Wave120 - kogenerační ORC jednotka na dřevní štěpku v kontejnerovém provedení

Decentralizovaná mikrokogenerační zařízení jsou považována za novodobou alternativu tradičním energetickým systémům s velikým potenciálem úspor primárních zdrojů energie a mohou potenciálně také snížit koncovou cenu energie pro uživatele. [1], [2] Tato zařízení také poskytují dobrý technologický základ pro ostrovní sítě, jelikož mohou poskytovat elektrickou energii i v odlehlých oblastech bez přístupu k elektrické síti, či pro energetické řešení budov postavené na konceptu Smart grid, ve kterém tyto zdroje figurují jako ústřední zdroj tepla a elektrické energie budovy. [3]

Kogenerace z biomasy ve větších budovách, sídlištích, malých městech a bytových komplexech je etablovanou technologií na světovém trhu. Na druhou stranu pokusů o komercializaci menších zařízení řádu jednotek či nižších desítek kWel bylo pouze několik a až na několik výjimek nebyly úspěšné nebo je provázely značné problémy. V dnešní době je vývoj mikrokogeneračních zařízení zejména na bázi organického Rankinova cyklu (ORC) velmi rychlý, několik společností uvádí jednotky na trh a inovují nové generace ve snaze zlevnit, zvýšit účinnost a hlavně spolehlivost jednotek, s cílem plošně komercializovat tato zařízení. [4]–[8]

ČVUT UCEEB v Buštěhradu poskytuje zázemí pro výzkum a vývoj aplikací na základě ORC používající vlastní technologie. Na základě více než deseti let aplikovaného výzkumu a vývoje v této oblasti spatřila v roce 2020 světlo světa technologie Wave120 – prototyp plně automatizované kogenerační ORC jednotky na dřevní štěpku v kontejnerovém provedení. Tento článek přiblíží cestu k jejímu vývoji, seznámí čtenáře s parametry jednotky Wave120 a konečně diskutuje ekonomické aspekty investice do takovéhoto zařízení. Veřejnost byla s vývojem předchozích generací a evolucí vedoucí k této jednotce seznámena v několika předchozích odborných publikacích. [8]–[15]

Vývoj jednotky Wave120 na cestě ke komercializaci provázely výzvy spojené například s cenově dostupným řešením expandéru, vyváděním výkonu z jednotky, plněním přísných emisních limitů, bezpečností provozu, řízením jednotek a obecně celkově vyšší pořizovací cenou. Překonání těchto výzev bylo cílem projektu podpořeného z výzvy TAČR Théta.

V tomto meřítku je nasnadě srovnávat trh biomasových μCHP ORC jednotek s biomasovými kotly (mikrokogenerační ORC jednotky bývají někdy označovány za kotle budoucnosti [16]). Trh s těmito jednotkami v tomto porovnání pak dosahuje značných rozměrů a existuje zde velký tržní potenciál. [17]–[19]

Historie projektu Wave

Nápad spustit vlastní vývoj technologie pro decentralizovanou energetiku vznikl na Ústavu energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze v roce 2008. Z úvodních analýz a výzkumu vyplynulo, že pokud se podaří připravit zařízení pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla podobné automatickému kotli na biomasu, má taková technologie reálnou šanci na trhu uspět a je tak efektivní se vývoji v této oblasti věnovat.

Jednotka 1. generace na biomasu o tepleném výkonu 20 kW a elektrickém výkonu 0,5 kW (tzv. Proof-of-Concept jednotka) byla uvedena do provozu v laboratoři Ústavu energetiky Fakulty strojní v roce 2010, zařízení posloužilo zejména k detailnímu studiu konstrukce a provozu organického Rankinova cyklu (ORC), na jehož principu zařízení pracuje dodnes. Následovala stavba několika prototypů zařízení již v rámci ČVUT UCEEB s typickým poznávacím znamením pro všechny následující generace jednotek Wave – vlastní technologie vinutých spalinových výměníků a lamelového expandéru, tepelný oběh s přímým ohřevem pracovní látky, zubové čerpadlo a robustní ohniště pro spalování méně kvalitní dřevní biomasy. Cílem těchto jednotek bylo nabyté zkušenosti zúročit a vyvinout technologický základ pro další aplikace na cestě ke komercializaci. [10]

Za projekt „Mikroelektrárna WAVE pro výrobu elektřiny a tepla z biomasy“ jsme v roce 2015 obdrželi cenu E-ON Energy Globe Award ČR 2015 (tzv. Ekologický Oskar) v kategorii Nápad. Prototyp této generace mikroelektrárny je v laboratoři LORCA UCEEB ČVUT v provozu od března 2016, přičemž 1. 6. 2016 proběhl slavnostní křest za účasti tehdejších místopředsedy vlády ČR Bělobrádka a předsedy představenstva E-ON Czech Holding AG Michaela Fehna.

Tato generace mikroelektrárny Wave50 byla pak na podzim 2018 instalována jako pilotní komerční aplikace v Mikolajicích na Opavsku. Jednotka v kontejnerovém provedení je nyní spolu s fotovoltaickou elektrárnou součástí většího energetického celku, ve kterém kromě pokrývání potřeby tepla obecního úřadu, hasičské zbrojnice a obchodu dodává také elektrickou energii do lokální mikrosítě. Na jednotce proběhlo před kolaudací na podzim 2018 nutné autorizované měření emisí, které potvrdilo splnění emisních limitů na úroveň tzv. Ekodesignu. Jednotka kromě emisních limitů dále splňuje veškeré atesty na tlakovou bezpečnost, revizi elektrických zařízení, hlukové limity, atp. Nyní je pilotní jednotka Wave50 úspěšně v provozu třetí topné sezóny.

Oproti předchozí generaci Wave50 s nominálními hodnotami 50kW tepelných a 2kW elektrických (po odečtení všech vlastních spotřeb kotle) má současná jednotka Wave120 nominálních 120kW tepla a 6,2kW el. po odečtení všech vlastních spotřeb kotle, což je ekvivalent 8,2kW mechanického výkonu na hřídeli. Důvodem k přechodu na vyšší výkonové parametry je významně lepší ekonomická efektivita. Kontejnerové provedení jednotky Wave120 bez hrabicové podlahy je zobrazeno na Obrázku 1 níže.

Díky produkci elektřiny jde o řešení, které generuje finanční úspory a tak investorovi „vrací“. Doba návratnosti závisí na ceně elektřiny a dalších faktorech v lokální instalaci. Při započtení investiční dotace se pohybuje dokonce v jednotkách let. Žádný kotel na trhu tuto vlastnost nemá.

Uplatnění najde Wave například v obcích pro vytápění větších úřadů a kulturních domů, penzionů, hotelů, bytových domů, na farmách apod. Ideální ekonomiky pak dosahuje na pilách a všude tam, kde je k dispozici dostatek levné, i když méně kvalitní biomasy, a investor pro ni hledá maximálně efektivní využití. Technologicky je možné jednotku vybavit pro tzv. ostrovní provoz, tedy dodávky elektřiny bez nutnosti připojení na elektrizační soustavu. Toto bude zajímavé pro zákazníky především v horských a jinak odlehlých oblastech.

Prototyp Wave120 je v provozu na ČVUT UCEEB od přelomu roku 2019/2020; první komerční jednotka měla být v provozu letos. Celková situace v ekonomice a omezení dotací realizaci posunula nejméně o rok na r. 2021. Příprava dalších aplikačních projektů je v plném proudu.

Technický popis současné generace Wave120

Jednotku Wave120 si lze zjednodušeně představit jako automatický biomasový kotel, který zároveň vyrábí teplo i elektřinu. Zatímco běžný kotel pro svůj provoz elektřinu spotřebovává, Wave si svou spotřebu elektřiny pokryje a přebytečnou elektřinu dodává do objektu, do bateriového úložiště nebo je odprodána do distribuční sítě. Výroba elektřiny je řešena prostřednictvím tepelného oběhu, který je obdobný, jako u klasické uhelné elektrárny. Namísto vody je však využito jako pracovní látky oběhu vhodnější organické látky, silikonového oleje hexamethylendisiloxanu (MM), proto je oběh označován za organický Rankinův. Teplo je po průchodu cyklem a dílčí transformaci na elektřinu odvedeno do otopné vody určené pro vytápění budovy či pro jiné technologické využití. Provoz Wave je plně automatický včetně dopravy paliva, diagnostiky a bezpečnostních systémů. Zařízení je možné pomocí mobilní aplikace uvést do provozu a stejně snadno odstavit. Technologické schéma jednotky je znázorněné na Obrázku 2 níže.

Dřevní štěpka je skládána na hrabicovou hydraulickou podlahu, ze které je dopravována šnekovým dopravníkem do násypky umístěné uvnitř kotlové části kontejneru. Odtud je dřevní štěpka dopravována řízeným šnekovým dopravníkem do spalovací komory. Spaliny odcházejí z ohniště do vinutých trubkových výměníků vlastní konstrukce. Zde předávají teplo přímo pracovní látce ORC. Ochlazené spaliny jsou z výměníků odsávány odtahovým ventilátorem do komína. Spalovací komora je vybavena automatickým odpopelněním, a výměníky jsou vybaveny automatickým čištěním proti zanášení teplosměnných ploch tuhými znečišťujícími látkami.

Pracovní látka se ve výměnících vypaří a proudí do patentovaného lamelového expandéru, který roztáčí generátor. Pára z expandéru kondenzuje v kondenzátoru a proudí do zásobníku kondenzátu, odkud je čerpána napájecím čerpadlem zpět do vinutého výměníku. Kondenzátor je chlazený vodou, jejíž výstupní teplota je regulovatelná trojcestným ventilem a zajišťuje poptávku tepla v připojené budově, nebo pro jiné technologické účely.

Provoz Wave je plně automatický včetně dopravy paliva, řízení ORC, diagnostiky a bezpečnostních systémů; zapálení paliva je řešeno elektrickým zapalovačem.

Od 1. 1. 2020 musejí nově na trh a do provozu uvedené kotle na tuhá paliva včetně kogeneračních jednotek plnit emisní a účinnostní limity dle Nařízení Komise 2015/1189 o Ekodesignu. [20] Ověření splnění této povinnosti jednotkou Wave120 proběhlo autorizovaným měřením Strojírenským zkušebním ústavem 28. 10. 2020 na ČVUT UCEEB. Kogenerační jednotka Wave120 všechny limity Ekodesignu splnila a otevřela se jí tak cesta na celoevropský trh. Parametry z provozu mikrokogenerační ORC jednotky Wave120 během měření Ekodesignu jsou shrnuty v Tabulce 1. Naměřené hodnoty emisních koncentrací CO, TZL, NOx a OGC jsou uvedeny v grafu na Obrázku 3.

Ekonomické aspekty investice do kogenerační jednotky Wave

Energie jsou obecně ve firmách i obcích komplexním problémem, ekonomické hodnocení v praxi spíše reflektuje nastavení jeho okrajových podmínek než reálnou smysluplnost prováděných opatření. Rozhodování o investicích totiž ovlivňuje mnoho dalších faktorů, například plán budoucího rozvoje podnikání investora, dostupnost investičních prostředků a jejich zdroje, charakter rozhodovacího činitele (jeho averze k riziku a důvěra v řešení či dodavatele řešení), prostorová či legislativní omezení, atp.

Investor by měl s ohledem na mechanismus plnění svého dlouhodobého cash-flow zvážit otázku, kam tečou peníze. V obecném pohledu lze konstatovat, že u investic s nízkými investičními náklady obvykle odtékají od investora prostřednictvím vysokých provozních nákladů k dodavatelům energií. U optimálních investic s vyššími investičními náklady, tedy obvykle ty do obnovitelných zdrojů energie a kogenerací, pak v provozních nákladech odtéká méně a investice zvyšují hodnotu majetku investora.

Primárně by investiční projekty do moderní energetiky zapadat do logického rámce fungování obce či podniku. V tomto kontextu jsou investice do systémů využívajících biomasu v optimálních případech otázkou dostupnosti biomasy nebo úsilí o využití stávajících zdrojů biomasy. Dobré ekonomické hodnocení s vyčíslením hotovostních toků je pak ukazatelem, jak se realizace investice projeví v té které části rozpočtu. Ideální je pak zpracování cost-benefit analýzy s hodnocením širších vazeb projektu na organismus podniku či obce, aby se při hodnocení finančních toků nezapomnělo na zásadní efekty (např. úspory provozních nákladů mimo energetiku) a byly zohledněny i nefinanční efekty (například marketingově využitelné plnění cílů v oblasti ochrany životního prostředí, atp.).

Základní cena zařízení Wave je 1,9 mil. Kč, což je poněkud více, než u kotle na biomasu. Rozdíl vyplývá z toho, že Wave obsahuje tzv. technologickou část, která je zodpovědná za výrobu elektřiny a z toho plynoucí finanční úspory. Provoz kotle a Wave parametricky s dobou využití instalovaného výkonu ukazuje tabulka. Z tabulky je zřejmé, že s rostoucí dobou využití instalovaného výkonu, tedy v situacích provozu co nejvíce v tzv. základním zatížení, je možné hodnotit návratnost nákladů Wave jako celého zařízení. Zatímco kotel na biomasu není v tomto kontextu možné považovat za investici, protože vynaložení prostředků na pořízení nevede k finančním příjmům, výroba elektřiny ve Wave vede k finančním úsporám, které jsou dostatečné k tomu, že se zařízení v době životnosti vrátí.

Cena zařízení Wave, tak jako i kotle, velmi závisí na finálním požadovaném řešení. Wave v kontejnerovém provedení je k dispozici za 2,5 mil. Kč, řešení plně vystrojené pro provoz bez distribuční soustavy bude stát přes 3 mil. Kč bez DPH.

Při předpokladu stejné spotřeby paliva a výroby tepla Wave vyprodukuje na každých 120 kWh tepla 6 kWh elektřiny, zatímco kotel 1 kWh elektřiny spotřebovává.

Objevují se však i investoři uvažující zcela jiným způsobem. Investor například zvažuje variantu kogenerace na biomasu oproti referenčnímu scénáři, kterým je kotel na biomasu. Investice bude vyšší například o 1,5 mil. Kč, rozdíl v ročních provozních nákladech bude např. 165 tis. Kč ve prospěch varianty s kogenerací díky výrobě elektřiny. Investor předpokládá životnost obou variant 20 let a uvažuje tak, že vynaložení extra nákladů z vlastních prostředků mu generuje provozní úspory, které vnímá jako výnosy. Výnosy jsou pak z jeho pohledu „zhodnocením peněz“ na úrovni 165/1500 = 11 %. Tuto hodnotu následně porovná s jinými jemu dostupnými variantami využití kapitálu na stejnou dobu a dospívá k názoru, že investicí dojde k navýšení vlastních jím přímo kontrolovatelných a ovlivnitelných aktiv a minimalizuje se riziko ztráty v jiných investičních příležitostech (akciové, finanční a jiné trhy). Takový investor si tedy vybere variantu s kogenerací na biomasu.

Nebo je možné aplikovat skutečně zjednodušené hodnocení, kdy aplikace Wave120 přináší oproti kotli na biomasu výše uvedenou roční úsporu 165 tis. Kč. Za 20 let doby hodnocení, která cca odpovídá reálné životnosti biomasových kotlových technologií, než jsou v praxi skutečně vyměňovány, jde o 20 x 165 tis. Kč = 3,3 mil. Kč, což je cena Wave120. Jinými slovy, jednotka Wave120 za dobu živostnosti vygeneruje na elektřině tolik úspor, že se celý zaplatí.

Na řešení jsou k dispozici až 50% dotace s potenciální dobou realizace projektů i v roce 2022. Další finanční nástroje pro podporu instalace tohoto typu řešení se předpokládají v roce 2021. Kůrovcová kalamita navíc vede k značnému přebytku dřevní biomasy a k nízkým cenám, dostupnost paliva tak lze ve střednědobém horizontu předpokládat.

Závěr

Na ČVUT v Praze byl vyvinut prototyp plně automatizované kogenerační jednotky na dřevní štěpku Wave120 o tepelném výkonu 120 kW a 6,2 kWel,netto v rámci projektu TAČR Théta. Technologie obdržela certifikaci Ekodesign, díky čemuž je připravena ke vstupu na evropské trhy. Uplatnění pak najde takovýto zdroj všude tam, kde je stálá či dlouhodobá poptávka po teple a zároveň snadno a lokálně dostupná dřevní štěpka, tedy například v dřevozpracovatelském průmyslu, v penzionech, hotelích, bytových domech, na farmách, ale i v městských a obecních budovních komplexech.

Poděkování
Tento článek vznikl za podpory Technologické agentury ČR v rámci programu THÉTA z projektu TK01020061 - Kogenerační ORC jednotka o tepelném výkonu 120 kW na dřevní štěpku v kontejnerovém provedení ve spolupráci ČVUT UCEEB s Ing. Miroslavem Šamatou a BHC Jílové s.r.o.

Bc. Jan Špale, ČVUT UCEEB
Autor pracuje jako vědecko-výzkumný pracovník v Laboratoři organických Rankinových cyklů a jejich aplikací (LORCA) v Univerzitním centru energeticky efektivních budov (UCEEB) ČVUT v Praze. Kromě vývoje decentralizovaných energetických zdrojů a jejich strojních komponent se autor věnuje řízením a plánováním výzkumných projektů a v rámci své disertační práce vývoji mikro turboexpandérů pro systémy pracující s organickým Rankinovým cyklem.

Reference
[1] M. Dentice d’Accadia, M. Sasso, S. Sibilio, and L. Vanoli, “Micro-combined heat and power in residential and light commercial applications,” Appl. Therm. Eng., vol. 23, no. 10, pp. 1247–1259, 2003.
[2] K. Alanne and A. Saari, “Sustainable smallscale CHP technologies for buildings: The basis for multi-perspective decision-making,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 8, no. 5, pp. 401–431, 2004.
[3] K. Bernotat and T. Sandberg, “Biomass fired small-scale CHP in Sweden and the Baltic States: A case study on the potential of clustered dwellings,” Biomass and Bioenergy, vol. 27, no. 6, pp. 521–530, 2004.
[4] R. Bracco, D. Micheli, R. Petrella, M. Reini, R. Taccani, and G. Toniato, “Micro-Organic Rankine Cycle systems for domestic cogeneration,” in Organic Rankine Cycle (ORC) Power Systems, Elsevier, 2017, pp. 637–668.
[5] K. Rahbar, S. Mahmoud, R. K. Al-Dadah, N. Moazami, and S. A. Mirhadizadeh, “Review of organic Rankine cycle for smallscale applications,” Energy Convers. Manag., vol. 134, pp. 135–155, 2017.
[6] P. Colonna et al., “Organic Rankine Cycle Power Systems: From the Concept to Current Technology, Applications, and an Outlook to the Future,” J. Eng. Gas Turbines Power, vol. 137, no. 10, pp. 100801–100819, Oct. 2015.
[7] J. S. Pereira, J. B. Ribeiro, R. Mendes, G. C. Vaz, and J. C. André, “ORC based micro-cogeneration systems for residential application - A state of the art review and current challenges,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 92, no. April, pp. 728–743, 2018.
[8] J. Mascuch, V. Novotny, V. Vodicka, J. Spale, and Z. Zeleny, “Experimental development of a kilowatt-scale biomass fired micro – CHP unit based on ORC with rotary vane expander,” Renew. Energy, 2018.
[9] J. Mascuch, “Organic Rankine Cycle for Decentralized Micro-CHP,” CTU in Prague, 2014.
[10] J. Mascuch, V. Novotny, V. Vodicka, and Z. Zeleny, “Towards development of 1-10 kW pilot ORC units operating with hexamethyldisiloxane and using rotary vane expander,” Energy Procedia, vol. 129, pp. 826–833, 2017.
[11] V. Vodicka, Z. Zeleny, and J. Maščuch, “WAVE - provoz a testování malého kogeneračního zařízení na biomasu,” TZB-info, 2017.
[12] V. Vodicka, V. Novotny, J. Mascuch, and M. Kolovratnik, “Impact of major leakages on characteristics of a rotary vane expander for ORC,” Energy Procedia, vol. 129, pp. 387–394, 2017.
[13] Z. Zeleny, V. Vodicka, V. Novotny, and J. Mascuch, “Gear pump for low power output ORC – an efficiency analysis,” Energy Procedia, vol. 129, pp. 1002–1009, 2017.
[14] V. Vodicka, Z. Zeleny, and J. Mascuch, “Wave – vývoj a experimentální provoz malého kogeneračního zařízení na biomasu,” TZBinfo, 2018.
[15] J. Mascuch, V. Novotny, J. Spale, V. Vodicka, and Z. Zeleny, “Experience from set-up and pilot operation of an in-house developed biomass-fired ORC microcogeneration unit,” Renew. Energy, vol. 165, pp. 251–260, Mar. 2021.
[16] A. Miraton, “Performance and Product Quality Certification for micro-Combined Heat and Power Units,” REHVA J., vol. 55, no. 1, p. 100, 2018.
[17] M. M. Maghanki, B. Ghobadian, G. Najafi, and R. J. Galogah, “Micro combined heat and power (MCHP) technologies and applications,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 28, pp. 510–524, Dec. 2013.
[18] K. ALANNE, “Sustainable small-scale CHP technologies for buildings: the basis for multi-perspective decision-making,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 8, no. 5, pp. 401–431, Oct. 2004.
[19] V. Kuhn, J. Klemeš, and I. Bulatov, “MicroCHP: Overview of selected technologies, products and field test results,” Appl. Therm. Eng., vol. 28, no. 16, pp. 2039–2048, Nov. 2008.
[20]Evropská komise, “NAŘÍZENÍ KOMISE (EU) 2015/1189,” Úřední věstník Evr. unie, no. 6, pp. 100–114, 2015.