Co s sebou přináší špičkování výroby elektřiny na BPS?

Rok 2022 přinesl v oblasti BPS největší změny za dobu jejich existence v ČR. Vývoj energetického systému s ohledem na celkovou situaci společnosti je překotný. Překotný vývoj měly ceny elektřiny a ve výsledku i jejich regulace ze strany státu. S měnícími se podmínkami je nutné se vypořádat. Novou příležitostí může pro BPS produkující elektřinu být špičkování jejich výroby, tzv. flexi tarify.

Motivace pro špičkování výroby elektřiny

BPS od svého vzniku fungují v stabilních režimech výroby elektřiny, jejich majitelé se snaží trvale dosahovat maximální výroby a tím odpovídající výši tržeb za fixní prodejní cenu elektřiny. S rostoucím podílem nestabilních zdrojů v elektrické soustavě roste rovněž potřeba její stabilizace. Špičkové vodní přečerpávací elektrárny jsou známými a osvědčenými zdroji, dnes ovšem již tyto nestačí a je potřeba hledat nové zdroje. BPS představují regulovatelný, lokální zdroj elektřiny. Přínosem špičkového (flexi) provozu je vyšší tržba za prodanou elektřinu v momentě její vysoké poptávky. Denní cenové výkyvy elektřiny jsou příkladně zobrazeny na obr. č. 1.

Provoz BPS v tomto režimu s sebou přináší řadu specifik, která je potřeba pro úspěšný provoz v tomto režimu brát na zřetel. Změna managementu dávkování a skladby použitých substrátů vyvstává bezprostředně, avšak jsou zde i technické požadavky na zařízení BPS. Proces tvorby bioplynu ve fermentoru je kontinuál­ní, charakteristický svou setrvačností, jeho intenzitu lze pouze omezeně měnit. To navíc vyžaduje velmi dobré provozní a procesní zkušenosti obsluhy BPS. V opačném případě při snaze o dosažení špičkové produkce bioplynu může nastat porucha stability a funkce fermentačního procesu, projevující se naopak poklesem produkce bioplynu. Příhodné je využití vysoce energetických tekutých substrátů, s rychlou produkcí bioplynu jako melasa, lihovarnické výpalky, G-fáze. Použití kejdy je v tomto případě omezeno, z důvodu potřeby její vysoké dávky a s tím související možné ochlazení fermentoru. Při řešení vhodné substrátové skladby je účelné vždy postupovat individuálně vůči možnostem dané BPS a aktuálního stavu biologie.

Technické aspekty špičkového provozu

Bioplyn je produkován ve fermentoru nepřetržitě a stabilně. Při flexi provozu BPS je jeho spotřeba naopak skokově rozdílná. Rozšíření skladovací kapacity bioplynu se nabízí jako řešení. Možnostmi jsou zastřešení koncových stávajících skladů digestátu. Jejich zastřešení má vedle rozšíření skladovací kapacity bio­plynu rovněž vliv na emisní stopu CO₂, dle aktuálně platného nařízení RED II. Významné je rovněž intenzivnější biologické odsíření při dodržení potřebné doby zdržení bioplynu v plynojemu.

Ve stávajících plynojemech jsou velmi nízké tlakové rozdíly, to způsobuje v případě změny okolních podmínek (teplota, tlak) výrazné změny u plynojemů s jednoduchou konstrukcí. Jednoplášťové a dvouplášťové fermentory bez stabilizující vzduchové membrány nejsou vhodným řešením. Výše uvedeným vlivem okolního prostředí na funkci plynojemu a nízkého provozního přetlaku je limitováno množství uskladněného bioplynu. Vhodná jsou tedy dvouplášťová řešení se vzduchovou membránou udržující stálý tvar plynojemu. V závislosti na velikosti má takový plynojem tvar ½, ¾ koule a provozní tlak do 30 mbar, což umožňuje účelně skladovat a spotřebovávat produkovaný bioplyn. Měření množství bioplynu v plynojemu je vhodné řešit pomocí vodního sloupce, z několika míst plynojemu. Ve srovnání s jinými řešeními zde není chyba při měření v jednom místě plynojemu, plynojem často vytváří nerovnoměrný povrch s typickým vyboulením. Není zde rovněž riziko mechanické poruchy jako u měření pomocí závaží připevněném na popruhu přes plynojem. Mechanickým pohybem vzniklým při změně zaplnění plynojemu dochází k pohybu závaží, sloužícího pro odečet zaplnění plynojemu. U tohoto řešení je častý výskyt mechanických poruch.

Požadavky na kogenerační jednotky

Současný stav vývoje a provozu u KJ umožňuje jejich provoz ve flexi režimu. Výrobci mají s tímto zkušenosti z jejich použití jako záložních zdrojů u jiných typů elektráren, či záložních zdrojů energie. Tyto znalosti mohou výrobci aplikovat u BPS.

Časování provozu ve špičkách jsou KJ dobře přizpůsobeny, výhodou je možnost rychlé změny provozu. Časté starty a vypínání KJ s sebou přináší rozdílné provozní podmínky a stupeň účinnosti výroby elektřiny. Při provozu v nominálním výkonu je dosahováno maximálně možné el. účinnosti a minimálních ztrát. Při startu KJ jsou jednotlivé komponenty studené, vyskytují se velké teplotní rozdíly vedoucí ke vzniku materiálového napětí. Zároveň s nízkou intenzitou mazání roste nežádoucí oděr komponentů. Výrobce v tomto případě stanoví servisní intervaly, které je bezpodmínečně nutné dodržovat. V závislosti na výrobci odpovídá 1 start KJ 1,5–12 hodinám provozu. S rostoucím výkonem KJ se tento čas prodlužuje.

Nežádoucími efekty častých startů a vypínání jsou zkrácené servisní intervaly, snížení účinnosti a vyšší zátěž zařízení. Je potřeba rovněž počítat s nárůstem produkovaných emisí a vyšší spotřebou motorového oleje. Tyto následky nelze zcela vyloučit, existují však postupy pro jejich eliminaci. Nejvýznamnějšími opatřeními jsou předehřev a předmazání, které jsou u moderních KJ standardně používány.

Předehřev vede ke snížení zatížení agregátu při startu. Motorový olej a potřebné součástí KJ jsou temperovány na teplotu 56–60 °C (GE Jenbacher 2012), za použití chladicího okruhu. Zdrojem tepla může být elektrický zdroj, případně zásobník TUV využívající odpadní teplo KJ. Při odstávce kratší než 2 hodiny není obvykle potřeba předehřev, vliv má také umístění KJ ve strojovně a jeho pasivní chlazení. Investiční náklady na předehřev jsou ve srovnání s cenou KJ zanedbatelné.

Předmazání je zajištěno paralelní nezávislou pumpou motorového oleje, eliminující tření. Další výhodou je zajištění mazání komponent i po vypnutí motoru, při doběhu a zajištění jejich plynulého ochlazení. Pro KJ o obvyklém výkonu jsou vhodné pumpy o výkonu 2–5 kWel, KJ do 500 kWel obvykle toto zařízení dle doporučení výrobce nepotřebují, v tomto případě je použitím startéru zajištěno promazání po dobu 2–3 sekund při dostatečném tlaku oleje.

U flexi provozu je vhodné použití síťového startéru, s vyššími otáčkami o cca 20 % a možným vyšším zatížením. Funkční a spolehlivý startér je předpokladem pro optimální chod flexi provozu KJ.

Častějšími starty vzniká v důsledku teplotních rozdílů větší množství kondenzátu ve srovnání se stabilním provozem. Kondenzát je rizikový zejména pro SCR-katalyzátory, spalinové výměníky a turbodmychadla, z důvodu vzniku kyselého prostředí obsaženým sirovodíkem. Je zde tedy nutné dokonalé odsíření bioplynu.

Provoz KJ při sníženém výkonu

KJ mohou být provozovány při minimálním výkonu odpovídajícím 40 % instalovaného el. výkonu. To přináší zvýšené zatížení z důvodu zhoršených provozních parametrů, zejména horší funkci chladicího a mazacího systému. Výsledkem je zvýšená spotřeba motorového oleje a horší kvalita palivové směsi (Jung und Müller 2008). Provozem při sníženém výkonu klesá rovněž elektrická účinnosti, výrazný pokles nastává při poklesu výroby pod 85 % instalovaného el. výkonu. Obecně od 90 % zatížení je provoz KJ energeticky efektivní a srovnatelný s plným zatížením obr. č. 2.

Dochází rovněž k vyšší produkci emisí, při provozu KJ na 70% instalovaném výkonu jsou emise CO₂ až trojnásobně vyšší, což výrazně zhoršuje uhlíkovou stopu takto produkované energie. Argumenty pro tento lineární provoz KJ mohou být také trvalá potřeba dodávek tepla, ať už interně v rámci provozu či externím odběratelům.

Start-stop provoz KJ s sebou přináší vyšší zatížení ve srovnání s provozem na lineární výkon KJ. Přesto může KJ při plnohodnotném využití start-stop režimu za stejné produkce elektřiny, díky nižším motohodinám, mít v dlouhodobém horizontu delší životnost.

Využití tepla při flexi provozu

Pro vlastní potřebu BPS není diskontinuální provoz KJ s odstávkami v délce několika hodin problematický a nemá vliv na fermentační proces. Pouze při velkých dávkách kejdy je vhodné její dávkování směřovat na dobu chodu KJ. U externích dodávek tepla je potřeba řešit požadavky odběrných míst například externími zásobníky tepla.

Budoucnost je příležitost

Flexi provoz produkce elektřiny je dalším vývojem provozu BPS, umožňující při nižší celkové intenzitě generovat vyšší tržby za prodej elektřiny. Tím dojde ke snížení tlaku na pokrytí substrátové potřeby BPS. S tím jsou spojeny výše uvedené technologické aspekty a případné úpravy zařízení. Flexi tarify berme jako příležitost pro uplatnění BPS na měnícím se energetickém mixu. Tyto změny lze provést flexibilně!