Koncepce ZEVO
Představená je nová koncepce ZEVO, která kromě omezení chloridové koroze a využití kondenzačního tepla parní turbíny nabízí i jednoduché připojení zařízení pro akumulaci elektrické energie s využitím pro poskytování záporných i kladných služeb. Zařízení pro akumulaci energie lze, i dodatečně a po jednoduché úpravě, využít i u klasického teplárenského zdroje s odběrovou parní turbínou, totéž platí i pro využití kondenzačního tepla.
Nová koncepce ZEVO, včetně připojitelného zařízení pro akumulaci, byla navržená v rámci řešení grantového projektu TAČR TK02020060 Výzkum inovativní koncepce parogenerátoru pro kogenerační výrobu elektřiny u ZEVO s vyloučením chloridové koroze přehříváku páry a s možností akumulace elektrické energie, který byl ukončený v polovině roku 2021. Řešitelem byla VŠB TU Ostrava, na projektu spolupracovali INVELT SERVIS, s.r.o., Praha, EGÚ Brno, a.s. a SVÚM, a.s. A jako smluvní řešitelé pak SIEMENS ENERGY, s.r.o., Brno, Sigma Group, a.s., DOOSAN Škoda Power, s.r.o. a SAKO Brno, a.s.
Podrobnější informace o řešení tohoto projektu autoři již publikovali na konferenci Waste to Energy 2021 v Praze a na konferenci Dny teplárenství a energetiky 2021 v Olomouci.
Proč cílem řešeného projektu je omezení chloridové koroze a využití kondenzačního tepla je celkem zřejmé, proč ale zařízení pro akumulaci elektřiny.
Diskuze o smyslu dokumentů EU (Green Deal a Taxonomie) definujících podmínky dosažení bezuhlíkové energetiky je dnes již irelevantní – je to realita, kterou musíme respektovat. Diskuse se dnes již musí zaměřit na to, jak ve stanoveném časovém horizontu tyto záměry komerčně realizovat v podmínkách ČR. Ze zveřejněných dat o zatížení přenosové soustavy v roce 2021 lze dovodit, že průměrný výkon dodávaný z uhlí dosahoval cca 3000 MW, což je tedy výkon, který musíme nahradit. Jestliže nový plánovaný jaderný blok s předpokládaným zahájením zkušebního provozu v roce 2038 bude využitý jako náhrada za dožité bloky, a další nový blok by musel mít stavební povolení do roku 2045, pak v této fázi náhradu za uhlí představuje zemní plyn a fotovoltaika. Plynové zdroje v roce 2035 ale nebudou využívat zemní plyn, nýbrž „zelený plyn“, tedy směs zemního plynu např. s vodíkem nebo syntetickým metanem. Zřejmě nebudou problémy se zajištěním potřebné technologie pro výrobu elektřiny z tohoto plynu, potřebná technologie je komerčně k dispozici již nyní, ať již to budou velké paroplynové bloky nebo systém velkého počtu propojených a společně řízených menších zdrojů s plynovými motory. Problém je v zajištění dostatku „čistých, zelených plynů“ pro vytváření směsi se zemním plynem v té době. Jestliže v roce 2035 musí být zajištěná produkce takového plynu v potřebném množství, pak již dnes bychom měli mít představu o komerčně dostupné výrobní technologii, např. pro vodík, kterou v ČR budeme využívat. Nehledě na to, že investor, a bude to soukromý investor, by měl mít informace nejen o technologii pro výrobu takového plynu, ale i o jeho vyráběném množství. Samozřejmě, pokud k jeho výrobě, např. vodíku, budeme využívat elektřinu, pak dodávané množství bezuhlíkové elektřiny, např. z fotovoltaiky, nebude nahrazovat elektřinu „jen“ z uhelných bloků, ale musí se o tuto spotřebu zvýšit.
Podmínkou zachování energetické samostatnosti ČR při přechodu na bezuhlíkovou energetiku je tedy, v současném přechodovém období, zvýšená výroba elektřiny ze zemního plynu, při současném masivním rozvoji fotovoltaiky, protože jiné OZE s relevantním výkonem nemáme k dispozici. Při plánování rozvoje fotovoltaiky se však musí respektovat i stále rostoucí spotřeba elektřiny. Ať je to již v souvislosti s uspokojováním zvyšujícího se komfortu konečných spotřebitelů nebo v souvislosti s rozvojem tzv. zelených technologií, jako je např. očekávané masivní nasazení tepelných čerpadel, kdy cca do 30% energie se bude realizovat využitím elektřiny. Nebo již výše zmíněnou spotřebou elektřiny, např. pro výrobu vodíku. Jestliže průměrné využití fotovoltaických elektráren v roce 2021 v ČR se pohybovalo kolem 12 %, když maximální využití v jedné z lokalit bylo cca 14 %, pak lze pro očekávaný přenášený výkon v elektrizační soustavě stanovit i velikost potřebného instalovaného výkonu pro fotovoltaiku, ten bude ovšem cca 7krát větší.
Jenomže zatímco jaderné i klasické bloky zajišťují výrobu elektřiny i požadovaný regulační výkon, tak fotovoltaické zdroje jsou jen výrobcem elektřiny. Rozvoj fotovoltaiky tedy není možný bez současného rozvoje technologií pro akumulaci elektřiny. Požadavky na akumulaci pro zajištění výkonové rovnováhy v přenosové či distribuční soustavě zřejmě nezajistí jen další rozvoj bateriových úložišť a ani očekávaný rozvoj využívání tzv. solárního cloudu u koncových uživatelů (fotovoltaika plus bateriové úložiště). No a jaké další, komerčně dostupné, technologie pro akumulaci elektřiny v této souvislosti budeme v ČR v příštích 15 letech, kromě elektrodových kotlů a akumulace tepla v sítích CZT, využívat?
NOVÁ KONCEPCE ZEVO
Zjednodušeně je znázorněná na obr. 1. Odpady se spalují v dvoutlakovém horkovodním kotli, pára z horké vody se generuje v expanzním generátoru páry, jehož součástí jsou tři expandéry horké vody a tři přehříváky páry, elektřina se vyrábí na turbogenerátoru s tříhřídelovou turbínou a s hybridním kondenzátorem s vyvedením tepla do systému CZT. [1], [2], [3].
Vodu do kotle dodává dvoutlaková napáječka Sigma. Membránové stěny celého kotle jsou vyznačené modře a zapojené jsou jako nízkotlaký ohřívák vody (16,2bara), jeho výstupní část je provedená jako odpařovací, vystupuje horká voda s teplotou nižší než teplota varu nebo parovodní směs s obsahem páry až do 20 %. Voda z nízkotlakého bubnu NTB vstupuje do vysokotlakého dílu napáječky a po zvýšení tlaku na 130bara je připojená k červeně vyznačenému vysokotlakému odpařovacímu ohříváku vody, obsah páry ve výstupní směsi je cca 5 % až 20 %.
Horká voda z vysokotlakého bubnu VTB se přivádí do expanzního parogenerátoru, kde v prvním expandéru 1 expanduje na vstupní tlak parní turbíny, např. 30bara. Z menší části přivedené vody expanzí vzniklá sytá pára se v přehříváku Př1 přehřeje na pracovní teplotu a přivede se do 1. dílu parní turbíny. Pro přehřátí páry se použije vysokotlaká sytá pára z vysokotlakého bubnu VTB, pára v přehříváku Př1 zkondenzuje a kondenzát se vrátí zpět do vysokotlakého bubnu VTB.
Z větší části přivedené horké vznikne v expandéru 1 voda o saturační teplotě, která se přivede do expandéru 2, jehož parní výstup je připojený mezi výstupem z 1. dílu turbíny a vstupem do 2.dílu parní turbíny. Po expanzi přivedené horké vody na tlak cca 16,2bara se vzniklá pára přes přehřívák 2 přivede do 2. dílu parní turbíny a horká voda expanduje dále v expandéru 3 na tlak před posledním 3. dílem parní turbíny. V expandéru 3 vzniklá voda o saturační teplotě se využije pro dodávku tepla do systému CZT.
Jedno z možných provedení dvoutlakového horkovodního kotle INVELT Servis Praha je vidět na obr. 2. Nově je provedený jen tlakový systém kotle, příprava a doprava odpadů, spalovací zařízení i systém čištění spalin nebyl předmětem vývoje, použije se některé ze známých komerčních provedení. Kotel je samonosný se třemi svislými tahy z membránových stěn, poslední čtvrtý tah je provedený jako nechlazený spalinový kanál. Ve druhém a třetím tahu jsou umístěné deskové plochy ohříváku vody, v posledním tahu jsou umístěné klasické svazkové plochy.
Na korozním diagramu na obr. 3 jsou zakreslené polohy jednotlivých teplosměnných ploch. U nízkotlakého ohříváku vody (vyznačený modře) koroze nehrozí, odpovídá to i zkušenostem z provozu horkovodních kotlů ve spalovnách. Plochy vysokotlakého ohříváku vody (označené červeně) jsou bezpečně v oblasti s očekávanou minimální intenzitou chloridové koroze. Chloridová koroze přehříváku páry je vyloučená, protože kotel nemá spalinový přehřívák páry.
Vysokotlaký a středotlaký díl parní tříhřídelové turbíny Siemens Energo Brno je spolu s převodovkou vidět na obr. 4. Neznázorněný výstupní nízkotlaký díl turbíny je rovněž připojený k převodovce a je navržený jak pro výstupní teplotu 45 °C, při prioritě výroby elektřiny, tak i pro teplotu 85 °C, pro využití kondenzačního tepla při prioritě výroby tepla.
Jedno z provedení hybridního kondenzátoru Doosan Škoda Plzeň je uvedené na obr. 5. Je to jednoduchý válcový kondenzátor s jednou teplosměnnou plochou provedenou jako vlásenkový výměník s trubkami ve tvaru „U“. Připojení kondenzátoru ke vzduchovému chlazení nebo k dodávce tepla do sytému CZT se provede ve vstupní hlavě kondenzátoru.
Z uvedeného je zřejmé, že nová koncepce ZEVO využívá klasická osvědčená energetická zařízení. Kotel INVELT Servis Praha je klasický horkovodní kotel se svislými tahy, těleso kotle je samonosné z membránových stěn. Kotel je vybavený klasickou regulací zajišťující ochranu proti nízkoteplotní korozi, jakož i běžnou regulací teploty výstupních spalin.
Expandéry expanzního parogenerátoru jsou v provedení běžně v energetice používaném, v tomto případě jsou to válcové nádoby s průměrem od 600 mm do 900 mm. Podobně i přehříváky páry jsou klasické kondenzační výměníky tepla s trubkami ve tvaru „U“ nebo výměníky s plovoucí hlavou, průměr vnějšího pláště je 700 mm až 900 mm.
Komerční dodávkou je i tříhřídelová parní turbína Siemens, a stejně tak i hybridní kondenzátor od Doosan Škoda Plzeň, což je vlastně výměníková stanice připojitelná k běžnému vzduchovému chladiči nebo k systému CZT.
V tabulce na obr. 6 jsou pak uvedené některé parametry nové koncepce ZEVO v zapojení pro prioritu dodávky tepla – tedy při využívání kondenzačního tepla.
AKUMULACE ELEKTŘINY
Zařízení pro akumulaci elektřiny integrované v ZEVO lze využít pro zajištění výkonové rovnováhy v přenosové nebo distribuční soustavě, tedy pro poskytování záporných služeb v požadovaném režimu, ale i k využití energie akumulované během poskytovaných záporných služeb pro špičkovou dodávku elektřiny – k poskytování kladných služeb.
Zařízení pro akumulaci a využití akumulované energie je provedené jako samostatný soubor snadno připojitelný a odpojitelný k tlakovému systému ZEVO. Sestává z elekroakumulátoru, horkovodního expandéru a přehříváku páry. Na straně vody je elektroakumulátor připojený k nádrži napájecí vody ZEVO, výstup páry z expandéru je připojený ke vstupu páry do posledního dílu turbíny a výstup vody z expandéru je připojený k dodávce tepla do systému CZT.
Elektroakumulátor je k dispozici ve dvou provedeních. Na obr. 7 je schematicky znázorněný elektroakumulátor jednoprostorový. Je to tlaková nádoba, v popisovaném provedení s objemem pracovní části 50 m3 a s průměrem cca 2600 mm (objem se volí vždy podle očekávané funkce akumulátoru). V její spodní části jsou umístěné dva odporové topné prvky, každý má příkon 5 MW. Konstrukce akumulátoru s odporovými topnými prvky je podobná jako je konstrukce kompenzátorů objemu u našich jaderných elektráren. Navržené provedení umožňuje poskytovat záporné služby s odběrem elektřiny 10 MW po dobu jedné hodiny. Konstrukce umožňuje měnit počet odporových topných prvků, minimální maximální příkon je 5 MW při použití jednoho prvku, přidáváním topných prvků lze maximální příkon postupně zvyšovat na 10 MW, 15 MW a 20MW – čtyři topné prvky považujeme za ekonomicky ještě akceptovatelné.
Akumulátor se naplní vodou, tlak u popisovaného provedení je 40 bara, a voda se při poskytování záporných služeb postupně ohřívá na teplotu odpovídající bodu varu, tedy cca 250°C. Ohřev může být jednorázový, s příkonem 10 MW v trvání jedné hodiny, nebo přerušovaný, s regulovaným příkonem od 500 kW do 10 MW – topný prvek je rozdělený na 10 sekcí, devět sekcí se řídí vypínáním a jedna se řídí plynule tyristorem. Doba najetí na plný příkon 10MW je cca 30 vteřin.
Poskytování záporných služeb u jednoprostorového elektroakumulátoru v základním režimu se musí ukončit po dosažení nastavené teploty, v tomto případě cca 250 °C. V tomto stavu se akumulátor může ponechat až do doby optimálního využití akumulované energie. Ale využívání akumulované energie se může zahájit i okamžitě po ukončení záporných služeb.
Studenou vodou dodávanou z napáječky NČ do spodní části akumulátoru se horká voda z horní části akumulátoru vytlačuje do expandéru, kde expanduje na tlak odpovídající tlaku na vstupu do posledního 3. dílu parní turbíny, v popisovaném provedení je to tlak 8,9 bara. V expandéru se z menší části přivedené horké vody generuje sytá pára, která se v přehříváku páry přehřeje na pracovní teplotu. Jako topné médium je použitá horká voda z akumulátoru. Z větší části přivedené vody do expandéru se získá voda o saturační teplotě, která se využije pro dodávku tepla do systému CZT.
Využívání akumulované energie může probíhat jednorázově, ukončit se musí po poklesu teploty odebírané horké vody. Nebo může probíhat přerušovaně, podle potřeby. Nevýhodou u tohoto provedení akumulátoru je disipace energie na pohybujícím se rozhraní mezi horkou a studenou vodou a velká teplotní diference na povrchu vnějšího pláště v místě pohybujícího se rozhraní.
Pro poskytování záporných služeb popsaný režim není jediná možnost. V případě, že by i po dosažení nastavené teploty 250 °C trval i nadále požadavek na poskytování záporných služeb, tak elektroakumulátor přejde do průtočného režimu. To znamená, že napájecím čerpadlem se bude do spodní části akumulátoru dodávat právě tolik studené vody, aby při okamžitém elektrickém příkonu se tato voda ohřála na 250 °C – samozřejmě, stejné množství horké vody se bude vytlačovat do expandéru, z něhož se energie průběžně musí odebírat. Protože při poskytování záporných služeb je irelevantní vyrábět špičkovou elektřinu z akumulace, uzavře se odběr syté páry z expandéru a v expandéru se teplota vody na výstupu do SCZT upraví přívodem studené vody z vratné větve systému CZT (přívod vody není naznačený).
Kladné služby lze poskytovat ve výši odpovídající zvýšené výrobě elektřiny na posledním dílu turbíny při zvýšeném průtoku páry o páru dodanou z expandéru. Intenzitu odběru energie z elektroakumulátoru lze přizpůsobit požadavku na dodávku kladných služeb.
V zásadě lze pro poskytování kladných služeb využít dva postupy. Je to výše uvedená přímá výroba špičkové elektřiny na posledním dílu turbíny ZEVO z páry uvolněné v expandéru. Dodávaný elektrický výkon turbíny bude při využití celé kapacity akumulátoru v průběhu jedné hodiny vyšší o 830 KW, což u popisovaného ZEVO představuje zvýšení výkonu o 10 %. Současně se přitom dosáhne vyšší dodávka tepla v horké vodě z expandéru, a to o cca 3500kW. O toto teplo bude nižší dodávka tepla z jiných energetických jednotek v teplárně, u nichž se tím dosáhne nižší spotřeby paliva. Při zvýšené intenzitě odběru vody z akumulátoru se dosažený špičkový výkon úměrně zvýší.
Pokud je ZEVO součástí tepelného zdroje, teplárny, s dalšími energetickými jednotkami, z nichž alespoň jedna je zapojená jako kogenerační zdroj s dodávkou tepla z odběru parní turbíny, pak lze pro poskytování kladných služeb použít i alternativní postup, při němž se pro špičkovou dodávku elektřiny využije zvýšená dodávka tepla v horké vodě z expandéru. Úměrně k tomuto teplu bude nižší odběr páry z turbíny a za výše uvedených podmínek bude výroba elektřiny na této jednotce o cca 760 kW vyšší. Celkem se tedy dosáhne zvýšená dodávka elektřiny z akumulace o cca 1500 kW po dobu jedné hodiny.
Složitější provedení víceprostorového elektroakumulátoru je schematicky znázorněné na obr. 8. Tento elektroakumulátor má uvnitř upravený pohyblivý oddělovací prvek, který se pohybuje spolu s rozhraním studené a horké vody, a zabraňuje tak disipaci energie na rozhraní studené a horké vody. Těleso akumulátoru je po výšce opatřené nátrubky pro odběr horké vody, které rozdělují pracovní prostor akumulátoru na několik částí, v uvedeném příkladu na tři části. Pokud je rozhraní studené a horké vody nastavené nad horním odběrem vody, tak se využívá celý pracovní objem akumulátoru. Při rozhraní nastaveném nad spodním odběrovým nátrubkem se využívá minimální pracovní objem akumulátoru. Tuto možnost lze s výhodou využít v případě přerušovaného poskytování záporných služeb při očekávané dlouhé prodlevě mezi aktivací služby, a při zájmu využít akumulovanou energii v jiném, kratším režimu. Výhodou tohoto provedení je i to, že pohyblivý oddělovací prvek eliminuje skokovou změnu teploty stěny pláště akumulátoru v místě pohybujícího se rozhraní mezi studenou a horkou vodou a snižuje tak přídavné cyklické namáhání pláště od rozdílu teplot.
Při využití celého objemu, rozhraní je nad horním nátrubkem, se horká voda vytlačuje studenou vodou přiváděnou do spodní části akumulátoru. V případě, když se využil menší pracovní objem akumulátoru, rozhraní hladin je v úrovni spodního nebo středního nátrubku, se horká voda do separátoru vytlačuje přes spodní dno studenou vodou z napáječky, přiváděnou pod horní dno akumulátoru (potrubí není naznačené).
Použití navržené koncepce elektroakumulátoru není vázané výhradně na ZEVO, ale lze ji použít i v klasickém teplárenském zdroji, pokud má alespoň jednu kogenerační jednotku s odběrovou parní turbínou pro dodávku tepla. Pokud není zájem o přímou výrobu špičkové elektřiny přímo na turbíně zvýšením průtoku páry o páru z expandéru, pak lze zařízení zjednodušit jen na využití akumulované energie pro dodávku tepla. Odběr páry z expandéru se uzavře a teplota vody odebírané z expandéru se upraví přívodem studené vody ze systému CZT (potrubí není naznačené). Dodané teplo z akumulace se využije pro snížení spotřeby paliva u jiných jednotek dodávajících teplo. Nebo se může využít pro výrobu špičkové elektřiny v koncové části odběrové turbíny, a to zvýšením průtoku páry přes koncovou část turbíny při snížení odběru páry pro dodávku tepla.
U konkrétních aplikací nemusí být elektroakumulátor vždy vybavený pro poskytování uvedených flexibilních služeb, rozsah jeho vybavení a zejména způsob řízení se přizpůsobí lokálním požadavkům. Z uvedeného je zřejmé, že navržené zařízení pro akumulaci je sestavené jen z osvědčených, běžně využívaných energetických zařízení.
Doc. Ing. Ladislav Vilimec,
Ing. Jaroslav Konvička, Ph.D.,
VŠB TU Ostrava,
Fakulta strojní, Katedra energetiky
[1] VŠB TU Ostrava. Způsob výroby páry v kogenerační jednotce a zařízení k provádění tohoto způsobu: doc. Ing. Ladislav Vilimec; Ing. Jaroslav Konvička, Ph.D.; doc. Ing. Stanislav Honus, Ph.D. CZ patent 308378, PV 2019-126, 2019-03-04.
[2] VŠB TU Ostrava. Parní kotel pro spalování odpadů: doc. Ing. Ladislav Vilimec; Ing. Jaroslav Konvička; doc. Ing. Stanislav Honus, Ph.D. CZ patent 308268, PV 2019-227, 2019-04-11.
[3] VŠB TU Ostrava. Steam boiler for waste incineration: doc. Ing. Ladislav Vilimec; Ing. Jaroslav Konvička, Ph.D. PCT/CZ2019/050056, 2019-11-28. WO 2020/207515/, 2020-10-15.
