Janitza.cz

Janitza Electronics se zabývá vývojem a výrobou energeticky úsporných systémů. Je výrobcem digitálních měřidel, systémů SEMS, univerzálních multimetrů, regulátorů jalového výkonu, systémů pro řízení spotřeby, ¼ hodinového maxima a dalších přístrojů nejvyšší kvality.

KBH.cz

Společnost KBH vyrábí, dodává a instaluje komponenty pro kompenzaci jalového výkonu. Zákazníky jsou elektromontážní firmy, výrobci rozvaděčů, projektanti, velkoobchody a velkoodběratelé elektrické energie. Společnost nabízí kvalitní komponenty a služby za velice příznivé ceny.

3. října 2008, Autor: varner
Nezařazené články

Kombinace větrných elektráren s ostatními obnovitelnými zdroji

Úvod
Hlavním argumentem některých (zdůrazňuji některých) energetiků proti větrným elektrárnám je jejich nezaručená, nepravidelná dodávka energie do sítě. To je typické tvrzení v situaci, kdy s větrnými elektrárnami ještě nejsou zkušenosti a obavy tohoto druhu jsou spíše akademického rázu. V zemích s rozvinutou větrnou energetikou jako jsou Německo, Dánsko, V. Británie a další se toto za problém již nepovažuje. Přesto se pokusme stručně naznačit, jak je tomu u nás.
Jak je členům naší společnosti známo, lze z podkladů ÚFA (Větrného atlasu) odvodit pro ČR reálný počet větrných elektráren o celkovém instalovaném výkonu asi 1000 MW. Tento údaj postupně přebírají i další koncepční energetické materiály (1).
Jak známo, je výkon větrných elektráren silně závislý na rychlosti větru. Podle evropských měřítek musí mít elektrárna roční využití jmenovitého výkonu alespoň 15 %‚ aby se pohybovala na spodní hranici rentability. U nás se předpokládá, že z ekonomických důvodů budou realizována jen zařízení s lepším využitím, a to v průměru 19 - 23 %. To znamená, že 1000 MW větrných elektráren se projeví jako 190 - 230 průměrných, efektivních, ekvivalentních megawattů, což odpovídá jednomu bloku novější tepelné nebo jaderné elektrárny (např. Tušimice II. nebo Chvaletice mají bloky 4 x 200 MW = 800 MW každá, Dukovany 8 x 220 = 1760 MW). Ani ve vzdáleném výhledu se patrně nepřekročí 500 ekvivalentních, efektivních MW.
I kdyby vznikla situace, že několik desítek hodin nebo dní budou všechny větrné elektrárny pracovat na plný výkon, stále to bude hodnota pod 10 % maxima denního diagramu zatížení elektrizační soustavy. Příznivé je, že větrné elektrárny dodávají energii „proti proudu“, z druhé strany, nezatěžují, ale odlehčují distribuční a přenosové sítě. Energii dodávají rozptýleně, takže se spotřebovává převážně v oblasti, kde se vyrábí. Větrná energetika pouze zmenšuje odběr z nadřazených soustav, ale nikdy nemůže vyvolat „krizi z nadbytku“, která by vyžadovala část energie akumulovat apod. Dodávka „v protisměru“ také snižuje v odpovídající míře ztráty v rozvodných sítích. Instalace větrných elektráren teď převážně znamená přínosy pro energetiku a pochopitelně také pro životní prostředí.
Dalšího zvýšení efektivnosti větrných elektráren lze docílit jejich vhodnou kombinací s jinými místními zdroji.

Kombinace zdrojů pro dosažení optimální produkce energie
Nejprve budeme uvažovat pouze spolupráci větrných elektráren s kogeneračními zařízeními a sice v zimním (topném) období. Oba tyto druhy techniky představují téměř po všech stránkách svůj vzájemný protipól.
Větrná energie je dar přírody, dokonale nezávislý na lidské potřebě a vůli pokud jde o místo (například neosídlené lokality) i čas (zcela nahodile). Nedá se nijak racionálně regulovat, pouze maximálně využívat. Tomu odpovídá požadavek zastavět příslušný pozemek celý a pokud možno velkými větrnými agregáty.
Kogenerační zařízení (jednotku, stanici několik jednotek) můžeme volit jak co do místa, tak co do velikosti (výkonu) a provozovat kdykoli a libovolným výkonem podle potřeby. Jediné omezení je dáno vázaností produkce elektrické energie na odpovídající (úměrnou) produkci tepla. Kogenerační stanice se tedy „šije na míru“ příslušné obci v závislosti na její spotřebě tepla. Současná možnost uplatnění obou energií je podmínkou maximálního využití primární energie, obsažené v palivu.
Pro stanovení optimálního poměru mezi elektrickým výkonem kogeneračních jednotek a odpovídajícím počtem a výkonem větrných elektráren (farem) je třeba přihlížet k více kritériím, protože vždy jde o citlivou rovnováhu mezi produkcí a spotřebou (odběrem) energie, závislé na tom, zda jsou v dané oblasti jenom domácnosti nebo i místní průmysl a v jakém měřítku, zemědělské provozy (v roli nejen odběratele, ale třeba i dodavatele energie - bioplyn), zda jde o turistickou oblast a s jak velkou návštěvností v poměru k počtu kmenového obyvatelstva atd. Je jen zdánlivě paradoxní, že o optimální skladbě zdrojů rozhoduje hlavně skladba a charakter odběru (podrobnější rozbor by vyžadoval samostatnou práci).
Zatím předpokládejme, že u jedné z možných optimálních variant se elektrický výkon kogeneračních jednotek má ku jmenovitému výkonu větrných elektráren v poměru 1 : 1,5. Je zřejmé, že na jednu velkou větrnou farmu, např. 10 MW (viz VF1, obr. 1) může připadnout i několik kogeneračních stanic KS 1.1, KS 1.3 atd., resp. odpovídající počet větších obcí s úhrnným elektrickým výkonem kogeneračních jednotek, např. 6,7 MW.
Má-li být některá větrná lokalita přiměřeně využita, musí být větrné farmy někdy i poměrně velké. Známe Nový Hrádek (1,6 MW), Ostružnou (3 MW), studii farmy 5 MW a některé projekty, zvláště v Krušných Horách, které se blíží nebo i překračují 10 MW. V blízké budoucnosti už málokdo bude projektovat menší agregáty než 600 kW a na trhu jsou nabízeny i výkony 750 (800) - 1000 - 1200 - 1500 kW. Na dánském zkušebním polygonu je v provozu agregát 2 MW a připravují se 3 MW.
Kogenerační jednotky s pístovými motory na zemní plyn mají elektrický výkon i přes 2 MW. Spodní hranice je třeba i jen 20 KW. Výkon jednotek na bioplyn se bude pohybovat nejčastěji v rozmezí 40 - 400 kWel, což je dáno únosnou produkcí bioplynu jedné stanice. Kogenerační stanice zpravidla nejsou vytvořeny jen jedním, ale několika agregáty (obdobně jako větrné farmy), např. 6 x 200 kW = 1,2 MW, kde jeden agregát je jako záložní. Různým počtem agregátů v chodu se také snáze reguluje výsledný tepelný i elektrický výkon při zachování vysoké energetické účinnosti.
Při energetickém využívání fytomasy se lze ubírat cestou zplyňování nebo spalování. Zplyňování je energeticky velmi efektivní, ale technicky složité a dosud se nedaří dosahovat potřebné rovnoměrnosti v kvalitě a potřebné čistoty plynu. Náklady na zplyňovací zařízení jsou poměrně vysoké.
Proto se zatím více užívá spalování. Z hlediska čistoty spalin jsou u slámy i štěpky poměrně vysoké nároky na práci kotle a to je důvod, proč se nehodí pro příliš malé jednotky. Za minimální hranici pro teplárenské (kogenerační) využití se považuje elektrický výkon 2 - 3 MW, horní hranici je v současnosti asi 30 MW. Jsou k dispozici rychloběžné parní stroje, podobající se spíše plynovým nebo naftovým motorům, motory na Stirlingově principu a řada malých parních turbín, začínající již výkonem 60 kW.
Ke kogeneračnímu - teplárenskému způsobu využití paliv mají předpoklady větší obce a městečka, kde je reálné vybudovat místní rozvody tepla a kde je dostupný vhodný druh paliva. Může to být i zemní plyn, příp. bioplyn z místního zemědělského provozu nebo z čističky odpadních vod, nebo z místní skládky, příp. sláma a dřevní a jiný odpad či speciálně pěstovaná fytomasa. U všech těchto paliv je zpravidla uskutečnitelná tzv. prvotní akumulace, spočívající v dostatečném předzásobení příslušným palivem, které pak technologické zařízení přemění a dodá dle potřeby do elektrické a tepelné sítě.

Spotřebiče (odběry) energie, jejich optimální uspořádání a provoz
Venkovské osídlení též zahrnuje i malé a nejmenší obce, jejichž skutečně ekologické zásobování energií bude v konečné podobě spočívat hlavně v elektrické a sluneční energii.
Kogenerace přináší zpravidla více elektrické energie, než lze běžně spotřebovat v bezprostředně vytápěných domácnostech. To vytváří rezervu pro elektrické vytápění malých a nejmenších obcí a snižuje nároky na dodávku síťové elektrické energie. To platí obecně pro celé území státu.
Přínos větrných elektráren ve větrných oblastech spočívá hlavně v úsporách paliva a v prodloužení životnosti kogeneračních zařízení. Tyto úspory a přínosy musí vyvážit a převážit náklady spojené s výstavbou větrných zařízení. Zejména palivové náklady u kogenerace (jakékoli) jsou poměrně vysoké.
Kdyby měla větrná elektrárna či farma zcela nahradit jeden konkrétní kogenerační zdroj, musela by nahradit jak jeho elektrický, tak i tepelný výkon.
U menších a středních zařízení je poměr elektrického ku tepelnému výkonu Pel : Pt = 1 : 1,5. K náhradě celého výkonu Pel + Pt = (1 + 1,5) Pel = 2,5 Pel ‚ je tedy třeba dvouapůlnásobku výkonu větrné elektrárny, když za základ výpočtu vezmeme elektrický výkon kogenerační jednotky Pel = 1. Zvýšený výkon by se použil k přímé přeměně elektrické energie na teplo.
Druhá varianta spočívá v použití tepelného čerpadla s výkonovým číslem (topným faktorem) rovným 3. Pak se přivedená elektrická energie zhodnotí trojnásobně, takže k dosažení tepelného výkonu Pt = 1,5 jí bude třeba jen 1/3 původní hodnoty a součtová rovnice výkonů přejde na tvar
Pel + 1/3 Pt = (1+ 0,5) Pel = 1,5 Pel
Při splnění podmínek dle uvedených rovnic a při chodu větrných elektráren na plný výkon (tj. v rozpětí rychlostí větru 15 až 25 m.s-1) mohou být kogenerační jednotky zcela odstaveny a veškeré krytí elektrické i tepelné energie jde na účet větru. Je otázkou vyhodnocení větrných poměrů jednotlivých lokalit, zda, příp. jak často a jak dlouho by tento druh provozu přicházel v úvahu.
Pro úplnost dodejme, že i přebytek elektrické energie kogeneračního zdroje je možno přeměnit na teplo, a to opět pokud možno přes tepelné čerpadlo (čerpadla), které je součástí uvažovaných otopných systémů. Tím se zmenší potřeba tepelného výkonu, následuje úměrné snížení i elektrického výkonu a systém si rychle „najde“ svůj rovnovážný stav.
Vše dosud uvedené platilo v podmínkách topné sezóny.
V letním období se zpravidla silně redukuje výkon kogenerační stanice, protože odpadá vytápění a zajišťuje se jen ohřev užitkové vody. Také v tomto případě při dostatku a přebytku elektrické energie z větru je možno zcela nahradit kogenerační jednotku v letním provozním režimu a šetřit palivo.

Podmínky relativní energetické soběstačnosti odlehlých oblastí
Je zřejmé, že zdroje a odběry v horní části obrázku je možno navzájem tak dimenzovat a jejich činnost zkoordinovat, že místem, symbolizovaným transformátorem T1, nemusí vůbec procházet energie anebo prochází v množství, čase a směru, v jakém si to přejeme. Přirozené „chování“ vyznačeného systému na napěťové úrovni 22 kV by zřejmě spočívalo v tom, že v létě by energie proudila do systému a v zimním období eventuálně opačně. Vysoká rentabilita malých dánských obecních a soukromých kogeneračních systémů spočívá mj. v tom, že v místě T1 dodávají smluvní špičkovou elektrickou energii za vysoký tarif. Nerovnoměrnost v produkci tepla, která je s tím spojená, se vyrovnává obrovskou akumulační schopností navazujícího otopného systému. K rovnoměrnosti dodávek přispívá i tamní mírné podnebí a vyrovnaná a poměrně vysoká teplota v zimním období.
Na spodní části obrázku za transformační stanicí T2 je zobrazen systém, kde mají převahu větrné farmy (VF 2), za stanicí T3 vtiskují systému svůj dominantní charakter kogenerační stanice (KS 3) a posléze systému za T4 dominují hydroelektrárny (HE 4). Vzhledem ke své jednostrannosti nemají zejména systémy II a IV předpoklady, aby se vypořádaly s nerovnoměrností uvnitř sebe samých. Tady je možno vytvořit quasisystém, jehož jednotlivé subsystémy II - III - IV jsou propojeny komunikačními a regulačními vazbami d - e, které umožňují takovou spolupráci subsystémů, že k vyrovnání toků energií dochází na úrovni 110 kV v úsecích II. a III., zatímco vůči úsekům I. a IV. se chová jako nulový odběr nebo jako dodavatel - odběratel smluvní energie atd. jako u systému č. I.
V této souvislosti jsou důležité dvě věci: odlehlé části a konce sítí mohou mít svůj vlastní, podmínkami objektivně daný způsob existence, vyznačující se přirozeným přeléváním energie ke zjednávání rovnováhy mezi zdroji a odběry (anebo zjednáváním záměrné nerovnováhy např. při smluvní dodávce špičkové energie). A za druhé, ekologická elektrizace obcí, provázená velkým nárůstem výkonů a spotřeby, by byla nesmírně nákladná a investičně náročná, pokud by měla být zabezpečována jen z centrálních zdrojů. Proto se zřejmě neobejde bez rozumné míry vlastních zdrojů, pokud možno na bázi obnovitelných primárních zdrojů, které pracují v protisměru, z druhé strany, takže odpadá plošná rekonstrukce a posilování sítí a transformoven (přípojky a event. úpravy sítí s tím spojené nese jejich investor, nikoli energetika). Zavádění alternativních zdrojů v rozsahu 12 % z primární energie do r. 2010 po nás žádá Evropská unie a relativně nejefektivněji je lze zavádět právě v odlehlých oblastech ve smyslu tohoto příspěvku.

Obr. 1 Obr. 2

Závěr
V tomto stručném příspěvku bylo možno naznačit jen hlavní problémy formou praktických příkladů. Jednotlivá hlediska a souvislosti by zasloužily samostatný rozbor případně i na úrovni výzkumu.
Je zřejmé, že vhodně se doplňující alternativní zdroje energie mohou být zejména v odlehlých a koncových částech rozvodných sítí zdrojem energie, prostředkem ke snižování ztrát v sítích a v neposlední řadě, při správném koncepčním přístupu i zdrojem značných investičních úspor, plynoucích z oddálení, zmenšení rozsahu nebo úplného odstoupení od rekonstrukce distribučních sítí. Výhody jsou možné za cenu vysokých investičních nákladů malých soukromých podnikatelů v oblasti alternativních zdrojů energie a je logické, že by za to měli být nějak zvýhodněni (zatím opak je pravdou, výkupní tarify za dodávanou energii jsou konstruovány podle špatné filozofie, jsou diskriminační a tak nízké, že to nemá v Evropě obdoby). Možností zvýhodnění je celá řada. Připomeňme alespoň německý nebo rakouský model, jejichž princip spočívá ve výši výkupního tarifu, která se blíží odběratelskému tarifu v daném místě. Potom by většina alternativních zdrojů byla přiměřeně zisková a již by nepotřebovala žádné další dotace. Nespravedlivý a nepřiměřený výkupní tarif je v současné době hlavni překážkou rozvoje alternativních zdrojů u nás.

Ing. Emil Pázral, CSc.
Výzkumný ústav zemědělské techniky

Ing. Emil Pázral, CSc., Výzkumný ústav zemědělské techniky, Drnovská 507, 161 01 Praha 6 - Ruzyně

Sdílet

Komentáře

Najdete nás na Facebooku
Odběr novinek
Server CESKAENERGETIKA.cz
Česká Energetika s.r.o. a Česká energetická asociace provozují portál www.ceskaenergetika.cz, vydávají dva časopiy z oblasti energetiky a OZE, pořádají na tato témata semináře a konference pro laickou i odbornou veřejnost.
Důležité odkazy
Spolupracujeme
Najdete nás také na
Portál www.ceskaenergetika.cz © 2011 pohání redakční systém MultiCMS. Grafické zpracování Cossi Design.