Pojmem kogenerace byl dosud znám hlavně z „velké“ energetiky – jde o kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v klasických elektrárnách, centrálních kotelnách a spalovnách odpadu. V poslední době se ale na trhu začaly objevovat i kogenerační jednotky malých výkonů, vhodné k připojení na domovní kotle na pevná paliva – v moderním provedení například automatické kotle na pelety. Pro tyto kogenerační jednotky o tepelném výkonu zhruba do 50 kW se užívá pojem mikrokogenerace. Pokud je do systému vložena i výroba chladu (chlazení), jde o trigeneraci.
Elektřina plus teplo
Při běžné výrobě elektřiny se nejprve spálením paliva vyrobí teplo, to se částečně využije k výrobě elektrické energie a zbytek se vypustí do okolí. Kogenerační jednotka však toto „odpadní“ teplo znovu využije k vytápění a zvyšuje tak celkovou účinnost výroby energie. Tím se šetří palivo i finanční prostředky, potřebné na jeho nákup.
Aby bylo možné odpadní teplo z výroby elektřiny tímto způsobem využívat opravdu efektivně, je potřeba instalovat kogenerační jednotku o výkonu, jež odpovídá potřebám objektu, kde se veškerá vyrobená elektřina i teplo, respektive chlad spotřebovává. Ve správně navrženém systému kogenerace, případně trigenerace, nesmí být kogenerační jednotka u zdroje předimenzována ani poddimenzována.
Mikrokogenerační jednotky
Mikrokogenerační jednotky jsou určeny zejména do větších rodinných domů, bytových domů a malých provozoven. Hlavním produktem jednotky je teplo, vedlejším elektřina: tepelný výkon bývá obvykle do 50 kWte, elektrický do 30 kWel.
Prakticky jde o úsporný zdroj tepla k vytápění a k ohřevu užitkové vody, při kterém se současně vyrábí elektrická energie přednostně pro vlastní spotřebu. Domácnosti (nebo menší firmy) mohou tímto způsobem významně snížit množství nakupované elektřiny ze sítě. A pokud majitel svůj dům, byt, provozovnu či kanceláře pronajímá, může se takto vyrobená elektrická energie stát dalším zdrojem příjmů.
Zdrojem tepla v běžné kogenerační jednotce (například v bioplynové stanici) je motor na kapalná či plynná paliva, elektřina se pak vyrábí v alternátoru. Podmínkou pro využití potenciálu úspor v domácnosti je však co největší vytížení jednotky během roku. Tento požadavek nejlépe zajistí Stirlingův motor.
Konstrukce Stirlingova motoru (přeměňuje teplo na elektřinu).
Stirlingův motor
Při hledání levnějších variant mikrokogenerace a nižších nákladů na provoz se v poslední době objevují systémy s použitím automatických zdrojů tepla i s nižším výkonem a na levnější druh paliva, například kotlů na biomasu. Na trhu se tak začaly objevovat zatím investičně poměrně náročné, ale plně funkční kompakty, spojující moderní, úsporné kondenzační plynové kotle nebo automatické kotle na pelety právě se Stirlingovým motorem.
Stirlingův motor je poháněn teplem ze spalin kotle. Pracovní plyn (dusík, helium), uzavřený v motoru, se při zahřátí odcházejícími spalinami rozpíná, tlačí na píst a vyvolává přes klikovou hřídel otáčivý pohyb. Prostřednictvím generátoru je tímto pohybem získáván elektrický proud. V zásadě tedy jde o přeměnu tepelné energie na kinetickou a kinetické energie na elektrickou. Na podobném principu pracuje také plynový Ottův motor, který ale vyžaduje větší provozní údržbu, takže se v praxi příliš neuplatil.
Pro větší spotřeby
Je třeba ale mít na paměti, že mikrokogenerace pro vytápění domů a bytů má smysl jen při větších potřebách tepla, tedy například ve větších rodinných či menších bytových domech. Zatím největší efekt má při rekonstrukci otopných soustav v objektech, jež z různých důvodů nelze dobře zateplit (historické budovy, složité fasády, velké podíly prosklených ploch apod.), nebo v objektech, kde nechceme instalovat otopnou soustavu s nižším teplotním spádem, což představuje základní požadavek například pro využití solárních systémů a tepelných čerpadel. Jednotka je samozřejmě vhodná i pro novostavby s vysokoteplotními otopnými systémy (vytápí se přidružený bazén apod.). Mikrokogenerace naopak není vhodná pro malé nízkoenergetické domy, kde její potenciál zpravidla nebude efektivně využit.
Kogenerační jednotky v bioplynových stanicích mají výkon ve stovkách kilowatů.
Extra tip: Kompaktní jednota
Příkladem mikrokogenerace je kompaktní jednotka s integrovaným plynový kotlem o výkonu 6 až 20 kWte, elektrickým výkonem 1 kWel a tepelným výkonem 6 kWte. Je určena pro modernizaci energetických systémů ve větších rodinných domech a v bytových domech.
Podmínkou využití potenciálu jednotky je vytížení po celý rok, proto se musí dimenzovat tak, aby pokryla co nejvíce potřebu tepla, což zajišťuje zabudovaný Stirlingův motor, poháněný plynem. Odpadní teplo motoru vystačí k tomu, aby téměř úplně převzalo vytápění obytných prostor a přípravu teplé vody. Pouze v chladných dnech a pro rychlou přípravu teplé vody se automaticky zapne integrovaný plynový kondenzační kotel.
Elektrická energie, vyrobená pomocí Stirlingova motoru, se využije především v domě, čímž se snižuje odběr elektřiny. Vyrobí-li jednotka více elektřiny, může se část odvést do sítě za výhodnou výkupní cenu. Díky tomu se investice vrátí již po několika letech.
Kompaktní systém mikrokogenerace se Stirligovým motorem a plynovým kotlem.
Příklad: Změna zdroje tepla
Pro příklad lze uvést parametry pro náhradu původního plynového kotle mikrokogenerační jednotkou s elektrickým výkonem 1 kWel a tepelným výkonem 6 kWte, s integrovaným plynovým kotlem o výkonu 6 až 20 kWte , v rekonstruovaném rodinném domě s roční průměrnou potřebou tepla 24 kW/m2: Investice je asi 300 tisíc Kč (z toho asi 100 tisíc Kč za technologie, které by se musely vyměnit v každém případě). Roční úspora nákladů na energie je asi 24 tisíc Kč (při sazbě DO2 a cenách elektřiny roku 2012); návratnost tedy vychází do deseti let. Další výhodou je bezúdržbová technologie a možnost zachovat otopný systém téměř v původním stavu.
Výhody kogenerace
Jednou z hlavních výhod kogenerační výroby elektřiny a tepla v globálním měřítku je minimalizace nákladů na rozvod energie, jelikož teplo i elektřina vznikají najednou a v místě své spotřeby. Současně se redukují ztráty v rozvodných sítích. Dále se ušetří asi 40 % například fosilního paliva oproti běžným výrobnám elektřiny. Z ekologického hlediska tedy tento systém zatěžuje méně životní prostředí. Navíc je v případě nouze možno kogenerační jednotky využít jako záložní zdroje, nezávislé na výpadcích sítě.
V kogenerační jednotce je možné (po připojení absorpčního výměníku) též vyrábět chlad (trigenerace). Toto spojení je z pohledu ekonomiky provozu rovněž výhodné: cílem je totiž maximální roční využití jednotky a v letních měsících místo tak nepotřebného tepla vyrábíme chlad, nejčastěji pro klimatizaci budov.
Připravil Radek Sýkora
Foto archiv firem Viessmann, CNE Trade, Suznmachine a Schnell
