MU mob.pren. 22 10 04 23 01 09 Gauti naujienas mobili žurnalas
Mano Ūkis 2008/02
Elektros energijos gamyba kogeneraciniu ciklu
  • Dr. Rimvydas AMBRULEVIČIUS LŽŪU Žemės ūkio inžinerijos institutas
  • Mano ūkis

Išsklaidytos generacijos ir kogeneracijos sąvokos atsirado praėjusio šimtmečio pabaigoje. Siekiant padidinti energetinių sistemų patikimumą, geriau išnaudoti resursus ir mažinti gamybos kaštus, į energetines sistemas buvo integruojamos nedidelės ir vidutinės galios elektrinės, kuriose elektros gamyba buvo kaip papildomas produktas, gaminant šiluminę energiją.

Brangstant energetiniams resursams, esamos centralizuoto šilumos tiekimo katilinės rekonstruojamos į kogeneracines jėgaines, o naujai statomos projektuojamos tik tokiam gamybos ciklui. Tokiose katilinėse garas, atidirbęs turbinoje arba garo variklyje, naudojamas šilumai gaminti. Pagaminta elektros energija naudojama saviems poreikiams ir tiekiama kitiems sistemos vartotojams. Priklausomai nuo naudojamos technologijos jėgainės bendras naudingumo koeficientas gali siekti 90 proc. ir daugiau. Palyginimui galima pasakyti, kad vidutinės galios nekogeneracinių jėgainių energetinio naudingumo koeficientas sudaro 30–50 proc. Beje, 2010 metais numatyta apie 18 proc. elektros energijos pagaminti kogeneracinėse jėgainėse. Pasiekus numatytą rodiklį, dėl efektyvesnio pirminio kuro panaudojimo CO2 emisija sumažės apie 65 mln. t per metus.

Dideliu akstinu šiai technologijai plėstis yra atsinaujinančių energijos šaltinių panaudojimas kogeneracinėse jėgainėse. ES direktyvose numatytos papildomos skatinimo priemonės energijai iš atsinaujinančių šaltinių gaminti – prioritetinis prijungimas prie sistemos tinklo, administracinių procedūrų supaprastinimas, dotacijų suteikimas pastovių tarifų forma, mokesčių lengvatos, žalieji sertifikatai ir kita. Šiuo metu biomasės dalis bendrajame ES energetiniame balanse sudaro apie 5 proc. Didžioji jos dalis sudeginama 5–30 MW galios jėgainėse. Tiesioginis biomasės deginimas ateityje bus ribojamas jos pasiūla ir resursais rinkoje. Šiuo metu jau jaučiamas medienos stygius baldų pramonėje. Deginamos pirminio medienos perdirbimo atliekos, o iš technologinių atliekų (pjuvenų, drožlių) gaminami briketai. Pastarųjų kaina siekia ne mažiau kaip 450 Lt/t, todėl jie nėra patrauklūs energijos gamintojams. Tačiau medienos perdirbimo įmonėse bio­masę naudoti vidiniams energijos poreikiams tenkinti dar ilgai bus ekonomiškai naudinga, nes nereikia biomasės transportuoti ir utilizuoti atliekų.

Kad pirminis kuras būtų efektyviau panaudojamas, katilines reikėtų rekonstruoti ir įrengti kogeneracinį bloką. Kadangi nedidelės galios katiluose sunkiai pasiekiami aukšti technologinio garo parametrai, geresni rodikliai bus, naudojant ne garo turbiną, bet stūmoklinį garo variklį. Modernūs garo varikliai dirba be darbinių cilindro paviršių tepimo, jų konstrukcija nesudėtinga, tokius variklius lengva prižiūrėti. Galių diapazonas gana platus – nuo 100 iki 1 000 kW. Garo poreikis iki 40 t/val. Pagrindinis garo variklio pranašumas yra galimybė dirbti apkrovų diapazone nuo 20 iki 100 proc. su pastoviu didesniu kaip 50 proc. elektros energijos generavimo naudingumo koeficientu. Energetiniuose iki 1 MW galios blokuose garo variklis garantuoja 2–5 proc. didesnį naudingumo koeficientą negu garo turbina. Atidirbęs garas panaudojamas šilumai gaminti. Pagaminta elektra ir šiluminė energija gali būti naudojamos ir saviems poreikiams tenkinti, ir realizuojamos. Asinchroniniai generatoriai tokiuose blokuose naudojami tik generuojamai galiai iki 100 kW. Autonominiam darbui skirtuose agregatuose paprastai montuojami sinchroniniai generatoriai.

Žemės ūkio bendrovėse ir ūkiuose daugiau pranašumų turi kogeneraciniai blokai su vidaus degimo varikliais. Kaip kuras juose gali būti naudojama biodujos, biodyzelinas, rapsų aliejus. Šiluminė energija gaunama, išnaudojant išmetamųjų dujų, aušinimo ir tepimo sistemose susidarančią šilumą. Visi atskirų kontūrų šilumokaičiai jungiami nuosekliai. Termofikacinio vandens parametrai tokio tipo jėgainėse yra mažesni negu klasikinėse katilinėse – paduodamo į šildymo sistemą vandens temperatūra 80–90 oC, grįžtančio iš sistemos – 70 oC. Tai lemia palyginti žema išmetamųjų dujų temperatūra ir būtina aukšta temperatūra variklio aušinimo bei tepimo kontūruose. Vienas iš svarbiausių tokių jėgainių pranašumų yra greitas paleidimas ir didelis eksploatacinių apkrovų diapazonas. Ją galima paleisti distanciniu būdu arba automatiškai. Techninės priežiūros intervalai ir eksploataciniai resursai gana dideli. Suprantama, kad efektyviausiai jėgainė dirbs visiškai sunaudojus ir generuotą elektros energiją, ir šilumą. Gegužės–rugsėjo mėnesiais, kai šilumos poreikis sistemoje tesudaro apie 10–20 proc., efektyvus vieno bloko jėgainės darbas praktiškai neįmanomas. Tokiu atveju išeitis iš dalies gali būti kelių mažesnės galios blokų jėgainė arba pagamintos šilumos panaudojimas šaldymo ir kondicionavimo sistemoms produktų saugyklose.

Rinkoje yra gana didelis komplektinių jėgainių pasirinkimas. Nedideliam šiluminės ir elektrinės energijos poreikiui tenkinti galima rekomenduoti RaptorS kogeneracinius blokus („Eternal Energy GmbH“). Juose naudojamas vieno cilindro dyzelinis variklis. Vieno modulio elektrinės galia 3–7 kW, šiluminė galia: aušinimo kontūro – 6–14 kW, ventiliavimo – 2–4 kW, o bendras naudingumo koeficientas 80 proc. Kuro sąnaudos, priklausomai nuo apkrovos, 1,3–2,9 l/val. Jėgos bloko matmenys 1,18x1,13x1,40. Kurui gali būti naudojamas dyzelinas, biodyzelinas, aliejai, krosnių kuras. Tepalo keitimo intervalai kas 1 000 darbo valandų. Kas 8 000 darbo valandų reikėtų atlikti visišką variklio patikrą, ir, jei reikia, jį suremontuoti. Eksploatavimo temperatūra 15–30 oC. Kurui naudojant aliejų, kuro talpos temperatūra turi būti 10–15 oC. Priešingu atveju kurą teks pašildyti, o varikliui paleisti naudoti mineralinį dyzeliną. Modulis visiškai paruoštas prijungti prie šildymo ir elektros tiekimo sistemų su automatinio valdymo ir kontrolės įranga. Taigi perteklinė energija gali būti realizuota žemos įtampos paskirstomajame tinkle. Pageidaujant įrenginys gali būti komplektuojamas su 1 000 l talpos tūriniu vandens šildytuvu-akumuliatoriumi. Didesniam energijos poreikiui tenkinti 2–4 tokie blokai sujungiami dirbti lygiagrečiai (maksimalus skaičius 8). Jų skaičius priklauso nuo energijos poreikio objekte. Padidėjusiam šilumos poreikiui tenkinti piko metu galima naudoti skysto arba kieto kuro katilą. Šie kogeraciniai blokai gali būti naudojami ir kaip rezervinio maitinimo šaltiniai gamybiniuose objektuose. Norint naudoti tokius kogeneracinius blokus darbui energetiniame tinkle, būtina speciali valdymo ir apsaugos įranga (komplektuoja gamintojas) bei sutartis su tinklo operatoriumi.

Didesnės galios blokuose įrengiami stacionarūs vidaus degimo varikliai su pritaikyta kuro tiekimo sistema, kuri optimizuoja paduodamo kuro kiekį priklausomai nuo kuro rūšies pagal degimo temperatūrą bei išmetamųjų dujų parametrus. Išmetamųjų dujų kanale ­montuojami ­oksidaciniai katalizatoriai ir kietųjų dalelių filtrai. Minėtiems parametrams kontroliuoti naudojami specialūs jutikliai variklio degimo kameroje ir išmetamųjų dujų kanale. Paprastai naudojami turbokompresoriniai varikliai. Jie dirba ekonomiškai, taršos emisijos nedidelės, tačiau daug sudėtingesnė valdymo ir apsaugos įranga. Praktiškai kogeneracinis blokas komplektuojamas pagal konkrečias pirkėjo pateiktas technines sąlygas. Gaminamos jėgainės gali būti 2 variantų – konteinerinės ir modulinės. Pirmuoju atveju visa įranga sumontuota specialiame konteineryje, kuris, prijungus prie elektros ir centralizuoto šilumos tiekimo tinklų, iš karto parengtas eksploatacijai. Blokiniame variante įranga paruošta montuoti gamybinių pastatų patalpose. Nedidelės galios jėgainės montuojamos gyvenamojo namo rūsyje arba pagalbinėse patalpose.

Kogeneracines jėgaines tikslinga įrengti ūkiuose, auginančiuose rapsus arba turinčius dideles gyvulių fermas. Pirmuoju atveju kurui panaudojamas valytas aliejus, o antruoju – biodujos. Nedideliame ūkyje visiškai pakaktų apie 30 kW elektrinės galios bloko. Jėgainės šiluminė galia siektų apie 50–55 kW. Vidutinės degalų sąnaudos kogeneraciniame cikle yra apie 0,215 kg/kWh augalinio aliejaus. Dirbant visa galia 8 500 val. per metus, degalų poreikis sudarys apie 55 tonas. Energijos gamybos savikainai mažinti tikslinga ūkyje įsirengti aliejaus spaudyklą su filtravimo įranga. Žemės ūkio inžinerijos institute parengta techninė dokumentacija tokiai aliejaus spaudyklai. Kad variklis patikimai dirbtų, aliejuje neturi būti didesnių kaip 1–2 μm mechaninių priemaišų. Ūkyje gaminamo aliejaus savikaina, įvertinus realizuotas išspaudas, sudarys apie 1,5–1,7 Lt/kg, o 1 l kaina, pridėjus 20 proc. pelną, – 1,8–2,04 Lt/l. Net ir atsižvelgiant į mažesnį aliejaus kaloringumą, didesnį jo sunaudojimą ir apie 5 proc. mažesnę variklio galią, išlaidos kurui palyginti su komerciniu dyzelinu bus mažesnės apie 40 proc. Pagamintos šiluminės energijos savikaina sudarys apie 0,18 Lt/kWh, o elektros energijos supirkimo kaina 0,22 Lt/kWh. Taigi verta paskaičiuoti, ar geriau patiems gaminti šilumą ir elektros energiją, ar realizuoti produkciją ir pirkti elektros energiją bei kurą.

Biodujų panaudojimas kurui kogeneracinėse jėgainėse reikalauja daug didesnių investicijų bioreaktoriui ir dujų paruošimo įrangai, todėl nėra ekonomiškai patrauklus energijos gamybos būdas. Dirbti su dujiniu kuru pritaikomi dyzeliniai varikliai. Įsiurbiamas oras maišomas su dujomis ir turbokompresoriumi teikiamas į cilindrą, o mišinys uždegamas, įpurškiant nedidelį kiekį dyzelino (fakelinis uždegimas). Tokias jėgaines tikslinga įrengti prie didelių fermų, kuriose sukaupiama daug žaliavos (nuotekų, kraiko, pašarų ir produkcijos perdirbimo atliekų) dujoms gaminti. Biodujų gamyba duoda dvigubą naudą – utilizuojamos gamybinės atliekos ir teršalai bei gaminama energija iš atsinaujinančių, aplinkos neteršiančių šaltinių.