Princip a výhody kogenerace

Kogenerace znamená kombinovanou výrobu elektřiny a tepla.

Klasická samostatná výroba elektřiny je z fyzikální podstaty Carnotova cyklu provázena ztrátami energie ve formě nízkopotenciálního tepla. Toto zbytkové teplo se v případě kogenerace použije například k vytápění nebo technologicky a tím se šetří část primárního paliva.

Kogenerace jako princip se uplatní i v malých měřítkách kogeneračních jednotek s plynovými motory.

Jde vlastně o malý teplárenský blok (německy Blockheizkraftwerk BHKW) spalující plyn v pístovém motoru. Vstupní energie v palivu se v kogenerační jednotce transformuje na elektrickou a tepelnou energii. Mechanickou energií poháníme elektrický generátor (dnes takřka výhradně synchronní).
Zbytkové teplo z chlazení motoru a spalin se však dále užitečně využije.

Důležitými parametry kogenerační jednotky je kromě jejího výkonu také poměr mezi vyrobenou elektřinou a teplem. S tím souvisí dnes nejsledovanější účinnosti (elektrická a tepelná) a emise škodlivin. Nejdůležitějším parametrem však je a vždy zůstane spolehlivost provozu. Spolehlivost pak musí podpořit fungující servisem.

Požadavky zákazníků i regulátorů směřují kogeneraci k maximalizaci účinností při minimalizaci emisí škodlivin. Jako obvykle v těchto případech jsou to požadavky protichůdné a kompromis má svou cenu. Cenu vyjádřitelnou vyššími investičními i provozními náklady, proti kterým stojí úspory paliva a menší poškozování životního prostředí.

V oblasti boje proti klimatickým změnám, je spalování zemního plynu příznivější než spalování uhlí, ale samozřejmě to není neutralita. Z pohledu emisí skleníkových plynů jsou na tom podstatně lépe kogenerace spalující obnovitelná paliva. Vysoce záslužné je zejména využívání kalových plynů z čistíren odpadních vod, z bioplynových stanic likvidujících zemědělské nebo komunální odpady nebo skládkových plynů. Představte si skládku bez aktivního odplynění. Jaké množství skleníkového metanu by asi uniklo ke škodě klimatu, kdyby se provozovatelům skládek nevyplatilo plyn jímat a vyrábět z něj elektřinu?

Kam směřuje technologický vývoj kogeneračních jednotek?

Vývoj se logicky odehrává zejména na plynových motorech. V oblasti emisních předpisů pro oxidy dusíku bohužel k zatím velmi nákladným řešením SCR (selektivní katalytická redukce) pro přeplňované motory středních a vyšších výkonů. Tato technologie je nejen investičně, ale i prostorově náročná. Navíc vyžaduje přidávání močoviny potřebné k chemické redukci oxidů dusíku ve spalinách. Toto řešení znáte v malém u dieselových motorů osobních automobilů pod názvem AdBlue. Existuje jednodušší cesta ke snížení emisí oxidů dusíku a tou je použití trojcestného řízeného katalyzátoru. Je to relativně jednoduché řešení, prostorově nenáročné, nevyžadující dodatečnou chemii.
Bohužel je prakticky k dispozici pouze pro stroje menších jednotkových výkonů (cca do 260 kWe).

Co se týče zlepšování elektrické účinnosti, odehrává se v režii výrobců plynových motorů a to v oblasti zlepšování procesu spalování v motorech. Pohříchu jsou dnes motory na velmi vysoké úrovni rozvoje a proto je třeba stále vyšších provozních tlaků, které se mnohdy projevují vysokou citlivostí na změny podmínek. Samozřejmostí se staly sofistikované řídící systémy regulující aktuální parametry na hranici technických možností motoru. Takové stroje bývají choulostivější a je často sporné, zda úspora na účinnosti není zmařena vyššími servisními náklady na udržení technologie v provozu. Moderní plynové motory dnes dosahují podle výkonu elektrické účinností v rozmezí 37 až 43%. Výrobci kogeneračních jednotek mohou při dostizích účinností nalézt při optimalizaci velikosti a typu generátoru zpravidla několik málo desetin procenta na elektrické účinnosti.

Další prioritou je optimalizace výroby tepla. Největší rezerva je ve využívání tepla ze spalin. Stále častěji se navrhuje dvoustupňový spalinový výměník (někdy se používá pojem ekonomizér). Tepelná účinnost na hranici technologických možností kogenerace je dnes kolem 50%. Pravidlem je, že špičkové hodnoty celkových účinností (elektrická + tepelná) dnes dosahují 90% nebo lehce nad. Menší výkony mají nižší elektrickou a vyšší tepelnou účinnost u vyšších výkonů je tomu naopak.

Příklad aplikace s dvoustupňovým spalinovým výměníkem v Chotěbořských strojírnách  – 854 kWe / 946 kWt

Elektrická účinnost 42,8% | Tepelná účinnost 48% | Celková účinnost 90,8%

1.stupeň Spalinový výměník 452 kWt (443 > 120 oC)
2.stupeň Ekonomizér 49 kWt (120 > 82 oC)

Chotěbořské strojírny

Spalování vodíku

Asi největší výzvou pro vývojáře pístových motorů všeho druhu je bezpečné a spolehlivé spalování vodíku. Všichni výrobci na tomto problému usilovně pracují a někteří začínají prezentovat výsledky vývoje na pilotních projektech. Nejsem přesvědčen, že skutečně máme na dosah efektivní řešení spalování čistého vodíku v kogeneračních jednotkách. Je ale velmi pravděpodobné, že bude brzy možné bezpečně a ekonomicky spalovat v pístových motorech směs zemního plynu s vodíkem v pružné koncentraci 0 až 20%. Taková technologie by na půdorysech stávající infrastruktury umožnila výrazně posílit akumulaci přebytků obnovitelné energie do vodíku a její zpětnou konverzi v KJ.

Budoucnost kogenerace

Výroba elektřiny z plynu, a nejlépe kogenerační výroba, je nejvhodnějším doplňkem obnovitelných zdrojů. Je to zdroj ideálně pružný a přitom nezávislý na počasí. Zejména v teplárenství a v průmyslu se jedná o zásadní řešení. Můžete s tím nesouhlasit, ale to je tak vše, co s tím můžete dělat. Jak řekl jeden z ředitelů velké teplárenské společnosti: „My s plynovou kogenerací počítáme, protože nic jiného nemáme.“