Kogenerace

kogen-4

Mezi techniky poměrně známá technologie, ale pro zahrádkáře to může být něco nového. Ale i pro laickou veřejnost není zcela běžnou a dostupnou technologií. Co to tedy je ta co-generace?

Většina dnešních elektráren je založena na principu spalování fosilního paliva a přeměně tepla na mechanický pohyb a potažmo na elektřinu. Při tomto procesu se nevyužije všechno teplo, ale jen jeho část. Běžně je to někde kolem 40-45 procent, ale řada elektráren má účinnost ještě menší, např. jaderné elektrárny jen něco kolem 30%. 70% energie je ztrátové teplo. Myšlenka využití tepla při výrobě elektřiny je realizována v tzv. elektrárnách v teplárenském provozu. Takový provoz produkuje převážně teplo a jako vedlejší produkt vyrábí elektřinu. Energie paliva je tak využita prakticky beze zbytku. Velmi pokročilou technologií je tzv. paroplynový cyklus, kde se v prvním stupni spaluje plyn ve spalovací turbíně a ta pohání elektrický generátor a následně je zbytkové teplo použito pro výrobu páry a ta následně pohání parní turbínu. Energie páry je stále dostatečná na to, aby ohřála vodu na vytápění bytů a nebo ohřev teplé užitkové vody.

V menším měřítku lze kogenerační jednotku sestrojit poměrně jednoduše s využitím téměř každého spalovacího motoru. Stačí chladicí vodu z motoru využít pro topení a pokud se ještě dochladí spaliny, získáme obrovské množství tepla, které by se jinak bez užitku vyvětralo do atmosféry. To se běžně děje v dnešním automobilech. Motor pohání vozidlo vpřed a odpadní teplo je odvětráno do okolí a to včetně horkých spalin. Navíc brzdná energie je přeměněna v motoru opět v teplo – brzdění motorem a nebo v brzdách bubnových či kotoučových opět na teplo. Při sečtení veškerého takto změřeného tepla z paliva zjistíme, že vyhazujeme více než 80% energie a v určitých případech se může jednat až o 85% energie. Tedy pouze 15% se využije pro pohyb. Podobně je to s běžným i elektrocentrálami. I ty jsou chlazeny vzduchem a nebo vodním chladičem s ventilátorem a v nejlepším případě tyto centrály využijí cca 1/3 energie paliva.

Lze si vyrobit kogenerační jednotku doma? Ano lze, ale není to jednoduché a nezvládne to každý. Jednodušší je kogenerační jednotku koupit již hotovou. Problém dnešních jednotek je ten, že mají poměrně velký výkon a je třeba je napojit na elektrickou síť, aby bylo možné vyrobenou elektřinu kam dávat. Malý objekt zpravidla nemá takovou spotřebu, aby okamžitá výroba elektřiny byla využita. S teplem je to jednodušší, neboť to lze snadno akumulovat ve vodním zásobníku. Na obrázku výše je kogenerační jednotka domácí konstrukce, kterou jsme nazvali MT-22 – malá teplárna 22 kW. Tuto jednotky jsme tvořili s mým tátou někdy od roku 1995 nebo 96 a uvedena do provozu byla vy roce 1998. Tepelný výkon hravě postačoval pro vytápění rodinného domu a to i při pouhém chodu 5 – 6 hodin denně. Elektrárna fungovala jako špičková, tedy vyráběla elektřinu v době zvýšené poptávky (ráno a večer) a teplo se akumulovalo do nádrže o velikosti 5 m3.

Jednotku tvořil asynchronní generátor poháněný spalovacím motorem Škoda Favorit 136L přes gumovou spojku periflex. Nominální otáčky motoru byly 3070 ot.min-1 a jednotka se startovala v motorickém režimu přímo přes generátor a přepínač Y/D. Vše bylo řízeno jednoduchou automatikou řízení a ochran. Jednotka pracovala na standardní zemní plyn a v běžném režimu dokázala z 1m3 plynu vyrobila cca 2,6 kWh elektřiny a zhruba 5,2 kWh tepla. Celkem tedy 7,8 kW energie. Při výhřevnosti plynu cca 9,5 kWh/m3 toto představuje účinnost 82 – 85%. Je to tedy přesný opak účinnosti automobilu, kde je toto množství energie vyplýtváno v podobě tepla. Zde se ztrácí jen asi 15% energie a pokud je jednotka umístěna v domě, tak tato energie je prakticky využita pro vytápění sklepa, kotelny – jedná se o teplo z generátoru, teplo z motoru, které není odvedeno do otopné soustavy.

Příběh kogenerační jednotky MT-22

Vzpomínka na počest jejího tvůrce Josefa Baxanta (* 1948 – † 2003), k dvaceti letům výročí jeho odchodu z tohoto světa.

Přesně si nevzpomenu, kdy ten příběh začal, neboť foťák jsme tehdy neměli a poznámky jsem si já nedělal. Ale mohlo to být v roce 1995 nebo 6, kdy jsme na vjezdu před garáží začali svařovat první kus plánované kogenerační jednotky. Byl to spodní rám z jeklů o rozměru cca 2×1 metr. Tak to celé začalo. Postupně se přidávaly další a další díly až to v roce 1998 skončilo slavnostním spuštěním jednotky. Pamatuji si na revizi rozvaděče, kdy se náš kamarád revizní technik sám těšil, až to rozběhneme. Pod jeho dohledem se tak stalo. Jednotka odčasovala správně start, přepnutí Y/D a naběhla do generátorického režimu. Wattmetr ukazoval dodávku a my jsme byli šťastní, že vše jede. Samozřejmě, že bylo nutné řadu věcí ještě vyladit, ale to hlavní se podařilo – po elektrické stránce měla jednotka vše potřebné.

Zkuste v rozvaděči najít hlavní řídící jednotku, frekvenční ochranu, přepěťovou a podpěťovou ochranu, proudový chránič, hlavní stykač, tepelnou ochranu, napájecí zdroj, hlavní jistič. Vypadá to jako docela složitý bastl, ale ono to fakt fungovalo.

Pohled na ovládací pult jednotky

Stop tlačítko, hlavní vypínač, voltmetr, ampermetr, panel signalizace z řídící jednotky, přepínač automatického a ručního startu, počítadlo motohodin a ovládací panel řídící jednotky. Ten displej byl rozšiřující periferie, pro činnost jednotky nebyl nutný, jednotka fungovala i bez něj. Dalo by se říci, že to byl takový remote terminal unit, předchůdce dnešních displej-klávesnic průmyslových řídících systémů. Ani nevím, jaké tehdy řídící systémy byly k dispozici, ale pokud ano, jejich cena byla nejspíš astronomická. Naše jednotka měla cenu určitě do 10 tis. Kč a vyrobeny byly dva exempláře, které se přehazovaly v případě poruchy. Pro řízení byl použit procesor Atmel AT89C2051. Část ochran byla realizována analogově digitálním řízením a hradlovou logikou. Jiná část méně důležitých funkcí byla svěřena procesoru. Procesor řídil výkon jednotky, přepínání Y/D, vyhodnocoval generátorický režim, hlídal funkčnost zapalování apod.

Jednotka mohla být spínána signálem HDO a nebo spínacími hodinami, tedy fungovala plně automaticky. Řízení výkonu zajišťoval plynový směšovač řízený servopohonem s plynulou regulací vzduchu, bez možnosti nastavení bohatosti směsi – tuto funkci jsme plánovali, ale nebyla doplněna.

Z čeho se kogenerační jednotka skládá

Podrobné schéma možná někde najdu v dokumentaci, co jsme si vedli, ale nyní to zkusím popsat vlastními slovy. Základem kogenerační jednotky je elektrický generátor. Ten může být stejnosměrný nebo střídavý a to podle toho, pro jaký systém má energii vyrábět. Běžné je připojení do elektrické sítě 3x230V/50Hz. Střídavé generátory se rozdělují na synchronní a asynchronní. V našem případě byl použit asynchronní generátor vyrobený v Rožnově pod Radhoštěm ve firmě Siemens. Jmenovitý výkon 22kW elektrických, cos(fi) = 0,85. Generátor je poháněn spalovacím motorem, zde konkrétně čtyřtaktním benzínovým motorem Škoda Favorit 136L o objemu 1300 cm3 a výkonu 40 kW. Provozován bude při otáčkách 3060 – 3070 min-1 s výkonem cca 25 kW. Spojení dvou strojů bylo provedeno přes speciální přírubu, neboť obě stroje jsou přírubové s tím, že oba mají také uchycení na rám – generátor má patkové uchycení. Hřídele byly propojeny gumovou spojkou Periflex. Tato spojka zajišťuje tlumení rázů z motoru a mírnou nesouosost soustrojí.

Takto smontované soustrojí bylo připevněno k rámu přes několik silentbloků zajišťujících odpružení a tlumení. Vyvedení výkonu je provedeno přes rozvaděč a řadu přístrojů – hlavní vypínač, hlavní stykač, stykače pro přepínání Y/D, tepelnou ochranu, proudový transformátor, hlavní jistič, proudový chránič a šup ven přes elektroměr, další jistič 3x50A a potom domovní pojistky, kabel AYKY 4×70 šup na sloup nadzemního vedení distribuční sítě.

Co se týká spalovacího motoru, tak ten má jeden vstup a jeden výstup. Místo benzínu a karburátoru je použit zemní plyn a plynový směšovač. Regulátor nulového tlaku zajišťuje přísun plynu jen v případě mírného podtlaku, který vznikne v sání při startování motoru. Vzduch je přiváděn přes vzduchový filtr. Směšovač má řízenou klapku a sytost směsi je regulována jen šroubkem a je nastavena na pevno. Výfuk je veden přes vlnovec zajišťující odpružení do spalinového trubkového výměníku. Jeho výkon je cca 15 kW a odebírá teplo spalinám. Za spalinovým výměníkem následuje výfuk do komína. Je třeba zajistit odvod kondenzátu, neboť v chladném komíně často spaliny zkondenzují.

Motor je chlazen vodou a okruh topné vody a chladící vody je oddělen přes tepelný výměník voda/voda. Chladící voda se vede v sérii zapojeným spalivovým výměníkem do akumulační nádrže. Z této nádrže se pak převádí do otopného systému domu. Nádrž byla napojena i na běžný kotel na pevná paliva a s využitím dalšího výměníku také na předehřev TUV. Pomocí kulových ventilů bylo možno efektivně poslat horkou vodu do vytápění, předehřev TUV a ještě zde byl i okruh pro vytápění skleníku. Dodnes nechápu, jak to ten táta vymyslel a zapojil a že to fungovalo. Expanze 5 m3 akumulační nádrže byla 150 litrů. Používali jsme otevřený expanzní systém. To už by se dnes nepoužilo.

Výměník voda/voda

Zapalování je elektrické, v původní verzi s běžným rozdělovačem, později elektronické a dále s pokusem inovace na řízené mikroprocesorem. Bohužel kvůli rušení v jednotce toto řízení nefungovalo dobře, procesor se zasekával a nepomohl žádný watchdog ani odrušení napájení mnoha filtry. Dodnes netuším, jak se tam to rušení dostávalo. Dva další procesorové systémy fungovaly dobře a rušení jim nevadilo. Nejspíš byl problém s připojením zapalovací lišty Felicia, kterou jsme považovali za optimální řešení. Zapalování s rozdělovačem bylo totiž největším zdrojem poruch. Výhodou tohoto systému bylo nejen to, že odstraňuje kabely vysokého napětí, vysokonapěťovou cívku a rozdělovač, ale také umožňuje přesnější nastavení předstihu a to s přesností na setinu úhlového stupně. Možná se jednou vrátím k myšlence a zkusíme to oživit. Obvod by se s dnešními součástkami dal poskládat za pár korun a vešel by se do krabičky od sirek.

Mikroprocesorové zapalování – jak jednoduché

Jednotka fungovala poměrně spolehlivě. Výměny oleje se prováděly zhruba po 500 hodinách provozu, výkon vylo možné nastavit pomocí řízení směšovače prakticky s přesností na desetiny kW a bylo možné nastavit dobu předehřevu, resp. teplotu pro předehřev, kdy jednotka jela na menší výkon. Teplota se měřila jen pomocí AD převodníku s rozlišením 12 úrovní, tedy rozlišením cca 5 stupňů. To pro tento účel stačilo. Dnes by nebyl problém vše postavit na průmyslovém řídícím systému a přidat více funkcí. Nevím, zda by to bylo spolehlivější, ale asi by to bylo univerzálnější. Naše automatika dokázala vyhodnotit otáčky motoru vyhodnocováním pulzů ze zapalování a pak detektor průchodu nulou sítě. Díky tomu bylo možné najít průchod synchronními otáčkami a přepínat generátor z Y na D v době nejmenšího proudu v synchronním stavu.

Pár historek z natáčení

Jak může dopadnou spalovací motor, když se něco poláme:

Jedna za havárií spalovacích motorů – na Teletníku Rožná

Ta druhá havárie byla ještě ničivější

Z druhé motorové havárie

V tomto příběhu budu dále pokračovat po vyhledání historických fakt z evidence provozu a výkaznictví. Dozvíte se, kolik energie jednotka vyrobila, jakou měla účinnost v průběhu let a kolik plynu spotřebovala.

Co píší o kogeneraci jiní

Citace z webu Motorgas, kterou považuji za velmi relevantní a věcnou:

Spalování vodíku

Asi největší výzvou pro vývojáře pístových motorů všeho druhu je bezpečné a spolehlivé spalování vodíku. Všichni výrobci na tomto problému usilovně pracují a někteří začínají prezentovat výsledky vývoje na pilotních projektech. Nejsem přesvědčen, že skutečně máme na dosah efektivní řešení spalování čistého vodíku v kogeneračních jednotkách. Je ale velmi pravděpodobné, že bude brzy možné bezpečně a ekonomicky spalovat v pístových motorech směs zemního plynu s vodíkem v pružné koncentraci 0 až 20%. Taková technologie by na půdorysech stávající infrastruktury umožnila výrazně posílit akumulaci přebytků obnovitelné energie do vodíku a její zpětnou konverzi v KJ.

Budoucnost kogenerace

Výroba elektřiny z plynu, a nejlépe kogenerační výroba, je nejvhodnějším doplňkem obnovitelných zdrojů. Je to zdroj ideálně pružný a přitom nezávislý na počasí. Zejména v teplárenství a v průmyslu se jedná o zásadní řešení. Můžete s tím nesouhlasit, ale to je tak vše, co s tím můžete dělat. Jak řekl jeden z ředitelů velké teplárenské společnosti: „My s plynovou kogenerací počítáme, protože nic jiného nemáme.“

Výhody kogenerace

Velmi flexibilní zdroj – kogenerační jednotka může startovat během několika sekund prakticky do plného výkonu. Můžeme ji velmi dynamicky regulovat a to jak do plusu tak do minusu. Žádná konvenční elektrárna toto nedokáže a to dokonce ani vodní. Jednotka 22 kW může měnit výkon v řádech desítek milisekund. Je to stejné, jako když v autě šlapete na plyn a nebo naopak plyn uvolníte. Auto a kogenerační jednotka mají stejnou dynamiku. Běžně se to nepoužívá, ale je to možné. Osobně považuji flexibilitu a spolehlivost tohoto zdroje za největší výhodu.

Vysoká účinnost a efektivita využití paliva – aby kogenerace měla smysl, je nutné využívat obě složky energie, tedy teplo i elektřinu. Dnes mnohem lépe než dříve lze akumulovat i elektřinu lokálně, tedy kogenerační jednotka už nemusí nutně pracovat do elektrické sítě, ale může nabíjet akumulátory a nebo ještě lépe – elektromobil. Jednotka 22 kW je na to přímo stvořená, neboť 22 kW je maximální výkon běžných AC wallboxů. Palubní nabíječky však často mají výkon menší, např. 11 a nebo 17 kW (omezeno jištěním 16 a nebo 25A). Kogenerační jednotky využijí až 90% energie v palivu. Někdy se uvádí že více než 100%, ale pozor, toto je hodnota používaná nesprávným výpočtem, kdy se na vstup bere výhřevnost a na výstup se započítává i kondenzační teplo spalin, pokud je KJ vybavena kondenzačním výměníkem, podobně jako kondenzační kotle. Buďme při zemi a uvažujme běžnou dosažitelnou účinnost 80% a v lepším případě 90% u průmyslově vyráběných jednotek. I to je velmi dobrá hodnota (oproti automobilu a nebo jaderné elektrárně).

Možnost libovolného paliva – ano, kogeneračně lze provozovat i solární elektrárnu ale třeba i větrnou – s využíváním odpadního tepla např. z chlazení generátoru, panelů, měničů. Kogeneračně by bylo možné využívat i jaderné zdroje, ale zde je to velmi technicky náročné. O tom si popovídáme v jiné kapitole. Kdybychom se však omezili na spalovací procesy, můžeme využívat benzín, naftu, LPG, CNG, metan, propan-butan, etanol atd. Nebyl by problém sestrojit kogenerační jednotku na dřevo. Existují jednotky na dřevní štěpku a mnohé teplárny přidávají do paliva biomasu. Nesmíme zapomenout na bioplyn a nebo dřevoplyn. Možnosti využití paliva záleží na typu motoru. Pokud se použije klasický motor s vnitřním spalováním, musíme přizpůsobit palivo konstrukci motoru. U motorů s vnějším spalováním máme situaci podstatně jednodušší, neboť mohou opravdu spalovat cokoliv. Brněnská spalovna SAKO spaluje odpadky a z nich vyrábí teplo a elektřinu. To je naprosto nejlepší způsob likvidace spalitelného odpadu. Při vysokých teplotách se téměř dokonale spálí všechny látky uhlovodíkového charakteru, tedy od papíru po plasty. Uhlovodík plastů vznikl z ropy a je to v podstatě složitější sloučenina uhlíku a vodíku, což z názvu vyplývá. Vysokou teplotou tento uhlovodík shoří prakticky beze zbytku a produktem je čisté CO2. Né že by to bylo bez emise, ale CO2 lze již z atmosféry vyvázat rostlinami. Jeho produkci bychom však měli kontrolovat a limitovat. Nechci tímto podporovat spalování žádného umělého odpadu, ale energeticky je lepší si zachovat čistou ropu na výrobu plastů a špinavé plasty spálit. V této teplárně-elektrárně se používá produkce páry pro pohon parní turbíny. Existují však ještě stroje na bázi Stirlingova motoru a nebo parního motoru (parního stroje). Osobně vidím perspektivu zejména v malých parních motorech, kde je konstrukce velmi jednoduchá a zároveň dovolují využívat poměrně mokrou a studenou páru malého tlaku, na rozdíl od turbín. U Stirlingových motorů je nutné používat pro dobré účinnosti hélium a to při velmi vysokých tlacích – až jednotky MPa. To pak vede ke složitému zatěsnění stroje a drahé náplni.

Nevýhody kogenerace

Poměrně složité a drahé zařízení – musíme řešit mechanické záležitosti, tepelné záležitosti a ještě elektrické záležitosti. Konstrukce je tak provázaná hierarchie vzájemně sladěných prvků. V reálu toto nejvíce odpovídá např. hybridnímu vozidlu. Ceny takových pohonných ústrojí se šplhají k milionu, nejlevnější jednotky nabízejí výrobci za cca 0,5 milionu. Pokud bychom chtěli KJ provozovat efektivně a kdekoliv i mimo síť, bude to vyžadovat ještě akumulaci tepla, akumulaci elektřiny, palivové hospodářství, kvalitní čištění spalin atd. Primitivní zařízení lze udělat ze starých kamen, papiňáku a jednoduchého parního stroje s malým generátorem. Ale jeho účinnost nebude valná, řekněme spíše jednotky procent elektricky. Existují i tzv. TEG generátory – termoelektrické generátory. Jejich účinnost elektrická je opět velmi malá, nepřesahuje 5%. Výhoda je, že jsou zcela bezpohybové a velmi spolehlivé.

Pojďme si postavit malé KJ pro naše domy

Než bude k dispozici volná energie, budeme ještě chvíli používat obnovitelné zdroje energie a nebo možná ještě i fosilní paliva. Ale bylo by dobré je využívat s maximální účinností, tedy s co nejmenším odpadem. Doprava v ČR vypustí do ovzduší minimálně 50 TWh odpadního tepla, což je srovnatelné se spotřebou tepla na vytápění všech domácností v ČR. Bylo by tedy vhodné začít více využívat obnovitelné zdroje a v době, kdy nejsou dostupné, tak využívat právě kogenerace.

Malé pokusy jsme již vyzkoušeli se studenty v rámci bakalářských a diplomových prací:

Projektová dokumentace k řízení kogenerační jednotky

V rámci řízení kogenerační jednotky byly vyvíjeny dvě procesorové řídící jednotky. Jedna jako součást řízení plynového směšovače s možností programování až osmi definovaných poloh pro dvě nezávislá serva směšovače.

Mikroprocesorové řízení plynového směšovače pro KJ: https://www.vut.cz/vav/vysledky/detail/69968#vysledek-69968

Druhá byla určena pro elektronické zapalování řízené mikroprocesorem s vysokou přesností nastavení úhlu předstihu a energie jiskry. Tento obvod byl však vyzkoušen pouze v laboratorních podmínkách a v přímém nasazení nebyl funkční kvůli vznikajícímu rušení, které se nepodařilo eliminovat.

Mikroprocesorové zapalování ke kogenerační jednotce: https://www.vut.cz/vav/vysledky/detail/69891#vysledek-6989

Tyto obvody byly vyvíjeny v rámci výzkumných aktivit na VUT a pro jejich další šíření je třeba udělení bezplatné licence. Asi by nebyl problém toto zajistit.

Rád bych se spojil s dalšími lidmi, kteří mají praktické zkušenosti ze strojní výroby, elektrotechnické znalosti, topenářství atd. a pokusil se vyvinout malou a zároveň dostatečně činnou a levnou kogenerační jednotku. V současné době se nabízí řada technologií, které by to měly umožňovat. Napište mail, zavolejte, rád toto téma s někým budu sdílet hlouběji i šířeji.

Reference

O dřevoplynu

DIPLOMOVÁ PRÁCE – Jihočeská univerzita v Českých Budějovicíchjcu.cz https://dspace.jcu.cz › handle › DP_Sedivy PDF Úpravy pracovních strojů a příslušenství pro pohon dřevoplynem. Vedoucí diplomové práce: Autor diplomové práce: Ing. Josef Frolík, CSc. Bc. Petr Šedivý.

konstrukční úpravy motorů pro pohon dřevoplynem a měření …theses.czhttps://theses.cz › BP_PETR_EDIV_2013 PDF Vedoucí bakalářské práce: Ing. Josef Frolík, CSc. Autor bakalářské práce: Petr Šedivý. Rok vydání: 2013. JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH.

Související odkazy

Kontakty

Telefon

petr: 777 755 704
pavlína: 775 028 792

Adresa

ul. Vycházková

Brno - Medlánky

E-mail

petr@gardenman.cz