Kombinovaná výroba tepla a elektřiny vyrábí současně teplo i elektřinu. Tím se vyřeší dva problémy v domácnosti. Stát také prosazuje moderní ekologické vytápění. Ale pro koho se kombinovaná jednotka tepla a energie vyplatí? V našem průvodci vysvětlíme, jak to funguje, požadavky na instalaci a náklady.
Kombinovaná teplárna a elektrárna jako vytápění: nejdůležitější věci na první pohled
- Zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny současně vyrábí elektřinu a teplo na principu kombinované výroby tepla a elektřiny, po kterém teplo z výroby elektřiny proudí do topného okruhu. Z tohoto důvodu je účinnost systému kolem 90 procent. Pro srovnání: průměrná plynová elektrárna dosahuje přibližně 40 procent.
- Kompaktní systémy se skládají z pohonu (motor, turbína nebo palivový článek), generátoru a výměníku tepla.
- Zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny lze provozovat na plyn, naftu, dřevěné pelety nebo uhlí, v závislosti na instalované technologii. S bioplynem nebo dřevem jako palivem můžete pracovat zcela bez emisí CO2.
- V závislosti na velikosti a výkonu jsou systémy kombinované výroby tepla a elektřiny rozděleny na nano, mikro, mini a standardní jednotky kombinované výroby tepla a energie. Nano kombinované teplárny a elektrárny jsou také ekonomické pro rodiny.
- To, zda se kombinovaná teplárna vyplatí, závisí na jejím využití kapacity. Kromě dlouhé doby běhu je pro krátkou dobu amortizace rozhodující také cena elektřiny provozovatele sítě.
- Federální úřad pro ekonomiku a kontrolu (BAFA) podporuje instalaci zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny fixními granty a příplatky k tarifu za elektřinu. Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) a některé spolkové země rovněž nabízejí finanční pobídky a levné půjčky.
Jak funguje kombinovaná teplárna?
Kombinovaná teplárna je systém, který vyrábí elektřinu i teplo. Využívá princip kombinovaného tepla a energie, podle kterého se mechanická energie motoru (energie) používá k výrobě elektřiny a její horké výfukové plyny zajišťují ohřev. To znamená, že kombinované teplárny dosahují vysoké účinnosti 90% a vyšší. Vyrobená energie se skládá v průměru z jedné třetiny elektřiny a dvou třetin tepla. Tato čísla se však liší v závislosti na systému a designu. Technologie kombinované tepelné a energetické jednotky zapadá do skříně, která je zhruba tak velká jako chladnička. Název blokové tepelné elektrárny je odvozen od kompaktních rozměrů.
Některé uhelné a plynové elektrárny také využívají kombinovanou výrobu tepla a elektřiny. V roce 2017 činil jejich podíl na čisté výrobě elektřiny v Německu 21 procent. Ve velké elektrárně však potrubí přepravuje teplo na místo spotřeby, protože obytné oblasti a podniky jsou daleko. Ztráty jsou nevyhnutelné. Specialitou blokových tepelných elektráren je to, že jak elektřina, tak teplo se vyrábějí lokálně a decentralizovaně. To ve srovnání s centralizovanými systémy značně zvyšuje jejich účinnost.
Díky nízkým ztrátám a možnosti jejich provozu s biopalivy jsou kombinované tepelné a energetické elektrárny pilířem přechodu energie. Federální vláda podporuje majitele tepelných elektráren blokového typu s různými modely odměňování od roku 2000. V posledních letech se na trhu zvýšil počet takzvaných nano a mikro kombinovaných tepelných a energetických jednotek. Systémy s výkonem až 15 kilowattů jsou za určitých podmínek také užitečné pro soukromé spotřebitele.
Proces na první pohled
Kombinovaná teplárna pracuje v následujícím pořadí:
- Plynový, naftový nebo parní motor pohánějící generátor pomocí hřídele. Větší kombinované teplárny také místo motorů používají plynové turbíny. Plyn je stlačen a dosahuje vysokých teplot. Horký plyn poté pohání menší turbíny, které přenášejí mechanickou energii do generátoru.
- Generátor vyrábí elektřinu. Je spotřebováván v domácnosti nebo ve společnosti nebo proudí do veřejné elektrické sítě.
- Výměník tepla přenáší teplo spalin na topnou vodu.
- Chladicí voda motoru a horký motorový olej také přenášejí teplo do topné vody pomocí výměníku tepla.
Výstavba kombinované teplárny
Typ vytápění se skládá z následujících prvků:
- Motor
Nejběžnějšími motory pro kombinovanou výrobu tepla a elektřiny jsou plynové, naftové, parní a Stirlingovy motory. Každý typ motoru má své výhody i nevýhody. Benzínové motory na benzín jsou považovány za účinné a odolné, ale vyžadují pravidelnou údržbu. Vznětové motory mají nejlepší účinnost, ale jsou dražší než zážehové motory. V případě Stirlingových motorů je na rozdíl od Ottových a naftových motorů dodáváno teplo zvenčí. Mohou být provozovány se dřevem nebo peletami, a proto jsou zvláště šetrné k životnímu prostředí a vyžadují také malou údržbu. Elektrická účinnost je však nižší než u benzínových motorů. - Plynová turbína (jako alternativa k motoru)
Kompresor stlačuje okolní vzduch na vysoký tlak. Směs vzduch-plyn hoří ve spalovací komoře a dosahuje vysokých teplot. Horký plyn pohání generátor. Kvůli vysokým nákladům se plynová turbína vyplatí pouze pro větší kombinované teplárny. - Palivový článek (jako alternativa k motoru)
V palivových článcích reaguje vodík a kyslík během takzvaného spalování za studena. Přitom vyrábějí elektřinu a teplo. Kombinované elektrárny s pohonem na palivové články představují relativně novou technologii, protože fungují neutrálně s CO2, šíří se stále více, zejména v nano a mikro kombinovaných elektrárnách. - Generátor
Generátor pro výrobu elektřiny může být synchronní i asynchronní. Generuje třífázový střídavý proud a je obvykle připojen k nízkonapěťovému systému budovy. Majitelé blokové tepelné elektrárny používají elektřinu sami nebo ji dodávají do veřejné sítě. V druhém případě dostávají odměnu od provozovatele sítě a další fixní příplatek podle zákona o kombinované výrobě tepla a elektřiny.
Jak funguje kombinovaná tepelná a energetická jednotka poháněná motorem.
- Výměník tepla
Úkolem výměníku tepla je přenášet teplo z výfukových plynů, chladicí vody motoru a motorového oleje na užitkovou vodu v topném okruhu. Mezi nejběžněji používané výměníky tepla patří plášťové a trubkové výměníky tepla a deskové výměníky tepla. - Řízení
Řízení umožňuje provozovatelům kombinované teplárny konfigurovat různé parametry. Mimo jiné s ním nastavíte provozní režim. Moderní kombinované teplárny lze ovládat prostřednictvím aplikace na notebooku nebo dokonce na smartphonu. - Špičkový kotel
Špičkový kotel nepatří do blokové tepelné elektrárny. V případě potřeby však provoz probíhá paralelně, aby se pokrylo špičkové zatížení ve spotřebě tepla. Dimenzování blokové tepelné elektrárny podle špičkových zatížení nemá ekonomický smysl, protože počet provozních hodin by zůstal příliš nízký. Kombinovaná teplárna, která pokrývá základní zatížení, je mnohem efektivnější. Všechny typy kotlů, jako jsou plynové a olejové kondenzační kotle, jsou vhodné jako doplněk kombinované tepelné a energetické jednotky. - Vyrovnávací skladování
Vyrovnávací skladování není v kombinované teplárně povinné, ale dává to ekonomický smysl, zejména pro soukromé spotřebitele, protože spotřeba teplé vody během dne silně kolísá. Nádoba obsahuje topnou vodu a slouží k akumulaci přebytečného tepla. Pokud systém nedokáže uspokojit požadavek během špičkového zatížení, proudí horká voda do topného okruhu. Pro jednotku kombinované výroby tepla a elektřiny s výkonem 50 kilowattů je vyrovnávací zásobník ideálně 3 000 litrů, pro nano kombinovanou jednotku tepla a elektřiny v rodinném domě obvykle stačí 1 000 litrů.
Palivo pro vytápění
V závislosti na technologii pohonu se v blokové tepelné elektrárně používají následující paliva:
- Zemní plyn, včetně kapalného plynu
- Bioplyn z farem
- Topný olej
- Rostlinný olej, jako je řepkový nebo palmový olej (pouze u některých vznětových motorů)
- Dřevěné pelety (pouze pro Stirlingovy a parní stroje)
- Dřevní štěpka / dřevoplyn (pouze pro velké kombinované teplárny)
- Černé uhlí nebo lignit
Dřevěné pelety jsou ekologickým způsobem provozování zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny.
Klasifikace tepláren podle výkonu
Následující tabulka poskytuje přehled typů kombinovaných tepelných a energetických jednotek:
|
označení |
Napájení |
použití |
technologie |
|---|---|---|---|
|
Nano |
Až kolem 2,5 |
Rodinné domy |
Stirlingův motor, parní stroj, |
|
Mikroblokové tepelné |
2,5 až 15 |
Bytové domy |
Stirlingův |
|
Mini |
15 až 50 |
Malé výrobní společnosti, |
Plynový motor, parní stroj, |
|
Kogenerační jednotky |
50 až 250 |
Velké výrobní závody, |
Plynové turbíny, naftové a |
výklad
Zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny lze navrhnout na elektřinu nebo teplo. V první variantě je rozhodující výroba elektřiny. Jelikož však systémy produkují více tepla než elektřiny a je zde nedostatek akumulace tepla, zůstává velká část tepla nevyužita. Proto je většina kombinovaných tepláren dimenzována podle potřeby tepla.
Distribuce a budoucnost kombinovaných tepláren
Většina komponentů kombinované teplárny není novým vynálezem. Stirlingův motor existuje od roku 1816. Generátory také vyrábějí elektrickou energii od druhé poloviny 19. století. Princip kombinované výroby tepla a elektřiny je také známý již dlouho. Již v roce 1902 vyráběly parní turbíny elektřinu v teplárně Beelitz-Heilstätten, zatímco pára ohřívala budovu.
Dlouhou dobu však nebylo možné tuto technologii zmenšit, takže kompaktní systémy pro soukromou výrobu energie byly užitečné. První blokové tepelné elektrárny přišly na trh v polovině 80. let. V roce 2000 vstoupila v platnost první verze zákona o kombinované výrobě elektřiny a tepla. Poprvé poskytla dotace pro vlastníky kogeneračních jednotek. Úpravy byly provedeny v letech 2009 a 2016.
V celé Evropě zaujímá Dánsko vedoucí úlohu při instalaci zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny. Již v roce 2005 pocházelo 50 procent vyrobené energie z kogeneračních jednotek.
Také v Německu se v posledních letech zvýšil počet kogeneračních jednotek pro soukromé použití. Tento typ vytápění však stále není jedním z nejběžnějších. Existují pro to většinou historické důvody. Zejména decentralizovaná výroba energie zrychlila až na přelomu tisíciletí díky zákonu o obnovitelných zdrojích energie. V souvislosti s energetickým přechodem budou pravděpodobně hrát stále důležitější roli také elektrárny na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny.
Požadavky na instalaci topení
- Pokud chcete instalovat jednotku kombinované výroby tepla a elektřiny, měla by být teplota zpátečky vašeho topného systému nižší než 70 stupňů Celsia. Pokud je vyšší, tepelný výměník již nemůže úplně odvádět teplo z motoru. V tomto případě systém funguje nehospodárně. Pokud se motor příliš zahřeje, systém se také sám vypne.
- Dalším požadavkem je připojení k místnímu plynovodu, pokud generátor pohání plynový motor. Některé blokové tepelné elektrárny však lze provozovat také na kapalný plyn.
- Při instalaci kombinované teplárny jsou zapotřebí dva další elektroměry. Zatímco první měří vyrobenou elektřinu, druhá zaznamenává podíl, který proudí do veřejné sítě. To je mimo jiné důležité, abyste od provozovatele sítě obdrželi tarif za výkup.
O další měřiče elektřiny pro vaši kombinovanou jednotku tepla a energie můžete požádat svého provozovatele sítě.
Účinnost a oblasti použití kombinované teplárny
Zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny se používají v rodinných a vícegeneračních domech, podnicích a veřejných zařízeních, jako jsou školy a bazény. Protože doba amortizace klesá s velikostí systému, jsou v mnoha nemocnicích, kancelářských budovách a školách instalovány systémy s výkonem 50 kilowattů nebo více.
V zásadě kombinovaná výroba tepla a elektřiny dosahuje vyššího stupně účinnosti než všechny ostatní typy vytápění díky kombinaci výroby tepla a elektřiny. Pokud se podíváte pouze na výrobu energie, elektrická účinnost se pohybuje mezi 25 a 40 procenty. Zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny však využívá k výrobě elektřiny pouze část energie. Datové listy a statistiky proto označují celkovou účinnost.
Kogenerační jednotky vyrábějí elektřinu mnohem efektivněji než konvenční uhelné nebo plynové elektrárny. Průměrná tepelná elektrárna dosahuje účinnosti 45 až 50 procent. 50 až 55 procent energie se ztrácí jako teplo. Další energetické ztráty ve výši 3 až 6 procent vznikají při přepravě elektřiny.
Uhelné a plynové elektrárny s kombinovanou výrobou tepla a elektřiny dosahují celkové účinnosti 86 procent a více. V dlouhých potrubích se však ztrácí 10 až 15 procent rekuperovaného tepla.
Níže uvedená grafika ukazuje, proč je kombinace výroby elektřiny a tepla tak účinná. Se 100 jednotkami energie získáte v příkladu s blokovou tepelnou elektrárnou 36 jednotek elektřiny a 51 jednotek tepla. Pro stejné množství elektřiny byste museli počítat 80 energetických jednotek s konvenční elektrárnou s účinností 45 procent. Decentralizovaný plynový topný systém s účinností 84 procent vyžaduje pro teplo dalších 60 energetických jednotek. Celkem je to 140 energetických jednotek. Díky kombinované teplárně v tomto příkladu ušetříte 40 procent energie.
Kombinovaná teplárna využívá energii optimálně s minimálními ztrátami.
Z ekologického hlediska lze blokovou tepelnou elektrárnu provozovat zcela CO2 neutrální nebo s nízkým obsahem CO2, pokud se používají paliva jako bionafta, bioplyn nebo dřevěné pelety. I při provozu na fosilní paliva je kombinovaná teplárna díky své vysoké účinnosti ekologická.
Kdy se kombinovaná jednotka na výrobu tepla a elektřiny vyplatí? Srovnání s jinými ohřívači
Pokud jde o konvenční topné systémy, jako je plynové vytápění, je účinnost kombinované tepelné a energetické jednotky na první pohled jen o málo vyšší. Moderní kotle dosahují účinnosti 90 procent a vyšší. Pokud jde pouze o vytápění, jednotky kombinované výroby tepla a elektřiny nemusí být nutně účinnější. Výhodou je, že současně vyrábějí levnou elektřinu. Majitelé šetří náklady používáním levnější elektrické energie ze sítě.
Zda se vám nákup vyplatí nebo ne, záleží na vaší spotřebě tepla a elektřiny. Kvůli vyšším pořizovacím nákladům ve srovnání s konvenčním kotlem jsou blokové tepelné elektrárny zvláště užitečné pro domácnosti a zařízení, které mají po celý rok konstantní poptávku po teple. Mikropodniková nebo minibloková tepelná elektrárna by měla být v provozu nejméně 5 000 hodin ročně, aby fungovala efektivně.
Dalšími faktory, které ovlivňují účinnost kombinované teplárny, jsou investiční náklady, technologie, aktuální ceny elektrické energie a paliv v síti a změny v dotačních programech. Pokud máte v úmyslu instalovat kombinovanou jednotku na výrobu elektřiny a tepla, doporučujeme nezávislé, profesionální poradenství. Energetický poradce s vámi vytvoří srovnávací výpočet, který zohlední všechny parametry.
Tip: Porovnejte účinnost a náklady kombinované tepelné a energetické jednotky s jinými typy vytápění v našem přehledu kompaktního vytápění.
Náklady na kombinovanou teplárnu
Náklady na jednotku kombinované výroby elektřiny a tepla se liší v závislosti na velikosti systému a instalované technologii. U nano kombinované výroby elektřiny a tepla začínají na 15 000 eur. U mikrokogenerační jednotky byste měli očekávat 20 000 až 25 000 eur. Rozhodující není jen kupní cena. Připojení k plynárenské a elektrické síti a příslušenství, jako je vyrovnávací sklad, také stojí několik tisíc eur.
Při výpočtu ziskovosti kombinované tepelné a energetické jednotky byste měli kromě investičních nákladů vzít v úvahu i náklady na údržbu. U nano a mikroblokovaných tepelných elektráren se jedná o 500 až 1 000 eur nebo 3 centy za kilowatthodinu elektřiny vyrobené za rok. Výrobci zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny často nabízejí smlouvy o úplné údržbě.
Provozní náklady kombinované teplárny závisí na palivu. S nano kombinovanou jednotkou tepla a energie na zemní plyn je spotřeba podobná spotřebě konvenčního plynového topného systému, v závislosti na vašich potřebách. K tomu se přidávají provozní náklady kotle se špičkovým zatížením.
Právní předpisy a financování
Stávající verze zákona o kombinované výrobě elektřiny a elektřiny z roku 2016 upravuje propagaci zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny. Zahrnuje jak fixní granty na instalaci, tak odměnu za elektřinu vyrobenou vytápěním.
Malé blokové tepelné elektrárny s výkonem do 20 kilowattů (elektrický výkon) dostávají od společnosti BAFA částku dotace postupně rozloženou. Například 10kilowattový systém stojí 3 400 eur. Obzvláště účinné kombinované teplárny s druhým výměníkem tepla pro spaliny pro využití výhřevnosti dostávají dalších 25 procent základní dotace. Stát odměňuje systémy s vysokou elektrickou účinností 60% základní dotace.
Spropitné:Podejte žádost o financování vaší kogenerační jednotky do 31. prosince 2020, protože tento program financování vyprší na konci roku!
Kreditanstalt für Wiederaufbau rovněž podporuje nákup zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny. S programy 271 a 281 pro velké blokové tepelné elektrárny a 270 pro malé systémy poskytuje půjčky s nízkými úrokovými sazbami a roky bez splácení, které mohou pokrýt i plné pořizovací náklady. Program 433 lze použít pro minisystémy s pohonem na palivové články. Na palivový článek je poskytována dotace až 28 200 eur.
Kromě jednorázových plateb a půjček s nízkým úrokem při nákupu poskytuje zákon o kombinované výrobě elektřiny a tepla také dotace na celou dobu provozu jednotky kombinované výroby tepla a elektřiny. Kromě odměny provozovatele sítě dostávají majitelé další bonus za elektřinu dodávanou do veřejné sítě. V závislosti na elektrickém výkonu systému se pohybuje od 8 centů za kilowatthodinu u systémů s výkonem do 50 kilowattů do 4,4 centů za kilowatthodinu u velkých zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny s výkonem přes 250 kilowattů. Grant je omezen na určité období. Pro miniblokové teplárny a elektrárny do 50 kilowattů je to 60 000 celých hodin používání.