Optimálne využitie záložných zdrojov elektrickej energie

Bežná prevádzková doba núdzovej elektrocentrály je v rozpätí 20 až 80 hodín za rok. Presná hodnota závisí od početnosti a priemernej dĺžke výpadkov, ale predovšetkým od frekvencie testovania. V niektorých objektoch je testovanie predpísané častejšie (napr. v nemocniciach), inde stačí vykonať kontrolný štart raz za mesiac. S istotou možno povedať, že sa tieto zdroje nikdy nedožijú generálnej opravy.

Celkové náklady na vlastníctvo elektrocentrály (Total Costs Ownership – TCO) obsahujú nielen odpisy a palivo, ale aj náklady na pravidelný ročný servis. Bez ohľadu na prevádzkové hodiny je nutné raz za rok v každej elektrocentrále vymeniť motorový olej vrátane olejového filtra a skontrolovať ďalšie súčasti (štartovacie batérie, predohrev, hustotu chladiacej kvapaliny…). To všetko viedlo k úvahám, ako efektívnejšie využiť už inštalované núdzové zdroje elektrickej energie.

1. Optimalizácia núdzových zdrojov elektrickej energie

Ako už bolo uvedené, TCO sa pri elektrocentrále skladá z odpisov investície, servisných nákladov a nákladov na palivo. V rámci riešenia štátneho projektu „Zvýšenie odolnosti distribučnej sústavy proti dôsledkom dlhodobého výpadku prenosovej sústavy ČR s cieľom zvýšenia bezpečnosti obyvateľov“ bol vykonaný rozbor týchto nákladov v závislosti od menovitého výkonu elektrocentrály a počtu prevádzkových hodín v roku. Súčasťou riešenia tejto úlohy bolo totiž aj posúdenie možnosti použitia núdzových zdrojov ako operatívneho, dlhodobo prevádzkovaného zdroja elektrickej energie. Výsledky sú na obr. č. 1. Z grafu je zrejmé, že pri ročnej prevádzke menšej než 200 hodín je cena za 1 kWh extrémne vysoká, a až pri vyššej sa dostáva pod hranicu 10 Kč/kWh. Pri vyšších výkonoch vychádza ekonomika prevádzky „lepšie“, avšak stále je vysoká oproti súčasným cenám distribučných spoločností.

Cenová hladina v „ustálenom stave“ nad 200 Mth/rok je navyše závislá od ceny paliva. Preto sa hľadali cesty v použití alternatívnych palív.

Prvým spôsobom je použitie alternatívneho kvapalného paliva typu FAME, rastlinných olejov, prípadne olejov z potravinárskej výroby (fritovací olej). Táto cesta je realizovateľná len pri úprave palivovej trate, použitia predohrevu paliva a špeciálnych palivových filtrov a v spoločnosti Phoenix-Zeppelin ju prakticky overili. Napriek deklaráciám dodávateľov nie je zatiaľ cena týchto palív príliš vzdialená od ceny motorovej nafty a nie sú preto vhodné pre trvalú prevádzku.

Obr. č. 1. Cena vyrobenej elektrickej energie v núdzovom zdrojmi

Ďalším palivom, ktoré je dostupné na trhu, je plyn (štandardný zemný plyn, prípadne rôzne plynné palivá na biologickej báze). Bežný vznetový (dieselový) motor v záložnej elektrocentrále ale toto palivo nie je schopný spracovať – to „dokáže“ iba motor zážihový (plynový).

V nasledujúcej tabuľke č. 1 sú porovnané oba typy motorov (pri rovnakom výkone strojov):

Tab. č. 1. Porovnanie zážihového a vznetového motora pri rovnakom výkone

Hľadalo sa riešenie, ktoré by spájalo výhody oboch typov motorov. Týmto riešením je dieselový motor upravený na spaľovanie zmesi nafty a plynu.

Ani v tomto prípade by ekonomický prínos nebol dostatočný. Optimálne využitie elektrocentrály je iba v prípade, keď sa okrem vyrobenej elektrickej energie využije aj teplo vznikajúce v motore pri spaľovaní paliva.

2. Použitie duálneho paliva pri kombinovanej výrobe tepelnej a elektrickej energie

Spoločnosť Phoenix-Zeppelin v roku 2011 predstavila a v praxi overila optimalizáciu núdzových zdrojov elektrickej energie, ktorá prinesie vyššie využitie stroja, významné ekonomické úspory a zvýši energetickú bezpečnosť a nezávislosť. Tento generátor elektrickej a tepelnej energie je uvedený pod obchodným názvom BOOMEL® DUAL. Nadväzuje na energetický zdroj BOOMEL®, pracujúci na princípe kombinovanej výroby elektrickej a tepelnej energie, ktorý ako palivo používa zemný plyn.

Pri verzii BOOMEL DUAL je palivom motorová nafta (prípadne iné alternatívne kvapalné palivo) v zmesi so zemným plynom. Základný výkonový rozsah je od 100 kW do 2.000 kW elektrického výkonu v jednom stroji. Umožňuje paralelnú prevádzku viacerých strojov. Množstvo vyrobenej tepelnej energie sa potom volí podľa konkrétneho projektu.

Dôležité je, že týmto spôsobom je možné optimalizovať aj staršie elektrocentrály z produkcie ČKD Praha. Je nutné splniť niektoré podmienky (predovšetkým v oblasti regulátora motora a generátora). Otázkou však stále zostáva dostupnosť náhradných dielov na tieto stroje, splnenie súčasných a budúcich emisných limitov a spotreba paliva a oleja. To sú skutočnosti, ktoré optimalizácia na duálne spaľovanie nevyrieši.

Použitie duálneho paliva (zmes diesel-zemný plyn) je ekonomicky veľmi zaujímavé. Energeticky ekvivalentné množstvo plynu sa dá totiž kúpiť za menej ako polovičnú cenu v porovnaní s motorovou naftou. Štandardný dieselový motor je upravený tak, že do valcov je pri splnení predpísaných podmienok vháňaný plyn a súčasne sa množstvo nafty znižuje. Pomer nafta/plyn môže byť až 30/70% – úspora v prevádzkových nákladoch je teda významná. Pripúšťanie plynu do motora je pozvoľné, vypnutie plynu je buď plynulé, alebo (ak ide o havarijné zatvorenie plynu a núdzovým prechodom na naftu) skokové. Proces zvyšovania/znižovania množstva plynu v žiadnom prípade neovplyvní chod motora. Motor po uzavretí prívodu plynu ďalej beží na naftu. Tento prechod môže byť automatický, alebo manuálny.

3. Spoľahlivosť optimalizovaných energocentier

Významným prínosom energetického zdroja  BOOMEL® DUAL pre užívateľov je väčšia energetická bezpečnosť a nezávislosť. Možnosť kombinácie prevádzky s rôznymi druhmi palív umožňuje vytvoriť „energeticky bezpečný ostrov“ v rozsahu jednej budovy, mestskej štvrti alebo celej obce či mesta. To všetko v súlade so súčasným trendom, ktorý podporuje decentralizované napájanie ako cestu k väčšej energetickej bezpečnosti štátu a jeho obyvateľov.

Podstatné pri decentralizovanom napájaní je aj zníženie nákladov na transport energie odstránením strát pri jej prenose (v duchu pravidla: „najlacnejšia energia je tá, ktorá nemusí byť vyrobená“).

Výrobou elektrickej a tepelnej energie v mieste spotreby sa zníži nielen koncová cena energie pre zákazníka, ale odľahčia sa aj preťažené siete.

Práve preto je optimalizácia energetického zdroja BOOMEL DUAL zaujímavá pre menšie a stredne veľké obce, kde sa už nachádza objekt vybavený záložným dieselgenerátorom. Typickým použitím je program Smart Grids. Zdroje  BOOMEL® DUAL sa uplatnia aj ako alternatívny zdroj v regiónoch, kde sú inštalované nestabilné obnoviteľné zdroje elektrickej energie.

Riešenie energetického zdroja  BOOMEL® DUAL je samozrejme aj súčasťou spoľahlivého programu Phoenix-Zeppelin. Už od roku 2006 je pre významné zákazky vykonávaná analýza spoľahlivosti, ktorá na základe matematického modelu exaktne určí istotu prevádzkyschopnosti energetického zdroja. Okrem všeobecne používaných (a nie príliš presných) parametrov MTBF (stredná doba medzi poruchami) a A (dostupnosť) je výsledkom tejto analýzy predovšetkým tzv. krivka spoľahlivosti, ktorá jednoznačne definuje istotu dodávky elektrickej energie v čase. Tento matematický model bol rozšírený aj pre duálne systémy.

Výsledky matematického modelovania jednoznačne ukazujú, že použitím náhradného zdroja ku špičkovaniu sa jeho prevádzková spoľahlivosť podstatne zvýši. Každým použitím náhradného zdroja ku špičkovaniu je totiž vykonaný pravidelný návrat krivky spoľahlivosti (funkcie R (t)) do počiatočného stavu, kedy je záruka prevádzkyschopnosti núdzového zdroja stopercentná.

Obr. č. 2: Zmena krivky spoľahlivosti núdzového stroja pri špičkovaní

Použitie núdzového zdroja ku špičkovaniu teda umožní nielen preklenúť intervaly vyššej spotreby (a vyhnúť sa pokutám za prekročenie štvrťhodinových maxím), ale aj zvýši jeho prevádzkovú spoľahlivosť.

Zoznam použitej literatúry je dostupný vo formáte pdf.

O autorovi

Ing. Karel Kuchta, CSc., absolvoval Fakultu elektrotechnickú ČVUT Praha v roku 1975, odbor Technická kybernetika. Do roku 1997 pracoval v ČKD Elektroenergetika, kde sa podieľal na vývoji elektrických pohonov veľkých výkonov pre priemysel i trakciu. V tomto odbore tiež v roku 1984 obhájil dizertačnú prácu. Od roku 1997 sa venuje problematike zabezpečeného napájania elektrickou energiou s garantovanou spoľahlivosťou.

Text vyšiel v českom jazyku v magazíne ENERGETIKA č. 5/2012.

Publikujeme so súhlasom magazínu.

Preklad a redakčná úprava: energia.sk

K téme