teplo může být plně využito v místě výroby. Bohužel ve většině případů výroba elektřiny přesahuje místní potřebu, pokud kogenerační jednotka je provozována ve shodě se spotřebou tepla. Toto je zobrazeno na obrázku 3 a 4. Obrázek 3 ukazuje situaci, kdy kogenerační jednotka je dimenzována podle poptávky po elektřině. V tomto příkladě je požadavek na elektrickou energii konstantní po celý rok, což vede ke konstantní dodávce tepla. Jelikož poptávka tepla je mnohem větší v zimních měsících, tak je zapotřebí dodatečné výroby tepla.
Přídavné dotápění kotlem
Teplo z kogenerace
Elektřina z kogenerace Led
Úno
Bře
Dub
Spotřeba elektřiny Kvě
Črn
Črc
Srp
Zář
Říj
Lis
Pro
Obrázek 3 – Kogenerační jednotka nastavená na pokrývání spotřeby elektřiny
Obrázek 4 ilustruje situaci, kdy kogenerační jednotka je dimenzována na pokrytí spotřeby tepla. Dostupnost elektřiny sleduje výrobu tepla, zatímco spotřeba elektřiny zůstává konstantní. Pokud poptávka po elektřině převyšuje výrobu, pak schodek může být nakoupen ze sítě, zatímco přebytek elektřiny může být do sítě prodán. Ve většině aplikací kogenerace je potřeba tepla větší jak elektřiny (z pohledu celého roku). Jinými slovy je poměr tepla k elektřině větší než 1. Avšak tento poměr se může značně měnit v průběhu roku, a dokonce v průběhu dne. Z pohledu životního prostředí je vždy lepší pro kogenerační jednotku, aby sledovala spotřebu tepla, zatímco z ekonomického pohledu je někdy lákavé sledovat spotřebu elektřiny. Pokud sledujeme spotřebu elektřiny, tak nastanou případy (zvláště v létě), kdy vyrobené teplo nemůže být zužitkováno a musí se odvést do okolí, což má negativní dopad na celkovou účinnost kogenerační jednotky.
Kogenerace Pokud je kogenerační jednotka nastavena na sledování spotřeby tepla, tak nastanou případy (zvláště v zimě), kdy hodně vyrobené elektřiny musí být prodáno do sítě. Pokud je v té době tržní cena elektrické energie nízká, tak to bude mít negativní dopad na celkovou ekonomickou výkonnost jednotky.
Teplo z kogenerace
Elektřina prodaná do sítě Elektřina z kogenerace Spotřeba elektřiny Led
Úno
Bře
Dub
Kvě
Črn
Črc
Srp
Zář
Říj
Lis
Pro
Obrázek 4 – Kogenerační jednotka nastavená na pokrývání spotřeby tepla
Kogenerační technologie Pohony V současné době jsou dvě hlavní technologie pohonů generátorů kogeneračních jednotek: plynové turbíny a spalovací motory. V blízké budoucnosti vypadají slibně palivové články, mikroturbíny a Stirlingovy motory. Porovnání pohonů je v Tabulce 1. Plynové turbíny Plynové turbíny se staly nejrozšířenějšími pohony kogenerace ve velkém měřítku, typicky s instalovaným výkonem 1 až 100 MWe. Palivo hoří v tlakové spalovací komoře za přítomnosti vzduchu dodávaného kompresorem. Žhavé stlačené plyny (teplota kolem 1200 °C) otáčejí řadou lopatek turbíny a hřídelí, na kterou jsou připevněny, čímž vzniká mechanická energie. Tato mechanická energie je normálně použita k výrobě elektřiny generátorem. Žhavé spaliny jsou použity (buď přímo, nebo přes parogenerátor) pro místní spotřebu tepla, k výrobě tepla v kotli na odpadní teplo pro průmyslové procesy, nebo k výrobě elektřiny expanzí v parní turbíně. Uspořádaní plynové turbíny, kotle na odpadní teplo a parní turbíny se nazývá „paroplynovou turbínou“. Spalovací motory Spalovací motory pracují na stejném principu jako automobilové motory. Mají mnohem větší elektrickou účinnost než plynové turbíny, ale vyrobené teplo je větší problém využít, protože má obecně nižší teploty a je rozděleno téměř stejným dílem mezi spaliny (vysoká teplota kolem 400 °C) a chladivo motoru (teplota kolem 100 °C). V mnoha aplikacích teplo získané z chladících okruhů a spalin je kaskádně uspořádáno k výrobě jednoho výstupu tepla, typicky je vyráběna horká voda o
Kogenerace teplotě kolem 100 °C. S rostoucím zájmem o obnovitelné zdroje energie jsou v stále rostoucí míře více používány spalovací motory na bioplyn (což vyžaduje jen menší úpravy motoru).
Pohon Turbína s paroplynovým cyklem
Palivo
Rozsah instalovaného Elektr. výkonu účin(MWe) nost
Plyn
3 až 300
Plynová turbína
Plyn
0,3 až 50
Vznětový motor
0,2 až 20 0,003 až 6
25-43%
0,001 až 100
40-60%
Mikroturbína
Nafta Benzín, plyn, bioplyn Vodík, zemní plyn Benzín, plyn, bioplyn, nafta
Typická celková účinnost Teplo Středotlaká pára nebo vysokotep35-55 % 73-90% lotní horká voda Vysokotlaká pára nebo horký plyn 25-42% 65-87% (500-600°C) Nízkotlaká pára. Nízko a středně35-45% 65-90% teplotní horká voda
Stirlingův motor
Všechny paliva
Zážehový motor Palivové články
0,03 až 1 0,001 až 0,005
27% 10-15%
70-92% Nízko a středněteplotní horká voda 90% Pára nebo horká voda 90% Horké spaliny nebo horká voda 95% Horká voda
Tabulka 1 – Srovnání pohonných technologií
Palivové články V palivovém článku je palivo (zemní plyn, metanol, vodík) přeměněn na elektřinu a teplo elektrochemicky. Vodík (z paliva) a kyslík (z atmosféry) je převeden na vodu, elektřinu a teplo. Palivové články jsou atraktivní díky vysoké elektrické účinnosti (až 60 %) a eleganci přeměny bez pohyblivých součástí. Jsou různé typy palivových článků, které přestože pracují na jednoduchém principu popsaném výše, se značně liší podle použitých materiálů, paliva na které fungují, a jejich provozních charakteristik (provozní teplota, výkon, požadavky na čistotu paliva, atd.). Následkem toho se také liší podle aplikace, na kterou jsou vhodné. Dvě technologie palivových článků, které jsou nyní ve stádiu prvotního návrhu pro komerční použití v příštích deseti letech jsou palivové články s tuhými oxidy (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC) a palivové články s tuhými polymery (Protone Exchange Membrane fuel cell - (PEM)). SOFC jsou vhodné pro kogeneraci velkých zdrojů (až do 100 MWe) a vyrábějí vysokopotenciální teplo (600 až 1000 °C). Palivové články PEM jsou zvláště vhodné pro malé zdroje a s rozsahem teplot 70 až 150 °C mohou být použity pro kogeneraci malých výkonů pro bytovou výstavbu. Mikroturbíny V posledních letech uspěli vývojáři plynových turbín ve výrobě mnohem menších jednotek (až po 30 kWe). Tyto mikroturbíny, jak se jim říká, se právě dostávají do komerčního využití pro kogeneraci pro vytápění pěstitelských skleníků a kancelářských budov. Jsou atraktivní ve srovnání se spalovacími motory nízkými emisemi NOx a malou potřebou údržby. Také vyrábějí vysokopotenciální teplo. Nicméně nelze srovnat mikroturbíny s elektrickou účinností spalovacích motorů. Stirlingovy motory Další „novou“ technologií v různých projektech mikro-kombinované výroby je Stirlingův motor. Koncept byl vlastně vyvinut už v roce 1816, ještě předtím, než byl Ottův zážehový motor použit v automobilech; mluví se o něm jako o technologii, která nejdéle zůstává nejslibnější. Nicméně Stir-
Kogenerace lingův motor vyžaduje materiály vysoké kvality, protože princip vyžaduje soustavné vnější ohřívání tepelného výměníku. Říká se, že kdyby v té době byly dostupné vhodné materiály, tak Stirlingovy motory by dnes poháněly auta. Stirlingův motor mění teplotní rozdíl po celém stroji na mechanickou energii. Pracuje na principu opakovaného ohřívání a ochlazování objemu plynu (vzduchu, vodíku, nebo hélia). To se provádí pohybem plynu mezi teplými a studenými tepelnými výměníky, teplý výměník je v tepelném kontaktu se zdrojem tepla, např. hořákem paliva, a studený výměník je komora s tepelným kontaktem s vnějším chladičem. Několik vývojářů je blízko k výrobě komerčně dostupných Stirlingových motorů pro dodávku energie (elektřiny a tepla) pro jednotlivé domácnosti. Elektrická účinnost Stirlingova motoru je něco přes 10 %.
Generátory používané pro kogeneraci Generátor mění mechanickou energii otáčející se hřídele na elektřinu. Generátory mohou být synchronní nebo asynchronní. Synchronní generátor může pracovat nezávisle na síti a může fungovat jako záložní generátor a dodávat energii i během poruchy sítě. Asynchronní generátor může pracovat pouze paralelně s ostatními generátory, obvykle ve spojení přes síť. Jednotka se po odpojení od sítě nebo výpadku sítě zastaví, takže nemohou být provozovány jako záložní jednotky. Nicméně připojení a paralelní provoz se sítí je jednoduchý. Synchronní generátory s výkony pod 200 kWe jsou obvykle dražší než asynchronní jednotky, a to z důvodu dalšího nutného vybavení pro řízení, startování a paralelní provoz se sítí. Obecně při výkonech nad 200 kWe se vytrácí cenová výhoda asynchronních nad synchronními. Nicméně je tendence používat synchronní generátory i pro kogenerační jednotky s nižšími výkony.
Náklady a zisky Náklady Zisky Tabulka 2 ukazuje rovnováhu nákladů a zisků. KogeneInvestice Teplo race je finančně náročná činnost, takže investice mají Provoz a údržba Elektřina být správně odhadnuty a odůvodněny. Náklady mohou Palivo - menší nákup být vyčísleny relativně snadno, ale vyhodnotit vyrobe- prodej do sítě nou elektřinu a teplo je mnohem obtížnější. Není možné Tabulka 2 – Náklady a zisky z kogenerace objektivně rozdělit náklady mezi výrobu elektřiny a tepla, jelikož hodnota vyrobeného tepla a elektřiny obvykle vypočtena na základě ušetřených nákladů. Hodnota tepla z kogenerace je vypočtena z ceny tepla vyrobeného v kotli a elektřina z kogenerace je určena z ušetřených nákladů na nákup elektřiny, nebo, v případě že je elektřina dodávaná do sítě, z nákladů na centralizovanou výrobu elektřiny.
Investiční náklady kogenerační jednotky mohou být obecně rozděleny následovně: ♦ Náklady pohonné jednotky ♦ Náklady na generátor ♦ Náklady na tepelný výměník ♦ Náklady na instalaci ♦ Náklady na připojení do sítě
Investiční náklady (EUR/kWe)
Kogenerace
Instalovaný výkon (kWe) Obrázek 5 – Měrné investiční náklady KVET
Obecné údaje o investičních nákladech na kWe instalovaného výkonu jsou na obrázku 5. Odrážejí měrné investiční náklady kogenerační jednotky se spalovacím motorem, včetně pohonné jednotky, generátoru, tepelných výměníků a připojení k síti. Tabulka 3 dává procentní rozpis investičních nákladů typické kogenerační instalace podle součástí. Součást Pohon + Generátor Tepelné výměníky Elektrické připojení + zabezpečení Instalace
Odpovídající procentní podíl celkových investičních nákladů 40 - 60 % 15 - 30 % 5 - 15 % 5 - 10 %
Tabulka 3 – Investiční náklady typického KVET systému podle součástí
Za provozu velmi závisí ziskovost kogeneračního zařízení na cenách elektřiny a plynu. Instalace KVET, která je nastavena na krytí požadavků tepla nemá moc velkou pružnou reakci na změny ceny elektřiny. Není proto jednoduché udělat jednotku KVET ziskovou. Obrázek 6 ukazuje typický rozpis nákladů pro různé typy kogeneračních jednotek když jsou v provozu. Obrázek 7 ukazuje druhou část provozní rovnováhy – zisky. Z obrázků je jasné, že palivo je nejdůležitější složkou nákladů, zatímco hodnoty toku vyrobené elektřiny a tepla jsou hlavní součástí na straně zisků. Když už je provoz spuštěn, tak jediné náklady, na které může mít vlastník vliv, jsou provoz a údržba (Operating and Maintenance – O&M). S současné době v několika státech EU náklady na provoz kogenerační elektrárny převyšují zisky. Dotace na rozpoznání přínosů pro životní prostředí těchto energeticky efektivních elektráren je proto nutná, aby se staly kogenerační projekty životaschopné a aby se zabránilo zpomalení ve vývoji KVET.
Politika a regulace Evropská komise v roce 1997 publikovala „Strategii na podporu kombinované výroby elektřiny a tepla“, která nastavuje cíle pro kogeneraci v členských státech. V roce 2010 má kogenerace činit 18 % celkové výroby elektřiny. Komise vidí v kogeneraci elektřiny a tepla důležitého přispěvatele k realizaci cílů Kjótského protokolu v EU. Tak jak má KVET velký potenciál úspor energie, může také zabránit ztrátám v sítích, snížit emise a zvýšit bezpečnost dodávky energie. Podle Komise není ještě rozsah kogenerace plně využit, a je proto třeba podporovat vysoce účinnou kogeneraci
Kogenerace
Jiné
Jiné
Procento celkových nákladů na provoz
O&M
Palivo
Palivo
Investice
Investice
Paroplynový cyklus
O&M
O&M
Plynová turbína
Palivo
Investice Spalovací motor
Obrázek 6 – Rozpis nákladů pro různé typy kombinované výroby v provozu
Teplo
Ušetřený nákup ze sítě
Ušetřený nákup ze sítě
Povolenky CO2
Povolenky CO2
Teplo
Teplo
Elektřina
Elektřina
Elektřina
Paroplynový cyklus
Plynová turbína
Spalovací motor
Obrázek 7 – Rozpis zisků pro různé typy kombinované výroby v provozu
založenou na užitečné spotřebě tepla. K tomuto účelu byla publikována v roce 2004 Směrnice EU o podpoře kogenerace založené na užitečné spotřebě tepla. Cíl této Směrnice je následující: „Smyslem této Směrnice je zvýšit energetickou účinnost a zlepšit bezpečnost dodávky vytvořením rámce pro podporu a vývoj vysoceúčinné kogenerace tepla a elektřiny založené na užitečné spotřebě tepla a úspoře primárních energií ve vnitřních energetických trzích s ohledem na specifické národní okolnosti, zvláště ve vztahu ke klimatickým a ekonomickým podmínkám.“
Kogenerace Klíčové body této Směrnice, která má být zavedena v členských státech EU, jsou následující: ♦ Má být vybudován systém garance původu (certifikáty) pro elektřinu z kogenerace. ♦ Členské státy EU mají analyzovat národní potenciál kogenerace. ♦ Členské státy EU mají podat hlášení každé čtyři roky o pokroku směrem ke zvýšení procentního podílu výroby energie pomocí kogenerace. ♦ Podporované plány na kogeneraci mají být založeny na užitečné spotřebě tepla a úspoře primárních energií. Očekává se, že zavedení této Směrnice dále zvýší použití kogenerace v EU. Mají být určeny ukazatele životního prostředí a jiné kvalitativní ukazatele pro elektřinu vyrobenou z KVET a je nyní vedena diskuse o referenčních hodnotách pro srovnání s oddělenou výrobou elektřiny a tepla. Dalším vývojem politiky EU, který je důležitý pro další vývoj kombinované výroby v Evropě, je: ♦ Systém obchodu s emisemi oxidu uhličitého (CO2). Jelikož KVET přispívá ke snížení emisí CO2, tak obchod s povolenkami na CO2 podpoří využití kombinované výroby. ♦ Energetická politika EU bude klást v následujících letech důraz na energetickou účinnost. Toto podpoří využití KVET. Dvě důležité směrnice, které se soustřeďují na zlepšení energetické účinnosti jsou: - Směrnice o energetické náročnosti budov (2002/91/EC). Tato direktiva má být implementována do národních zákonů členských států EU do 2006. Volá po harmonizovaných principech pro určení energetické náročnosti budov, minimálních požadavcích na energetickou náročnost a certifikaci energetické náročnosti. Kombinovaná výroba (zvláště malých zdrojů) může hrát roli ve splnění těchto požadavků. - Směrnice EU 2006/32/ES o energetické účinnosti u konečného uživatele a o energetických službách (5. května 2006). Účelem zavedení této směrnice je zlepšení rentabilní energetické účinnosti pro koncové uživatele ve členských státech. Použití kogenerace je zmíněno v této směrnici jako důležité měřítko. ♦ V roce 2006 bude ujasněná nová směrnice pro podporu použití obnovitelného tepla (např. teplo z jednotky KVET na z biomasu).
Odkazy a literatura [1] Patterson, Walt, ‘Transforming Electricity, the Coming Generation of Change’, Royal Institute of International Affairs, Earthscan Publications Ltd, 1999. [2] Lovins, Amory B; Datta, E Kyle; Feiler, Thomas; Rábago, Karl R; Joel,N; Swisher, P E; Lehmann, André; and Wicker, Ken; ‘Small is Profitable: The Hidden Economic Benefits of Making Electrical Resources the Right Size’, Rocky Mountain Institute, 2002. [3] Minett, Simon, Cogeneration in Western Europe, Presentation, COGEN Europe, October 2004. [4] Smit, Rob, Course in Small-scale Cogeneration, PWK, 1997-2000. [5] Cogeneration Monitor 2003-2005 (in Dutch), Harmsen, R et al, ECN, 2004. [6] Directive 2004/8/EC of The European Parliament and of the Council of 11 February 2004, on the promotion of cogeneration based on a useful heat demand in the internal energy market and amending Directive 92/42/EEC. [7] Directive 2006/32/EC of the European Parliament and of the Council of 5 April 2006, on energy end-use efficiency and energy services and repealing Council Directive 93/76/EEC. [8] Educogen, The European Educational Tool on Cogeneration, December 2001.
Reference & Founding* Partners European Copper Institute* (ECI)
EPRI Solutions Inc
Laborelec
www.eurocopper.org
www.epri.com/eprisolutions
www.laborelec.com
ABB Power Quality Products
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
MGE UPS Systems
www.abb.com
www.etsii.upm.es
www.mgeups.com
Akademia Gorniczo-Hutnicza (AGH)
Fluke Europe
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
www.agh.edu.pl
www.fluke.com
www.uni-magdeburg.de
Centre d'Innovació Tecnològica en Convertidors
Hochschule für Technik und Wirtschaft* (HTW)
Polish Copper Promotion Centre* (PCPC)
Estàtics i Accionaments (CITCEA-UPC)
www.htw-saarland.de
www.miedz.org.pl
Hogeschool West-Vlaanderen Departement PIH
Socomec Sicon UPS
www.citcea.upc.edu Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) www.ceiuni.it
www.socomec.com
www.pih.be Copper Benelux* www.copperbenelux.org
International Union for Electricity Applications (UIE)
Università di Bergamo* www.unibg.it
www.uie.org Copper Development Association* (CDA UK)
ISR - Universidade de Coimbra
University of Bath
www.cda.org.uk
www.isr.uc.pt
www.bath.ac.uk
Deutsches Kupferinstitut* (DKI)
Istituto Italiano del Rame* (IIR)
The University of Manchester
www.kupferinstitut.de
www.iir.it
www.manchester.ac.uk
Engineering Consulting & Design* (ECD)
Katholieke Universiteit Leuven* (KU Leuven)
Wroclaw University of Technology*
www.ecd.it
www.pwr.wroc.pl
www.kuleuven.ac.be
Editorial Board David Chapman (Chief Editor)
CDA UK
Prof Angelo Baggini
Università di Bergamo
Dr Araceli Hernández Bayo
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
Prof Ronnie Belmans
UIE
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
Dr Franco Bua
ECD
Jean-Francois Christin
MGE UPS Systems
[email protected]
[email protected]
Prof Anibal de Almeida
ISR - Universidade de Coimbra
[email protected]
Hans De Keulenaer
ECI
[email protected]
Prof Jan Desmet
Hogeschool West-Vlaanderen
[email protected]
Dr ir Marcel Didden
Laborelec
[email protected]
Dr Johan Driesen
KU Leuven
[email protected]
Stefan Fassbinder
DKI
Prof Zbigniew Hanzelka
Akademia Gorniczo-Hutnicza
[email protected]
Stephanie Horton
ERA Technology
[email protected]
Dr Antoni Klajn
Wroclaw University of Technology
[email protected]
[email protected]
Kees Kokee
Fluke Europe BV
[email protected]
Prof Dr rer nat Wolfgang Langguth
HTW
[email protected]
Prof Henryk Markiewicz
Wroclaw University of Technology
Carlo Masetti
CEI
[email protected]
Mark McGranaghan
EPRI Solutions
[email protected]
Dr Jovica Milanovic
The University of Manchester
[email protected]
Dr Miles Redfern
University of Bath
[email protected]
Dr ir Tom Sels
KU Leuven
Prof Dr-Ing Zbigniew Styczynski
Universität Magdeburg
[email protected]
[email protected] [email protected]
Andreas Sumper
CITCEA-UPC
Roman Targosz
PCPC
[email protected] [email protected]
Dr Ahmed Zobaa
Cairo University
[email protected]
KEMA Nederland B.V. Utrechtseweg 310 6812 AR Arnhem The Netherlands
Rob Smit
HUNGARIAN COPPER PROMOTION CENTRE Hungarian Copper Promotion Centre Képíró u. 9 H - 1053 Budapest Maďarsko Tel.: 00 361 266 4810 Tel.: 00 361 266 4804 E-mail:
[email protected] Website: www.hcpcinfo.org
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky 17. listopadu 15 CZ 708 33 Ostrava-Poruba Tel.: +420 597324279 Tel.: +420 596919597 E-mail:
[email protected] Website: homen.vsb.cz/~san50/
Tel: Fax: Email: Web:
00 31 26 3566061 00 31 26 351 3683 R o b
[email protected] www.kema.com
European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium
Tel: Fax: Email: Website:
00 32 2 777 70 70 00 32 2 777 70 79
[email protected] www.eurocopper.org
