Kapcsolt termelés háztartási méretben II. Külföldi tervek és tapasztalatok
2013/4. lapszám | Chiovini György | 2959 |
Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A kapcsolt áram- és hőtermelés közismert előnye, hogy a két termék együttes előállítása kevesebb tüzelőanyaggal történik, mint ha azt két külön folyamatban végeznénk. Más megfogalmazásban a nem kapcsoltan termelt áram előállításánál veszteségbe menő hő hasznosul, így lesz ez a technológia gazdaságosabb. Vagyis a hőhasznosítás a kapcsolt termelés kulcsa.
De ez azt is jelenti, hogy a hőhasznosítás nem lehetőség, hanem gazdasági kényszer. Ha a kapcsolt termelés úgy történik, hogy a közben keletkező hő végül hasznosítatlan marad, az előny megszűnik. Kapcsolt termelő üzemeltetése ott és akkor indokolt, ahol és amikor egyidejűleg mindkét termékre valós igény van.
Lakóépületeinkre igaz, hogy áramot is használunk, fűtésre és használativíz-melegítésre hőenergiára is szükség van. A villamosener-gia-igény gyakorlatilag folyamatos, azonban ingadozó. Az egyes háztartások között nagy különbségek vannak, de néhány villamos fogyasztó berendezés mindig működik. Ez az alapterhelés azonban szinte sehol sem nagyobb néhány száz wattnál. A csúcs ennek tíz-hússzorosa. Kapcsolt termelésnél a megoldás kézenfekvő: teljesítményfeleslegnél hálózatra táplálás, -hiánynál vételezés onnan (1. ábra).
Hőenergiára alapvetően a fűtéshez és a használati meleg víz előállításához van szükség. Villamos energiára egész évben szükség van, a fűtés azonban időjárás-, azaz évszakfüggő. A fűtési hőigény napi ingadozása viszont lényegesen kisebb a villamos igény napi ingadozásához képest. A HMV hőigénye hasonló a villamos igényhez: az egyes hónapok között nincs nagy eltérés, de egy napon belül nagy az ingadozás. Olyan hálózati kapcsolat, mint az áramnál, nincsen. A megtermelt hőt helyben kell elfogyasztani, a hiány külső forrásból nem pótolható, ellenben a megtermelt hő helyben gazdaságosabban tárolható. A háztartási méretű kapcsolt termelők elengedhetetlen tartozéka egy hőtároló (puffertartály). Családi háznál a mérettartomány: 300-1000 liter.
Méretezés monovalens rendszer
Akár meglévő épületről, akár új építésről van szó, dönteni kell a telepítendő kapcsolt termelő teljesítményéről. Tervezhetünk monovalens vagy bivalens rendszert. Monovalens rendszernél a kapcsolt termelő hőteljesítményének fedeznie kell a teljes hőenergia-igényt (fűtés + HMV). A számításba jövő termékek névleges hőteljesítményének ezzel azonosnak vagy ennél nagyobbnak kell lenni.
Hőkörfolyamat alapú kapcsolt termelésnél a gépben keletkező hő arányos a generátorban termelt villamos energiával. Vannak olyan berendezések, melyek csak a névleges teljesítménnyel járathatók. Itt a hő- és villamos teljesítmény aránya egy adott érték. Gyártanak részterheléssel is üzemeltethető egységeket is. Részterhelésen a hatásfok valamelyest csökken, a villamos hatásfok romlása a jelentősebb. A két érték aránya azonban itt is közel állandó. Nincs szükség, illetve lehetőség külön a villamos teljesítmény meghatározására, az egyik meghatározza a másikat. A hő- és villamos teljesítmény arányában azonban nagy különbség van attól függően, hogy mi hajtja meg a generátort (2. ábra). Egységnyi tüzelőanyagból a gázmotoros gépek állítják elő a legtöbb villamos energiát. A Stirling- és gőzmotoros gépeknél a villamos energia részaránya kisebb. (Az üzemanyagcellás technológia monovalens üzemre nem alkalmas.)
Míg monovalens rendszerben nem lehet a mértékadó hőteljesítmény alá tervezni, villamos oldalon nem okoz problémát, ha a kapcsolt termelőnk teljesítménye kisebb a fogyasztási csúcsnál. A különbség a hálózatról pótolható. Ez azt jelenti, hogy nem szükségszerű gázmotoros gépet választani annak jobb villamos jellemzői miatt.
Az eredendően jó, ha sok áramot tudunk termelni, hiszen végül is a kapcsolt termelés éppen ezáltal lehet kedvezőbb a gázkazános hőellátáshoz képest. Mégsem egyértelmű, hogy mindig a gázmotoros megoldás a legjobb. Pénzügyi szempontból nagy különbség van ugyanis aközött, hogy a termelt áramot helyben fel tudjuk-e használni, és ezzel a beszerzést váltjuk ki, vagy hálózatra kerül. Németországban a háztartási méretű kapcsolt termelésből származó villamos energiáért viszonylag szerény összeget, átlagosan 5 ct/kWh-t fizet a kereskedő. Ezzel szemben a lakosság kb. 20 ct/kWh-ért vásárolja az áramot. Ez egyébként így indokolt is, hiszen a háztartások a hálózatot főleg csúcsidőszakban terhelik, és főleg völgyidőszakban táplálnak fel oda. Sokkal jobban megéri tehát a hálózatról vételezendő áramot saját termeléssel kiváltani, mint értékesítésre termelni.
A háztartások napi terhelési diagramja a legtöbb esetben két jellegzetes részre oszlik. Van egy alapterhelés, és ehhez adódik néhány jellegzetes nagy teljesítményű fogyasztó időszakos működéséből származó csúcsterhelés (3. ábra). Az alapterheléses időszakok sokkal hosszabbak, mint a csúcsterheléses időszakok. Ebből következik, hogy a fogyasztás döntő része kis teljesítmény mellett történik. Kisebb az a hányad, ami a nagy teljesítményhez köthető. Az alapterhelés a legtöbb háztartásánál annyira kicsi, hogy egy 1 kW-os villamos teljesítményű gép is elégséges. Ez tükröződik is abban, hogy a piacon sok gép található 1 kW-os villamos teljesítménnyel. Ezek között vannak még ennél kisebb részterheléssel is járatható típusok is. Egy 1 kW-os gép a legtöbb háztartásban képes az alapterhelést fedezni. Ha a gép ennél nagyobb teljesítményű, több áramot termel, de nem vált ki lényegesen több beszerzést. A villamos fogyasztási csúcsok rövid ideig tartanak, a nagyobb teljesítmény előnye csak e rövid időszakokban érvényesül. Ott, ahol az átlagostól eltérő a villamosenergia-fogyasztás, ajánlott részletes felmérést és elemzést végezni. Ilyen esetben érdemes ehhez az igényhez illesztett, nagyobb berendezést választani.
Az alapterhelés tényleges kiváltásának azonban feltétele, hogy a gép működjön is. Tehát legyen valós hőigény. Ez télen többé-kevésbé teljesül. Átmeneti időjárásnál és főleg nyáron a csekély hőigény a villamosenergia-termelés korlátja. Ebből a szempontból előnyös egyrészt az, ha részterheléses üzem is lehetséges, így az üzemidő megnyújtható. Másrészt több árambeszerzés váltható ki, ha a szakaszos működés a nagyobb villamos fogyasztású időszakokra időzíthető. A tapasztalat azt mutatja, hogy sokat javít vagy ront a gazdaságosságon a működtető szoftver. A jó szoftver figyelembe veszi mind a hőigény, mind a villamosenergia-igény napszakos változását, és jól gazdálkodik a hőtárolóval. A gépek szerkezeti kialakításának tökéletesítése mellett ezért a gyártók nagy figyelmet szentelnek a szoftverek fejlesztésére. Egy további szempont a gép dinamikus tulajdonsága. Üzemszünet utáni induláskor más dinamikával nő a hő-, és más dinamikával a villamos teljesítmény. Különbség van a veszteség alakulásában ebben a tranziens szakaszban. Egy gép dinamikus jellemzői befolyásolják a puffertartály méretét, költségét, veszteségét.
Összefoglalva, monovalens rendszernél a ház hőigényét fedező teljesítményhez eléggé eltérő villamos teljesítmény tartozik, attól függően, hogy gáz-, Stirling- vagy gőzmotoros gépről van-e szó. Egy részletesebb vizsgálattal lehet eldönteni, hogy a nagyobb villamos részhatásfokú, a háztartás alapterheléséhez képest nagy villamos teljesítményű gázmotoros megoldás-e az optimális, vagy célszerűbb Stirling- vagy gőzmotoros gépet választani, amelyik kisebb villamos hozamra képes, de a beszerzés kiváltásában nem marad el számottevő mértékben. Természetesen a gép- típus-választást egyéb szempontok is befolyásolják: ár, karbantartási igény, referenciák stb.
Méretezés bivalens rendszer
A monovalens rendszer sajátossága, hogy meghibásodás esetén kiesik a teljes hőtermelő képesség. Ez is indíték lehet bivalens rendszer választására. De gazdasági érvek is szólhatnak mellette. Jobb lesz a gép kihasználása, gyorsabb a megtérülés. Bivalens rendszer méretezésénél a villamosenergia-igényből indulunk ki. Ehhez választunk egy alkalmas villamos teljesítményű gépet. Erre a helyzetre is igaz, hogy a villamos fogyasztás alapterheléséhez célszerű igazodni. Ha a kiszemelt gép hőteljesítménye viszont nem elég a mértékadó hőszükséglet fedezéséhez, akkor kiegészítő hőtermelőre van szükség. A fejlesztők elébe mentek ennek az igénynek, és beszerezhetők kombi berendezések. Egy burkolat alá beépítenek egy kapcsolt termelőt és egy külön égőt vagy kazánt (1. táblázat). Az adatok azt mutatják, hogy egy viszonylag nagy fűtési hőigényű épületbe is telepíthetők ezek a berendezések. Meglévő épület korszerűsítésénél természetesen megtartható a jó állapotú gázkazán. De egyébként új létesítésnél sem kell ragaszkodni kombi berendezéshez.
Meghatározó a kapcsolt termelő hőteljesítményének (P1) aránya a teljes hőteljesítményhez (P1+P2) képest (4. ábra). Villamosenergia-termelés csak a kapcsolt termelővel fedezett fogyasztáshoz tartozik. Az arányok helyes megválasztásánál figyelembe kell venni az éves villamos és hőenergiafogyasztás mennyiségét és arányát. Több cég is gyárt 1 kW-os villamos teljesítményű gépeket, melyek hőteljesítménye 3 és 8 kW között van, típusonként eltérően. Ha például egy 5 kW-os egységet veszünk alapul, és a teljes hőigény 12 kW, akkor ezzel a kb. 40 százalékos teljesítményaránnyal az éves hőfogyasztás kb. 70 százaléka kapcsolt termelésből fedezhető.
Két másik koncepció
A háztartási léptékű kapcsolt termelő az áramot drágán veszi és olcsón adja. Ez érthető, mert elsősorban a csúcsidőszakban vételez, és a völgyidőszakban táplál a hálózatra. Egy másik koncepció éppen arra épül, hogy a családi házak alkalmasak lehetnek csúcserőműnek. Lényege, hogy éppen akkor táplálnak a hálózatra, amikor a legnagyobb a villamosenergia-rendszer terhelése. De mivel kapcsolt termelésről van szó, a hő hasznosítását is meg kell oldani. A hő azonban egyszerűbben tárolható, mint a villamos energia.
Németországban egy igen ambiciózus tervet készítettek ennek az elgondolásnak a megvalósítására. 2000 MW kapacitást akarnak így kiépíteni, ami mintegy százezer kis kapcsolt termelő telepítését igényli. Az ügyféllel szerződést kötnek. Vállalja, hogy a házban egy gázmotoros egységet helyeznek el, némi bérleti díj ellenében (fotó 6. o.). A hő átvételére az ügyfél kötelezettséget vállal. Csak azok az épületek jönnek számításba, amelyek éves hőfogyasztása legalább 40 000 kWh (4000 m³ földgáz). Az ügyfél hődíjat fizet, ez valamivel több, mint a földgáz ára, egyéb kiadása a hőfogyasztás után nincsen. A ténylegesen fizetendő összeg azonban kisebb, mert az áramért egy névleges térítés jár. Összességében tehát nagyjából ott van, mint ha földgázzal fűtene és vizet melegítene. Ugyanakkor a szokásos járulékos költségek (amortizáció, karbantartás, kémény stb.) nem merülnek fel. A vállalkozó évi kb. 24 000 kWh áramra számít, amit kedvező feltételekkel tud értékesíteni. A befektetése abból térül meg, hogy a hőeladás hozzávetőlegesen nullszaldós, viszont az áramért többet kap, mint az előállítása költsége, beleértve az állandó költségeket is. Kockázatot a földgáz- és az áramdíjak hosszabb távú alakulása okoz. A koncepció mögött a telepítendő kapcsolt gázmotoros termelő berendezések gyártója áll.
Szerepe lehet a háztartási méretű kapcsolt termelésnek az időjárásfüggő villamosenergia-termelés kiegyensúlyozásában. Egy nagy német energiaszolgáltató cég erre alapozza koncepcióját. A lakóházakban telepített egységek működését központilag vezérlik. Amikor gyenge a szél vagy felhők zavarják a napelemek termelését, indulnak a házi erőművek. A háztartás hőigé- nyének kielégítését természetesen figyelembe veszik. Része még a koncepciónak hőszivattyúk telepítése is. Ezek viszont a szél- és napenergiacsúcsok idején lépnek be villamos fogyasztóként. (Folytatjuk)
1. táblázat Az adatok azt mutatják, hogy egy viszonylag nagy fűtési hőigényű épületbe is telepíthetők ezek a berendezések. Meglévő épület korszerűsítésénél természetesen megtartható a jó állapotú gázkazán. De egyébként új létesítésnél sem kell ragaszkodni kombi berendezéshez.
