Kapcsolt termelés III.
Külföldi tervek és tapasztalatok
2012/12. lapszám | Chiovini György | 3909 |
Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Cikksorozatunk harmadik, egyben befejező része magával a gyakorlati alkalmazással foglalkozik.
A monovalens rendszerről hasznos információkat ad az a terepi adatgyűjtés, amit Németországban végeztek családi házakban telepített kapcsolt energiatermelő berendezésekkel. A gép kéthengeres gázmotorral működik. Névleges teljesítménye: villamos 4 kW, hő 12 kW (arány 1:3). Részterhelésen is működtethető, a legkisebb értékek: 2 és 5 kW. Névleges részhatásfok-adatai kedvezők: 25% villamos és 70% hő, a veszteség mindössze 5%.
Első esettanulmány
Az egyik esetben egy 110 m²-es családi házba telepítették, 470 literes puffertartállyal. Rögzítették a különböző energetikai adatokat. Az éves értékek a következők:
- földgázfogyasztás: 16 667 kWh, 100%
- hőenergia-termelés: 11 610 kWh, 70%
- villamosenergia-termelés: 3290 kWh, 20%
- veszteség: 1767 kWh, 10%
- termelt áram és hő aránya: 1:3,53
- üzemidő: 1400 óra
- átlagos hőteljesítmény: 8,3 kW
- átlagos villamos teljesítmény: 2,4 kW
Az üzemviteli adatok részben rosszabbak a névlegesnél, de ez természetes. Szakaszos üzemben, részterhelések mellett nem érhetők el a próbatermi értékek. A 10% veszteség jónak mondható. A termelt hőenergia helyben elfogyasztásra került. A villamosenergia-termelés télen nagyobb volt a fogyasztásnál, nyáron nem fedezte azt:
- hőenergia-fogyasztás: 11 610 kWh
- villamosenergia-fogyasztás: 2800 kWh (100%)
- fogyasztás a termelésből: 1568 kWh (56%)
- fogyasztás a hálózatról: 1232 kWh (44%)
- értékesített villamos energia: 1722 kWh
A családi házakba telepített kapcsolt termelők kötve vannak az időjárásfüggő hőigényhez. Ez korlátozza a megtermelhető villamos energiát is (1. ábra). Ezzel együtt jár az is, hogy a kisebb termelés, rövidebb üzemidő, több indulás és leállás rontja a hatásfokot, növeli a veszteséget. Ennek a berendezésnek a vesztesége a téli időszakban nem érte el a 10 százalékot, viszont nyáron meghaladta a 20 százalékot is.
1.ábra
Második esettanulmány
Egy másik, ebbe az adatgyűjtésbe bevont, 140 m²-es épület, illetve kapcsolt termelés jellemzői:
- földgázfogyasztás: 33 800 kWh, 100%
- hőenergia-tennelés : 21 500 kWh, 64%
- villamosenergia-tennelés: 6660 kWh, 20%
- veszteség: 5640 kWh, 16%
- termelt áram és hő aránya: 1:3,23
- üzemidő : 2750 óra
- átlagos hőteljesítmény : 7,8 kW
- átlagos villamos teljesítmény: 2,4 kW
A veszteség rosszabb, mint az előző példában. Ennek oka az, hogy a hőtermelés vesztesége kedvezőtlenül alakult. A hőtárolóban a hőmérséklet a nem megfelelő beszabályozás miatt az optimálisnál nagyobb volt, így a gép hűtése, ezáltal a motorban keletkező hő hasznosítása elmaradt a lehetséges mértéktől.
Ennél a háztartásnál lényegesen több villamos energia fogyott. Mivel a hőenergia-igény kielégítéséhez a gépnek majdnem kétszer annyi üzemidőre volt szüksége, ezalatt több villamos energiát is tudott termelni. A nagyobb üzemidő még azt is elősegítette, hogy kedvezőbben alakult a beszerzés kiváltása. A fogyasztásnak majdnem 70 százalékát a kapcsolt termelés fedezte:
- hőenergia-fogyasztás: 21 500 kWh
- villamosenergia-fogyasztás: 5200 kWh (100%)
- fogyasztás a termelésből: 3566 kWh (69%)
- fogyasztás a hálózatról: 1634 kWh (31 %)
- értékesített villamos energia: 3094 kWh
Harmadik esettanulmány
Egy harmadik példában még kedvezőbb a villamosenergia-beszerzés kiváltása. Az éves villamosenergia-termelés 8450 kWh volt. Ebből a helyi felhasználás 4000 kWh, amihez a hálózatról 1000 kWh-t kellett vételezni. Az arány 80 és 20%. E mögött a 25 000 kWh hő előállításához szükséges magas óraszám áll. Nagy jelentősége van annak is, hogy a kis hőigényű, tehát rövid üzemidejű hónapokban a gép lehetőleg a nagy villamos fogyasztású napszakokban működjön. Ehhez megfelelő méretű hőtároló és jól kidolgozott szabályozási stratégia kell (2. ábra). Hideg időjárási körülmények mellett a hőtároló töltése és kisütése határozza meg a működést (3. ábra). Viszont a hosszabb napi üzemidő miatt a gép nagy valószínűséggel a villamos csúcsidőben is üzemben van. Az évnek csak egy igen rövid idő-szaka az, amikor az épület mértékadó fűtési hőigényét kell fedezni. Ezt leszámítva a napi üzemidő lényegesen kevesebb 24 óránál.
2. ábra
3. ábra
Stirling-motoros példák
Egy másik méréssorozat megállapításai rávilágítanak a termelés és fogyasztás összehangolásának fontosságára. A méréseket Stirling-motoros kombi berendezésekkel végezték. Névleges adatok: villamos teljesítmény 1 kW, hőteljesítmény a motorból 7 kW, segéd-gázégő 5 kW, villamos részhatásfok 12%, hő-részhatásfok 82%, veszteség 6%. Részterheléssel is üzemeltethető, és 800 literes puffertartállyal szállítják.
A kiértékelésnél jelentős eltérés mutatkozott az egyes berendezések között. A legjobb eredményt felmutatók jól megközelítették a gyártó által megadott értékeket. Más helyen viszont az üzemi adatok ennél lényegesen rosszabbak voltak. Ennek fő oka nem a kapcsolt termelő volt, hanem azok a kedvezőtlen feltételek, illetve rossz beállítások, amelyek miatt a hatékonyság elmaradt a várakozástól. A tizenegy gép átlagos hatásfoka egy év alatt 80% volt, a legjobb érték 93, a legrosszabb pedig 74%. Ennél nagyobb szórást mértek a villamos részhatásfoknál. A legjobb érték itt 8% volt, de sok gép csak 2 és 6% között teljesített.
A termelési adatok is különböztek, hiszen különböző épületeket szolgáltak ki. Két nyári hónapot nem vettek figyelembe az értékelésnél, mert a hőigény oly csekély volt, hogy a gépek szinte alig működtek. A tízhónapos időszakban mért legnagyobb érték 3009 kWh villamos energia és 31 111 kWh hő volt (áram-hő arány 1:10,3). Ez az egység érte el egyébként a legjobb részhatásfokokat is.
Decemberben napi 18 órán keresztül gyakorlatilag folyamatosan teljes terheléssel dolgozott, éjszaka viszont állt. A tizenegy gép átlagadatai ugyancsak tíz hónapra: villamos energia: 1357 kWh, hőenergia: 19 116 kWh (1:14,1). Ez üzemgazdasági szempontból nézve nem kimondottan kapcsolt termelés.
Energiamérleg
A kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés jelentőségét, előnyeit bemutató szakirodalmi ábrák adatai azt mutatják, hogy a kapcsolt termeléssel nagy tüzelőanyag-megtakarítás érhető el. A különbség az egyes források szerint 30-65%. Ez abból ered, hogy a villamosenergia-termeléssel járó hő nem veszteséggé válik, hanem hasznosul. Annál nagyobb a megtakarítás, minél nagyobb a villamos energia részaránya a hőenergiához képest. Mint ismeretes, a háztartási léptékű kapcsolt termelők nem jeleskednek e téren. Jó villamos részhatásfok inkább csak 50 kW teljesítmény körül és afelett érhető el. Emiatt a családi házak igényéhez illesztett berendezések energiamérlege elméletileg sem túl jó, a gyakorlatban még ennél is szerényebb eredmények érhetők el.
Reális összehasonlításhoz a nem kapcsolt termelésnél a mai műszaki színvonalnak megfelelő értékekkel számolunk. A figyelembe vett villamos erőművi hatásfok 35 és 48% között lehet, számolhatunk 40 százalékkal. A kazán-hatásfokra – kondenzációs technikát feltételezve – 95 százalékot vehetünk fel.
Egy távfűtésnél is használt nagy gázmotor képes 40 százalékos villamos aránnyal termelni, vesztesége nem több 8 százaléknál. Így a két termelési módra a következő adatokat kapjuk.
Kapcsolt termelés
- tüzelőanyag-felhasználása: 100 kWh
- villamosenergia-termelése: 37 kWh
- hőenergia-termelése: 55 kWh
- veszteség: 8 kWh
Ha ez kazánban és erőműben történik:
- tüzelőanyag-felhasználás: 150 kWh
- villamosenergia-termelés: 37 kWh
- hőenergia-termelés: 55 kWh
- veszteség: 58 kWh
Tehát a kapcsolt termelés 50 százalékos megtakarítást eredményez. Ennél azonban kisebb, akár sokkal kisebb a különbség azoknál a berendezéseknél, melyek üzemi eredményeit az első fejezetben találjuk.
Gázmotor
- tüzelőanyag-felhasználása: 16 667 kWh
- villamosenergia-termelése: 3290 kWh
- hőenergia-termelése: 11 610 kWh
- vesztesége: 1767 kWh
Kazán és erőmű
- tüzelőanyag-felhasználása: 20 446 kWh
- villamosenergia-termelése: 3290 kWh
- hőenergia-termelése : 11 610 kWh
- vesztesége: 5546 kWh
A kapcsolt termelés előnye 3779 kWh, százalékban kifejezve 23%. Ugyanezt a számítást a legjobb Stirling-motorra elvégezve a megtakarítás 8%. Tíz százalékos villamos részarány mellett nem jelentős az a különben veszteségbe menő hő, amit a Stirling-motor hasznosít. Ha az átlagos értékeket vesszük figyelembe, amikor a villamos részarány még kisebb, a veszteség nagyobb volt, az eredmény negatív. A kapcsolt termelés több tüzelőanyagot fogyasztott, mintha a hőt kondenzációs kazánban és az áramot erőműben állítottuk volna elő. Megfelelő berendezéssel, az alkalmazási hely körültekintő kiválasztásával, hatékony üzemeltetéssel háztartási méretben is sikeres lehet a kapcsolt termelés.
Ha azonban egy vagy több feltétel hiányzik, az egész értelmét veszti, az energiamérleg megfordul.
Gazdaságosság és megtérülés
Ha valaki úgy dönt, hogy új házában kapcsolt termeléssel oldja meg energia-ellátását, vagy meglévő épületét kívánja így korszerűsíteni, érdekelt befektetése megtérülésében. Ez sikerülhet is, ha folyó költségei kedvezően alakulnak. Vonatkozik ez elsősorban az áramszámla jelentős csökkenésére. Mindenesetre érdemes azt is mérlegelnie, hogy pénzügyi szempontból előnyösebb-e napelemet választani, és azzal kiváltani a villamosenergia-beszerzést. Bármilyen döntést is fontolgat, a kapcsolt termelés gazdaságosságát vizsgálnia kell.
A kérdésnek két oldala van. Az egyik, hogy a kapcsolt termelés önmagában milyen előnyökkel jár. De számos országban támogatás is kapható, ha valaki ezt a megoldást kívánja megvalósítani. A gázmotoros példánál ismert a termelt villamos energia megoszlása saját felhasználásra és hálózatra táplálásra. Ezt a két esetet megvizsgálhatjuk a tekintetben, hogy mennyit nyernek a kapcsolt termeléssel. Németországban a földgáztarifa 5 cent/kWh, az áramé 20 cent/kWh, és a hálózatra táplált áramért a kereskedő 5 cent/kWh-t fizet. (Az adatok természetesen nem „kőbe vésett” számok, de jelenleg reálisak.) Nézzük meg az 1. táblázatot, mielőtt továbbmegyünk! Látható, hogy megéri az áramot – legalább is részben – kapcsoltan megtermelni. A megtakarítást azonban csökkenti a gázmotor nagyobb karbantartási költsége. A tényleges kiadás függ a berendezéstől és az éves üzemórától. Még hozzávetőleges értéket is nehéz megadni, de egybevethető az energiaköltség-megtakarítással, vagyis átlagos esetben a kapcsolt termelés pénzügyi mérlegében a megtakarítás és kiadás nagyjából kiegyenlítik egymást.
Németországban az állam szorgalmazza a kapcsolt termelés bővülését, beleértve a háztartási méretűt is. Ennek érdekében többféle támogatás érhető el:
- hálózatra táplálás támogatása: 9,0 cent/kWh,
- kis teljesítményű kapcsolt termelés támogatása: 5,1 cent/kWh,
- energiaadó-elengedés: 0,5 cent/kWh.
Ezekkel jelentős javulás érhető el. Az első épületnél évi 1072, a másodiknál pedig évi 2137 euró a nyereség.
Ezek a számok majdnem egy nagyságrenddel nagyobbak, mint amit az energiaköltségek javulása okoz. Erre természetesen szükség is van, hiszen a megtakarításból kell megtérülnie a beruházásnak. Annak érdekében, hogy ez megtörténhessen, az állam még egyszeri beruházás-támogatást is ad. Ez ebben a méretkategóriában 1500 euró. Egy kapcsolt termelő beszerzése lényegesen többe kerül, mint egy gázkazáné. Három technológia verseng megrendelésekért, a gyártók más-más megközelítést alkalmaznak. Erős érv a gázmotorok mellett, hogy sok áramot termelnek. A Stirling-motort kínálók arra építenek, hogy egészen kis villamos teljesítményű gépeket fejlesztettek ki. Kaphatók monovalens üzemre tervezett berendezések, és kombi egységek külön beépített égővel vagy kazánnal. A marketingben jelen vannak értelmi, anyagi és érzelmi („zöld”) elemek. A kereskedők rendszerint csomagokat ajánlanak, az összehasonlítás nehéz. A beruházási összegben a gép ára a legnagyobb tétel, de nem több a végösszeg kétharmadánál.
A megtérülés számítását nemcsak az nehezíti, hogy a haszon bizonytalan, hanem a ráfordítást sem egyszerű két ajánlatnál összehasonlítani. Négy lehetséges eredményt kapunk aszerint, hogy milyen alapadatokkal számolunk. Legyen az éves haszon 1000 és 2000 euró, a beruházás 15 000 és 20 000 euró. Így a lehetséges változatok egyszerű megtérülési módszerrel számolva: 7,5, 10, 15 és 20 év. Nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy a gyártók 15 éves élettartammal számolnak, és közben egy nagyjavítás is esedékes. Ha valakinek sikerül egy nagyon jó ajánlatot kapnia, továbbá ha gondos tervezéssel kimutatható a várható kedvező megtakarítás, ha olyan szabályozást és tároló-gazdálkodást valósítanak meg, hogy ez a gyakorlatban vissza is igazolódik, ha a villamosenergia-beszerzés a lehető legkisebbre csökken, ha a gép karbantartása nem kerül sokba, akkor érdemes volt ezt a döntést meghoznia, a pénze elég gyorsan visszatérül. A kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés elméletileg egy gazdaságos technológia.
A gyakorlatban számtalan esetben bevált, családi házaknál azonban nem egyértelmű a fölénye. Ennek alapvető okai vannak. A fajlagos bekerülési költség a kis teljesítményeknél meredeken nő, a villamos részhatásfok pedig romlik. A hőigény időjárásfüggő, ezért az ehhez kapcsolódó, hasznot jelentő villamosenergia-termelés korlátozott. A berendezés kihasználtsága mérsékelt. Nagyobb piaca van a kapcsolt termelőknek ott, ahol a hőigény egyenletesebb. A kisebb üzemek, egyes intézmények jobb feltételeket nyújtanak az alkalmazáshoz. De a lakosságot sem kell teljesen leírni. Mindig vannak olyan megrendelők, akik nem feltétlenül a kiváló megtérülés miatt szeretnének saját házi erőművel rendelkezni.
| Kapcsolt termelés | ||||
| földgázbeszerzés | 16 667 Wh | 833 euró | 33 800 Wh | 1690 euró |
| árambeszerzés | 1232 Wh | 246 euró | 1634 kWh | 327 euró |
| áramértékesítés | 1722 Wh | 86 euró | 3094 kWh | 155 euró |
| egyenleg | 994 euró | 1862 euró | ||
| Nem kapcsolt termelés | ||||
| földgázbeszerzés | 12 221 Wh | 611 euró | 22 632 Wh | 1132 euró |
| árambeszerzés | 2800 Wh | 560 euró | 5200 kWh | 1040 euró |
| egyenleg | 1171 euró | 2172 euró | ||
| megtakarítás | 177 euró | 310 euró | ||
