Moderné technológie na báze zemného plynu

Neustále rastúca energetická náročnosť v priemyselných odvetviach ako aj rastúce nároky ľudí na kvalitu života vedú k zvyšovaniu dopytu po energii. Energia sa tak stáva nielen drahšou, ale  mnohokrát aj náročný spôsob jej výroby poškodzuje životné prostredie. Jednou z  nákladovo a časovo najefektívnejších možností riešenia týchto závažných problémov je nahradzovanie starých technológií pri výrobe elektrickej energie a tepla za nové, účinnejšie, ekologickejšie a spoľahlivejšie. Pre zvýšenie účinnosti zastaraných technológií je nevyhnutná buď rekonštrukcia existujúceho zdroja, alebo výmena zastaraného energetického celku za nový, pracujúci na princípe racionálneho spaľovania zemného plynu.

Nižšie predstavujeme moderné technológie na báze zemného plynu, ktoré zabezpečia vysokoúčinnú v ekonomicky efektívnu výrobu elektrickej energie, rôznych foriem tepla ako aj chladu, podľa potreby odberateľa.

Základné technológie na báze zemného plynu

Kogenerácia

Hlavný dôvod pre použitie kogeneračných jednotiek (ďalej len „KGJ“), t.j. zariadení pre kombinovanú výrobu tepla a elektrickej energie, je vyššia účinnosť premeny energie (v palive) na inú formu energie, v tomto prípade na tepelnú a elektrickú. Ak je projekt dobre navrhnutý a realizovaný, dochádza pri kombinovanom spôsobe výroby energií k šetreniu primárnej energie (obrázok č. 1), v porovnaní s oddelenou výrobou tepla a elektriny, až o 40%.

V súvislosti s KGJ sa hovorí o technických systémoch – plynové motory, plynové turbíny, parné a plynové turbíny, a to na základe spaľovania zemného plynu (resp. iného fosílneho paliva). KGJ je možné navrhovať ako na potrebu tepla, tak aj elektrickej energie, vždy podľa konkrétnych podmienok. Účinnosť výroby elektrickej energie v KGJ, podľa výkonu, sa pohybuje v rozmedzí (30 – 45)%. Avšak moderné paroplynové cykly, veľkých výkonov, dosahujú účinnosť viac ako 60%.

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 je privedené do spaľovacieho motora, kde dôjde k jeho premene na tepelnú energiu a jej časť, približne (30 až 40)%, sa mení na mechanickú energiu. Generátor (synchrónny, alebo asynchrónny) vygeneruje tak elektrickú energiu, ktorá sa ďalej využije priamo v mieste výroby, alebo sa predá do rozvodnej elektrickej siete. Zvyšná využiteľná časť tepelnej energie (50 až 60%) sa za pomoci sústavy výmenníkov využije na ohrev vody, resp. iného technologicky vhodného média. Tepelný výkon kogeneračnej jednotky je potom súčet tepelných výkonov jednotlivých okruhov (výmenníkov tepla) – výmenník chladenia motora (primárny okruh), spalinový výmenník a kondenzačný nízkoteplotný výmenník tepla (sekundárny okruh) (obrázok č. 2)

Zatiaľ menej rozšírené sú na Slovensku kogenerácie s menším výkonom, tzv. mikrokogenerácie, ktoré môžu byť efektívnym zdrojom v malých prevádzkach, alebo väčších rodinných domoch, resp. v sústave rodinných domov.

Použitím Organického Rankinovho cyklu je možné časť tepelného výkonu následne využiť na dodatočné generovanie elektrickej energie, čím sa elektrická účinnosť kogeneračnej jednotky zvýši až na 55% v neprospech tepelnej účinnosti (žiaduci efekt). Toto sa využije vtedy, ak technológia požaduje viac elektrickej energie ako tepelnej.

KGJ je možné použiť všade tam, kde je celoročná potreba tepla a elektrickej energie. Vhodné sú napríklad nemocnice, ktoré využijú takto vygenerovanú elektrickú a tepelnú energiu na vykurovanie, chladenie, prípravu teplej úžitkovej vody (ďalej len „TÚV“) celoročne. Hotely a sanatóriá sú tiež vhodní kandidáti, kde je možné naviac využiť tepelnú energiu na ohrev vody v bazénoch. A, štandardne, priemysel (chemický, potravinársky, drevársky, kožiarsky a podobne), v ktorom sú celoročné požiadavky na obe energie. Zaujímavé využitie KGJ je v poľnohospodárstve – vykurovanie skleníkov, pričom teplo sa využíva na ohrev a spaliny z jednotky pre zvýšenie koncentrácie CO2 pre fotosyntézu rastlín (čím vyššia teplota, tým rastlina potrebuje viac CO2).

Paroplynový cyklus

V paroplynových cykloch (ďalej len „PPC“) je princíp totožný ako v KGJ. Palivo sa privedie do spaľovacej turbíny, kde sa časť energie premení na mechanickú, ktorá sa využije na generovanie elektrickej energie. Spaliny o vysokej teplote sa privedú do spalinového parného kotla (môže byť s, alebo bez prikurovania), kde sa vyrobí vodná para o požadovaných parametroch, a tá sa následne využije v parnej protitlakej, alebo kondenzačnej turbíne. Mechanická energia z parnej turbíny sa opäť využije na generovanie elektrickej energie. Zvyšná para (teplo) sa využije na vykurovanie, resp. technologické účely (obrázok č. 3).

Tak isto ako plynový motor je možné PPC využiť tam, kde je celoročná potreba tepla a elektrickej energie, avšak väčších výkonov, a kde je spravidla teplo potrebné najmä vo forme pary (technologické dôvody).

Klasickým zástupcom pre inštaláciu PPC sú veľké elektrárne, v ktorých sa štandardne vyrobí elektrina do distribučnej sústavy a teplo sa využíva pre mesto a/alebo priemysel. V priemysle sa PPC využite všade tam, kde je potreba elektrická energie a tepla vo forme pary . Typickým využívateľom PPC je potravinársky priemysel, najmä mliekarne (365 dní v roku spracovanie mlieka),– sterilizácia zeleniny, ovocia alebo výroba piva. Teplo z plynovej turbíny je možné používať priamo vo forme horúcich spalín na ohrev materiálu (keramika, skla, spracovávanie kovov a podobne).

Plynové mikroturbíny na zemný plyn predstavujú ďalšiu možnosť kogeneračnej výroby elektriny a tepla (kogeneračné jednotky). Využiteľné sú najmä v tých prevádzkach, v ktorých je potrebný malý výkon kogeneračnej jednotky (turbíny) a z technologických dôvodov je potrebná dodávka tepla vo forme pary, resp. horúcej vody, čo bežne nie je možné dosiahnuť plynovým motorom. Plynové turbíny sú spravidla jedno hriadeľové zariadenia bez prevodovky, otáčky hriadeľa rotora sú medzi 70 000 a 100 000 ot./min. Princíp práce mikroturbíny je úplne totožný s plynovými turbínami veľkých výkonov. Kompresor nasaje vzduch a stlačí ho na potrebný tlak, stlačený vzduch sa zmieša so zemným plynom v spaľovacej komore, zapáli sa a zmes horúcich plynov ide do expanznej turbíny. Na hriadeli je umiestnený generátor elektrickej energie. Teplota spalín vstupujúcich do spalinového kotla sa pohybuje v rozsahu 270 – 680 °C. Napriek malým rozmerom a výkonu je elektrická účinnosť mikroturbín cca 25% až 30%. Celková účinnosť je na úrovni 85%.

Palivové články

Palivové články sú elektro - chemické systémy, ktoré priamo premieňajú chemickú energiu v palive – zemnom plyne, prostredníctvom oxidačného procesu, na elektrickú. Princíp palivového článku je obdobný ako u bežných batérií, s tým rozdielom, že chemická látka nie je umiestnená medzi elektródami ako v klasickej batérii, ale je dodávaná kontinuálne z vonkajšieho zdroja.
Súčasťou palivového článku je, resp. pred ním je umiestnený reformér, v ktorom sa zo zemného plynu pripravuje vodík. Do palivového článku vstupuje vodík z reforméra a kyslík zo vzduchu. Palivový článok generuje priamo elektrickú energiu a teplo ako výsledok procesu medzi anódou, elektrolytom a katódou. Z palivového článku vystupuje elektrická energie vo forme jednosmerného prúdu, ktorý sa následne v meniči mení na striedavý a ten sa ďalej využíva v elektrickej sieti. Časť vygenerovaného tepla sa použije na prípravu vodíka v reforméri a zvyšná časť sa využije ako „úžitkové teplo“ na ohrev teplej úžitkovej vody, na vykurovanie, na technologické teplo, alebo na prípravu chladu..

Niektoré systémy palivových článkov (podľa použitého elektrolytu) generujú tepelnú energiu o vysokých teplotách nad 400 °C a teda môžu byť využité aj na výrobu pary.

Na rozdiel od iných systémov majú palivové články výhodnejší pomer medzi elektrickým a tepelným výkonom a preto sa ľahšie prispôsobujú požiadavkám väčšiny bežných spotrebiteľov. Účinnosť výroby elektrickej energie moderných palivových článkov sa pohybuje na úrovni cca 60% – 70%, celková účinnosť je potom cca 85%.

Palivové články sú budúcnosťou výroby elektrickej energie a tepla. Už v súčasnej dobe je možné kúpiť kotol s malým palivovým článkom, ktorý vie zabezpečiť základnú potrebu elektrickej energie a samozrejme tepla v plnom rozsahu. Palivové články je možné použiť všade tam, kde potreba elektrickej energie prevyšuje potrebu tepelnej energie, napríklad v priemysle, v elektrodoprave, ako záložné zdroje elektrickej energie a podobne. V súčasnosti je cena palivového článku príliš vysoká, preto v praxi nie je veľmi rozšírený, v budúcnosti sa však predpokladá zníženie ceny na jednotku vyrobenej energie a tým aj zvýšenie jeho využiteľnosti.

Tepelné čerpadlá

Tepelné čerpadlo (ďalej len „TČ“) je sústava zariadení, ktoré slúžia na odobratie tepla zo zdroja tepla (zem, voda, vzduch, odpadové teplo) pri nízkej teplote, a dodaním dodatočnej energie (zemný plyn) ho odovzdá pri vyššej teplote.
Podľa zdroja tepla sa teplonosného média sa TČ delia:
TČ vzduch/vzduch
TČ vzduch/voda
TČ voda/voda
TČ voda/vzduch
TČ soľanka/voda
TČ soľanka/vzduch

Rozdelenie TČ podľa použitia:

Vykurovacie TČ
TČ na úžitkovú vodu
Priemyselné TČ
Odvlhčovacie TČ

Princíp plynového kompresorového TČ (vzduch/voda)1

Vo všeobecnosti je plynové TČ vhodné pre objekty s tepelnou stratou nad 20 kW . TČ je zložené z dvoch výmenníkov tepla (kondenzátor a výparník), v ktorých prebieha prenos tepelnej energie, z kompresora azo  škrtiaceho (expanzného) ventila.
Vzduch (miesto, odkiaľ sa odoberá teplo) odovzdá pracovnej látke vo výparníku časť svojej tepelnej energie. Pracovná látka (výmenník tepla) sa vo výparníku (výmenník tepla) vyparuje a mení svoje skupenstvo z mokrej pary do stavu nasýtenej pary. Aby tento jav nastal, musí byť pracovnej látke dodaná energia vo forme tepla. Kompresor odsáva pracovnú látku z výparníka vo forme nasýtenej pary a stláča ju na potrebný tlak, pri ktorom nasýtená para kondenzuje, čím sa uvoľní teplo. Teplo sa cez steny kondenzátora odovzdá vykurovaciemu systému a na prípravu TÚV.
Ďalej pracovná látka prúdi cez škrtiaci ventil, v ktorom sa tlak zníži z tlaku kondenzačného na tlak výparný a prúdi ďalej do výparníka. Celý proces sa opakuje (obrázok č. 4).
Výhodou plynového TČ je, že využíva viacej zdrojov tepla. Teplo sa nezískava iba zo vzduchu (vody, zeme ...) ale aj z chladiaceho systému plynového motora, ktoré poháňa kompresor, čím sa stáva mimoriadne účinným.

Pri námraze na výparníku je potrebné zabezpečiť jeho odmrazovanie. Dosahuje sa prostredníctvom využitia tepla z tepelného zdroja, preto nie je vôbec potrebné striedanie prevádzkového cyklu tak ako je to pri elektrických TČ. Po odstavení je taktiež dosahované veľmi rýchle zahriatie vykurovacieho média.

V zimnom období má plynové tepelné čerpadlo vysoký tepelný výkon aj pri nízkych vonkajších teplotách vzduchu, jeho účinnosť je trvalá až do teploty – 20°C.

Princíp sorpčného plynového TČ

Vo všeobecnosti je plynové TČ vhodné pre objekty s tepelnou stratou nad 20 kW.
Na kompresiu chladiacej látky je u plynového TČ využitá tepelná energia, ktorá vzniká horením zemného plynu (v časti TČ, ktorá je technický a funkčne totožná s klasickým plynovým kotlom) a nie kompresor, ako je to v prípade elektrického TČ. Ohriatím zmesi vody a chladiacej látky dochádza k odpareniu chladiacej látky a nárastu tlaku v celom okruhu. Na konci okruhu je chladiaca látka opäť pohltená (absorpcia) naspäť do vody a táto zmes sa pomocou pumpy opäť vracia do vypudzovača (obrázok č.5).

Podobne ako pri kompresorovom chladiacom zariadení v kondenzátore pary pracovnej látky skondenzujú a odovzdajú teplo, v škrtiacom ventile dochádza k poklesu tlaku z kondenzačného na výparný. Vo výparníku pracovná látka odoberie časť tepla z chladenej látky a vyparí sa. Pracovná látka prúdi do termokompresora, ktorého princíp je založený na pohlcovaní pracovnej látky inou pracovnou látkou pri nižšom tlaku a teplote a vypudená pri vyššom tlaku a teplote. Vzniknutý rozdiel tlakov zabezpečí, tak isto ako pri kompresore, prúdenie pracovnej látky zariadením.

V zimnom období má plynové tepelné čerpadlo vysoký tepelný výkon aj pri nízkych vonkajších teplotách vzduchu, jeho účinnosť je trvalá až do teploty – 20°C.

Pri námraze na výparníku je potrebné zabezpečiť jeho odmrazovanie. Dosahuje sa prostredníctvom využitia tepla z tepelného zdroja, preto nie je vôbec potrebné striedanie prevádzkového cyklu tak ako je to pri elektrických TČ. Po odstavení je taktiež dosahované veľmi rýchle zahriatie vykurovacieho média.

TČ slúži na prípravu teplej vody, tepla na vykurovanie a technologického tepla. Je potrebné upozorniť, že pri využití TČ na vykurovanie je nutné budovať veľkoplošné „radiátory“. Avšak aj pri vyšších investičných nákladoch je návratnosť dobre navrhnutého TČ do 10 rokov.

Podpora využívania technológií na báze zemného plynu

Spoločnosť SPP – distribúcia, a.s. uplatňuje svoje bohaté skúsenosti z distribúcie a z využívania zemného plynu v rôznych typoch plynových zariadení priamo u koncových zákazníkov. Na základe analýzy charakteru odberových kriviek zemného plynu na odbernom mieste je možné zákazníkovi pomôcť pri hodnotení jestvujúcej technológie, alebo pri navrhovaní novej technológie, a to tak po technickej, ako aj po ekonomickej či ekologickej stránke. Cieľom odborníkov SPP – distribúcia je predovšetkým nájsť možnosti využitia moderných plynových technológií u koncových zákazníkov, predovšetkým v segmente mimo domácnosť, pri zachovaní maximálnej prevádzkovej spoľahlivosti a ekonomickej výhodnosti.

Pre viac informácií môžete kontaktovať spoločnosť SPP – distribúcia, a.s. prostredníctvom mailu klucovyzakaznik@spp-distribucia.sk