Mikroturbína pro kogenerační jednotky

Na XVI. ročníku specializované výstavy na vytápění, úspory energie a využívání obnovitelných zdrojů v malých a středních objektech INFOTHERMA 2009, která se konala 19. – 22. ledna na Výstavišti Černá louka v Ostravě, se poprvé prezentovala mikroturbína. Tento nový a perspektivní pohon kogeneračních jednotek v komunální sféře představili pracovníci VŠB – TU Ostrava, katedry tepelné techniky, na jejichž pracovišti je toto vysoce perspektivní zařízení instalováno. Využívání primárních zdrojů energie a současně převažující trend ve výrobě elektrické a tepelné energie se projevuje vysokou emisní zátěží životního prostředí. Proto je účelné vyrábět elektrickou a tepelnou energii kogeneračně, čímž se ušetří na veškerý vyprodukovaný tepelný a elektrický výkon cca 60 % vstupního paliva a poklesne emisní zátěž ŽP. Vhodně zvolený typ pohonu kogenerační jednotky a typ vstupního paliva pokles emisní zátěže ještě zvýrazní. Proto jsou na místě technologie, které efektivně zpracují fosilní i alternativní paliva. Pro dnešní kogenerační jednotky je volba paliva dána jeho dostupností a jeho vlivy na životní prostředí. Lze použít naftu, benzin, alternativní paliva. Z hlediska šetrného přístupu k životnímu prostředí je vhodný zemní plyn, propan-butan nebo alternativní bioplyn, nejlépe na bázi CH4. V posledních letech se pro kogeneraci jeví velice perspektivně bioplyn, jenž vzniká jako produkt anaerobního rozkladu odpadů. Z ekologického hlediska: jsou využívány odpady, které nemusí být likvidovány s příslušnými ekonomickými náklady a hygienickými dopady na ŽP a je nahrazeno klasické palivo. Moderní po hon y pro kogenerační jednotky K nejstarším pohonům, pracujícím s klasickými palivy, patří parní turbíny. ORC (organický Rankinův cyklus) je systém pohonu pracující s organickými palivy (isopentan, toluen, silikonový olej, v minulosti čpavek apod.). Dalším možným pohonem je plynová turbína, spalovací pístové motory, Stirlingův motor, mikroturbíny a palivové články. Kogenerační jednotky osazené spalovacími motory mají rozmezí výkonů od 10 kWe do 5 MWe. Lze použít i jednotky vyšších výkonů (pomaluběžné vznětové motory s výkonem až 65 MWe). Modul teplárenské výroby se pohybuje zhruba od 0,6 do 1,1. Elektrická účinnost jednotek se zážehovými motory se pohybuje od 28 do 42 %. Pro jednotky se vznětovými motory se udává 30 až 48 %. Celková účinnost závisí na stupni využití tepla (je možno regenerovat 70 až 80 % odváděného tepla) a dosahuje až 81 % (E. Dvorský, P. Hejtmánková). Teplo lze dodávat v podobě horké vody, páry s nízkými parametry, nebo je využívat pro chlazení či klimatizaci. Tepelnou energii lze odebírat ze čtyř míst: z chlazení oleje, z chlazení motoru, z chlazení kompresoru spalovacího vzduchu a ze spalin ve spalinovém výměníku. Je možné a účelné využívat kaskádové propojení od nejnižších k nejvyšším teplotám. Efekty mikroturbíny Jako nejvhodnější se z hlediska ekologického, konstrukčního, ale i požadovaného výkonu pro pohon kogenerační jednotky jeví využití mikroturbíny. Mechanický princip práce mikroturbín je stejný jako u spalovacích turbín. Rozdíl netkví jen ve velikosti elektrických a tepelných výkonů (mikroturbíny dosahují 350 kWe, spalovací turbíny až 250 MWe), ale především v konstrukci a možnosti nasazení v kogeneračních jednotkách. Soustrojí mikroturbíny má jediný pohyblivý díl. Odpadá převodovka mezi hřídelí turbíny a elektrickým generátorem, protože rotory rychloběžných generátorů snáší i vysoké otáčky (až 100 000.min-1) oproti 20 000. min-1, které snáší pomaluběžné generátory spalovacích turbin. Na jedné hřídeli je kompresor spalovacího vzduchu, vlastní mikroturbína a elektrický generátor. Soustrojí má vzduchová ložiska snášející až 120 000 ot. min-1, čímž odpadá mazání a olejové hospodářství. Zařízení mikroturbíny je prakticky bezúdržbové: po cca 4000 provozních hodinách je třeba vyčistit vzduchové filtry. Doba do generální opravy je minimálně 20 000 hodin. U řady realizovaných projektů vychází až na 40 000 hodin a někteří výrobci uvádí až 80 000 hodin. Mikroturbíny představují přímou konkurenci spalovacím motorům s mnoha (leckdy i více než 100) pohyblivými díly. Hlučnost a nároky na údržbu a opravy obou typů pohonů jsou nesrovnatelné. Elektrické výkony používaných jednotek se pohybují od 30 do 350 kWe. Teplota odcházejících spalin osciluje v rozsahu 220 - 230 °C a lze ji zvýšit vypuštěním spalinového výměníku. Výstupní spaliny lze použít pro ohřev užitkové vody, ohřev topné vody, absorpční chlazení, úpravu vzduchu nebo tepelné potřeby technologických procesů. Jmenovitá elektrická účinnost se pohybuje mezi 20 – 30 %, celková účinnost pak 65 – 80 %. V případě vývinu oxidů dusíku v průběhu spalování je nasazení mikroturbíny v kogeneraci vysoce pozitivní: v průběhu spalování jsou dosahovány podstatně nižší spalné teploty a tím podstatně nižší emise NOx – viz tabulka: Ostravská premiéra mikroturbíny Capston e 30 V rámci řešení projektu SPII2f1/27/07 „Minimalizace emisní zátěže kogenerační jednotky výzkumem nových technologických postupů pro využití v komunální sféře“ byla na VŠB – TU Ostrava zakoupena a na katedře tepelné techniky uvedena do laboratorního zkušebního provozu mikroturbína Capstone 30. Jedná se o první zařízení tohoto typu v České republice na akademické půdě a o druhé v pořadí v rámci celé ČR: funkční mikroturbína Capstone 30 zásobuje elektrickou a tepelnou energií sídliště v Českém Brodě. Tato mikroturbína o výkonu 30 kWe a 60 kWt vykazuje emise NOx v množství 9 ppm, což zhruba odpovídá 19 mg.m-3. Capstone 30 (viz obr.) je situován bokem ze strany displeje, nasávání vzduchu použitého ke spalování a odfuku. V levé spodní části je kompresor, kterým je tlakováno palivo na požadovaný tlak pro vstup do mikroturbíny. V horní části je patrný odtah spalin do komína. Mikroturbína může být řízena osobou místně, ale také dálkově. Turbína Capstone je normálně programována na specifické provozní použití pouze jednou, a to během uvádění systému do provozu. Další změny konf igurace jsou výjimečné, kupř. dojde-li ke změně okolního prostředí (elektro, měření a regulace), paliva, anebo pokud se změní celá aplikace systému. Změny konfigurace se dělají na panelu displeje nebo prostřednictvím komunikačního portu, používajícího systém dálkového řízení. Dálkově lze mikroturbínu řídit prostřednictvím počítače PC spojeného s UIP (port uživatelova rozhraní). PC může být připojeno k UIP buď přímo (RS232 D9 modemovým kabelem) nebo přes modem a telefonní linku. Komunikace je pak možná použitím programu dálkového řízení Capstone nebo jiného softwaru, používající otevřený protokol Capstone. Ekonomické i ekologické přednosti V rámci uvedeného projektu jsou v Ostravě řešeny postupy minimalizace emisní zátěže životního prostředí zaváděním biopaliv, které vznikají fermentací, resp. anaerobní digescí již vytvořených odpadů. Pokud je toto „odpadní“ palivo převáděno na požadovaný typ energie (převážně elektrické) v ekologicky vhodném zařízení, je negativní vliv získávání energií minimalizován. Snahou Evropské unie i České republiky je proto zavádění postupně vyššího procenta obnovitelných zdrojů energie do energetického mixu státu. Výhody kogenerace netřeba technické veřejnosti zdůrazňovat. Získání vyššího energetického potenciálu ze vstupního množství paliva přináší jak úsporu paliva, tak nižší vývin emisí na jednotku získané energie. Náhrada klasického pohonu kogenerační jednotky mikroturbínou garantuje další snížení emisní zátěže životního prostředí. Protože je mikroturbína konstruována se vzduchovými ložisky (klasický motor má ložiska olejová), odpadá olejové hospodářství, jehož provoz a likvidace upotřebených olejů je provázena tvorbou emisí. Tím se výsledný pozitivní efekt pro životní prostředí zvyšuje. Exploatace biopaliv v mikroturbíně ušetří klasické palivo a emisní zátěž životního prostředí je zároveň snížena o emise tohoto klasického paliva. Je pouze otázkou budoucnosti, kdy se mikroturbíny stanou běžnou součástí našeho života podobně jako tepelná čerpadla. Tento příspěvek vznikl v rámci řešení projektu a finanční podpory MŽP ev. č. SPII2f1/27/07 „Minimalizace emisní zátěže kogenerační jednotky výzkumem nových technologických postupů pro využití v komunální sféře“. Ing. Adéla Macháčková, Ph.D.