Efektivní využití biomasy pro kogenerační výrobu energie: obnovitelné zdroje energie děláme dost, anebo málo?

Diskuse na toto téma probíhá už mnoho let a dá se přirovnat k houpačce. Většinou před volbami (samozřejmě nejenom u nás), anebo pokud nastane nějaká přírodní, či technická katastrofa (výpadek proudu). Slunce, vítr, biomasa, voda a další zdroje jsou probírány ze všech možných hledisek a úhlu pohledu. Co se však děje až se najde jiné téma? Pokud se podíváme na výsledek, tj. na skutečný přírůstek provozovaných energetických kapacit využívajících obnovitelné zdroje, pak toho u nás až dosud mnoho nenajdeme. Nemá smysl pouštět se znovu do srovnávání jednotlivých druhů obnovitelných zdrojů. Každý z nich má svá pozitiva. Je však faktem, že významnější přínos do výroby energie může za současné úrovně technicky využitelného poznání přinést jen spalování biomasy. I tento zdroj však má svá významná omezení - plochy vhodné k pěstování, doprava, skladování apod. Energeticky využitelná biomasa není jen dřevo, sláma a rychle rostoucí rostliny. Zajímavým zdrojem energie je také odpad z výroby potravin, bioetanolu apod. Z hlediska dostupnosti zdrojů je v podmínkách ČR reálné vybudovat energetické zdroje využívající biomasu řádově v desítkách, příp. několika stovkách MWe. Je ovšem nutné opustit nehospodárnou praxi směsného spalování biomasy v kondenzačních elektrárnách a zcela jednoznačně preferovat využití biomasy pro kogenerační výrobu energie. Zkušenosti ukazují, že právě pro kogeneraci je spalování biomasy velmi efektivní a vynaložené investice mají zajímavou návratnost. Týká se to zejména těch průmyslových podniků, jež některý z druhů biomasy produkují a zároveň pro svou výrobu potřebují technologickou páru. Z hlediska velikosti takových zdrojů je pak možno za optimální považovat jednotky o výkonu 5 - 20 MWe. Parní turbogenerátory těchto výkonů jsou na trhu běžně dostupné. První brněnská strojírna Brno (PBS) vyvinula za podpory MPO vlastní technologie kotlů schopných efektivně spalovat různé druhy biomasy a již je také dodala na náročný německý trh. Podařilo se jí získat dlouhodobé provozní zkušenosti, které jsou průběžně použity v dalších připravovaných projektech. Díky dotacím, které jsou projektům v SRN poskytovány z vládních zdrojů, se realizace jinak finančně náročných projektů stává pro investory přitažlivější a následně je touto cestou dosahován hlavní cíl, a tím je snížení spotřeby klasických paliv (především zemního plynu a uhlí) se všemi pozitivními dopady na životní prostředí. V SRN bylo v posledních 5 - 10 letech postaveno a uvedeno do provozu více než 20 kogeneračních tepláren o jednotkovém výkonu 10 - 20 MWe. V ČR se podpora státu zaměřila na vyšší výkupní ceny vyrobeného elektrického proudu. Je však otázkou, zda je tato podpora dostatečná, když dosud žádný významný nárůst kapacit nepřinesla. Vyžití biomasy pro výrobu energie je v každém případě technicky náročnější záležitost než použití plynu, topného oleje, nebo uhlí. Skladování, manipulace s palivem a jeho doprava až do kotle je samostatnou technickou otázkou, kterou je třeba řešit podle konkrétních podmínek každého projektu zcela individuálně. Do kotle se musí dopravit značné objemy paliva, což s ohledem na jeho měrnou váhu a další parametry (vlhkost) mnohdy zcela vylučuje použití klasických zařízení, jako jsou pásová doprava, dopravní šneky apod. Vlastní spalovací proces pak musí zajistit nejen dokonalé spálení z hledisky maximálního využití energie paliva, ale také zbavení příslušných škodlivin z odchozích spalin. Zcela specifickou otázkou je problematika nánosů, které při nesprávně nastaveném spalovacím procesu mohou v kotli vzniknout a způsobit zásadní provozní problémy. Řešení zazdívky kotle, příp. jiného způsobu ochrany teplosměnných ploch je z tohoto pohledu klíčovou záležitostí. Obdobně jako doprava paliva do kotle vyžaduje zvláštní pozornost i manipulace se vzniklým odpadem (škvára, popílek). Technologie celého procesu spalování biomasy, tj. od dovozu paliva do teplárny až po komín, je technicky zcela zvládnuta, a to jak z pohledu účinnosti, tak všech přísných limitů ochrany životního prostředí. V letech 2002 až 2005 PBS dodala pro německá města Wicker a Pforzheim dvě kompletní kotelny pro spalování biomasy, které jsou dnes v běžném komerčním provozu a vykazují vysokou spolehlivost. Každá z nich je vybavena kotlem o výkonu 55 t/h a vyrobená pára je použita pro výrobu elektrické energie a následné vytápění města. Výkon každého z parních turbogenerátorů je cca 15 MWe. PBS je tak prakticky jedinou českou firmou, která srovnatelný kotel vyprojektovala, dodala a uvedla do provozu. Zadávací podmínky a technické řešení kotlů v SRN byly následující: POUŽITÉ PALIVO Spalování kontaminované biomasy, jako je lakované nebo penetrované dřevo, stavební dřevěný odpad, dřevotříska apod. Palivo v menším procentuálním poměru obsahovalo také plasty, hlínu, kamení a jiné nespecifikované příměsi. Výhřevnost paliv se pohybovala v rozmezí 12 - 17 MJ/kg při obsahu vody 10 až 30%. Pro spalování takto široké škály paliv byl použit pásový rošt s pohazováním paliva pomocí vzduchu. Při pohazování dochází k předsušení a vyhoření větší části paliva (cca 70 %) ve vznosu nad roštem. Větší částice dohořívají na roštu. OCHRANA TLAKOVÝCH ČÁSTÍ KOTLE PROTI VYSOKOTEPLOTNÍ KOROZI Na základě definovaného obsahu chloru, síry a některých dalších prvků by docházelo k vysokoteplotní korozi. Čelí se tomu konkrétním konstrukčním řešením spalovací komory, výparníku a přehříváků a nastavením správných teplotních poměrů. Nedojde ani ke zkrácení životnosti teplosměnných ploch. OPATŘENÍ PROTI TVORBĚ DIOXINŮ Při spalování kontaminovaného dřeva dochází ke tvorbě dioxinů. Aby se tomu zamezilo je nutné zaručit setrvání spalin v teplotách nad 850 0C po dobu minimálně 2 s. při všech provozních stavech. S ohledem na tuto podmínku byly navrženy rozměry spalovací komory a teplotní charakteristika vyzdívky. Kotel je vybaven stabilizačními hořáky pro najetí, které také zabrání poklesu teploty pod 850 0C při spalování dřeva. MAXIMÁLNÍ ÚČINNOST KOTLE A CELÉHO BLOKU Parametry páry z kotle byly na základě řady analýz stanoveny na tlak 70 bar, teplotu 450 0C. Vyšší hodnoty jsou s ohledem na nebezpečí chlorové koroze nevhodné. Účinnost (přes 92 %) byla dosažena díky nízké odchozí teplotě spalin (140 0C) a minimálnímu přebytku vzduchu (3% O2 ve spalinách). 8000 PROVOZNÍCH HODIN ZA ROK Kotel je navržen tak, aby delší inspekce a údržba kotle byla prováděna 2krát ročně, vždy po 4000 hodinách chodu. Všechny dodatkové plochy jsou vybaveny účinnými parními ofukovači a podmínky přestupu tepla jsou prakticky neměnné po celou dobu chodu. K žádnému dalšímu zanášení kotle, které by vyžadovalo přerušení provozu, nedochází. MINIMÁLNÍ STRUSKOVÁNÍ KOTLE Zabránit nadměrnému struskování (zejména při spalování paliva s vyšší výhřevností) je možné pomocí řízení teploty spalování recirkulací spalin. Pro dosažení dostatečně nízké teploty stěn byla instalována vyzdívka ze SiC desek, která má vysokou vodivost a dobré mechanické a tepelné vlastnosti. EMISNÍ LIMITY: CO POD 50 MG/NM3, NOX POD 200 MG/NM3 Díky dokonale řízenému spalování instalovaného kotle dosahují nízkých emisních limitů, které požadují regionální úřady životního prostředí. Emise NOx jsou sníženy vstřikováním močoviny do prostoru na konci spalovací komory. BEZOBSLUŽNÝ PROVOZ Kotle byly vybaveny řídicím systémem a přístroji pro bezobslužný provoz. Tato výbava slouží pro zvýšení bezpečnosti provozu. Vlastní provoz kotlů je s běžnou obsluhou. Náročným zkušebním provozem a ověřovacím měřením kotlů, které provedly nezávislé instituce, se prokázalo splnění všech zadávacích podmínek a garantovaných hodnot. Stejně tak byla potvrzena provozní spolehlivost a bezporuchovost kotlů a jejich příslušenství. V rámci projektu Výzkumu a vývoje, za finanční podpory MPO ČR, byla v letech 2004 a 2005 na kotli ve Pforzheimu provedena řada úprav a zlepšení. Tím byla také přímo na provozovaném zařízení ověřena koncepce a konstrukce kotle, který je po technické i cenové stránce vysoce konkurenceschopný a lze jej použít i na českém trhu. ING. VLADIMÍR KOUDELKA GENERÁLNÍ ŘEDITEL PBS - PRVNÍ BRNĚNSKÉ STROJÍRNY