Štúdia: Porovnanie spotreby palív v centralizovanom a decentralizovanom zásobovaní teplom

Na základe energetickej bilancie, počnúc konečnou spotrebou tepla, cez jeho distribúciu v tepelných rozvodoch a výrobou v zdrojoch tepla, je porovnaná spotreba zemného plynu v desiatich typoch zdrojov tepla pri centralizovanom a decentralizovanom zásobovaní teplom [1]. Zvolené číselné hodnoty vstupných veličín sú pre domové kotolne určené odborným odhadom a pre okrskovú kotolňu, výhrevňu a päť typov teplární sú uvedené zaokrúhlené hodnoty konkrétnych SCZT.

V prípade nákupu elektriny potrebnej na krytie konečnej spotreby tepla je vypočítaná prislúchajúca spotreba paliva v referenčných zdrojoch elektriny. V teplárňach je od spotreby paliva pripadajúcej na KVET odpočítaná spotreba paliva v referenčných elektrárňach, ktoré do distribučnej sústavy dodávajú rovnaké množstvo elektriny ako tepláreň.

1. Úvod 

Pri prevádzke zdrojov tepla možno porovnať

  • centralizované zásobovanie teplom (CZT) s decentralizovaným (DZT),
  • monovýrobu tepla s kombinovanou výrobou elektriny a tepla (KVET)

z hľadiska

  • spotreby primárnych zdrojov energie, t.j. energetickej efektívnosti výroby a distribúcie tepla,
  • nákladov na teplo,
  • produkcie emisií,
  • imisií v mieste konečnej spotreby tepla.

V predkladanom príspevku je uvedené porovnanie zdrojov tepla z hľadiska účinnosti výroby a distribúcie tepla, posúdená je spotreba palív v rôznych typoch zdrojov tepla. So spotrebou a druhom palív, monovýrobou tepla a KVET súvisia náklady na palivo a produkcia emisií.

2. Porovnávané zdroje tepla

Z hľadiska spotreby palív sú porovnané nasledujúce decentralizované a centralizované zdroje tepla:

  • domová kotolňa a inštalovanými:

elektrickými kotlami (K),
kondenzačnými kotlami K,
tepelnými čerpadlami (TČ) vzduch – voda,
bivalentná prevádzka,

  • okrsková kotolňa s inštalovanými nízkoteplotnými kotlami K,
  • výhrevňa s inštalovanými horúcovodnými kotlami K,
  • tepláreň s inštalovanými:

teplovodnými kotlami K a kogeneračnými jednotkami (KJ),
parnými a horúcovodnými kotlami K, protitlakovou parnou turbínou (PT) a výmenníkovou stanicou (VS),
parnými a horúcovodnými kotlami K, PT, VS a KJ,
paroplynovým cyklom (PPC),
parnými kotlami K, kondenzačnou parnou turbínou PT, VS, kondenzátorom a vzduchovými chladičmi.

Každý z týchto zdrojov tepla kryje definovanú časť Q k_spotr = 100 MWh konečnej spotreby tepla bytového domu na vykurovanie a prípravu TV.

2.1 Vstupné veličiny pre porovnanie spotreby palív v zdrojoch tepla

Pre vzájomné porovnanie spotreby palív vybraných zdrojov tepla sú definované nasledujúce vstupné veličiny:

  • časť konečnej spotreby tepla bytového domu Q k_spotr = 100 MWh,
  • podiely dodávky tepla z kotlov PQ K, TČ PQ , KJ PQ KJ, VS za K a PT PQ VS, PPC PQ PPC z celkovej dodávky tepla Q ZT na prahu zdroja,
  • účinnosť dodávky tepla z kotlov η K, TČ η , KJ η KJ, VS za PT η VS, PPC η PPC,
  • teplárenský modul KJ e KJ, PT a VS e PT, PPC e PPC,
  • účinnosť primárnych rozvodov  (P_R) η P_R , odovzdávacích staníc tepla (OST) η OST , sekundárnych rozvodov (S_R) η S_R,
  • účinnosť distribúcie elektriny v elektrizačnej sústave (ES) η ES = 0,99 a distribučnej sústave (DS) η DS = 0,94,
  • účinnosť referenčných zdrojov elektriny (ZE) η ZE SR = 0,48 a variantne η ZE KE = 0,35.

V tab. 1 sú pre domové kotolne určené priemerné ročné hodnoty vstupných veličín odborným odhadom a pre okrskovú kotolňu, výhrevňu a päť typov teplární sú uvedené zaokrúhlené hodnoty konkrétnych SCZT.

Pri dodávke tepla TČ vzduch – voda v bytových domoch s klasickým teplovodným vykurovacím systémom a rozvodmi TV sa uvažuje s hodnotou sezónnej účinnosti SCOP = η  = 2,50 [2]. TČ pracujúce v bivalentnom režime prevádzky zabezpečia 95 % konečnej spotreby tepla a 5 % dodá zabudovaný alebo dodatočný elektrický ohrievač.

V mnohých SCZT sú v bytových domoch inštalované kompaktné odovzdávacie stanice tepla, preto je v niektorých prípadoch uvažovaná účinnosť S_R η S_R v rozmedzí od 0,96 do 1,00.

Vypočítaná účinnosť prevádzkovaných ZE v SR je na základe bilancií výroby v roku 2015 [3] a podľa odborného odhadu autorov η ZE SR = 0,48. Elektrina, ktorú by do distribučnej sústavy nedodali teplárne, dodali by kondenzačné tepelné elektrárne. Vo variantných výpočtoch sa uvažuje priemerná ročná termická účinnosť kondenzačných elektrární η ZE KE = 0,35.

Tab. 1 Vstupné veličiny pre porovnanie spotreby palív v zdrojoch tepla

2.2 Vypočítané veličiny pre porovnanie spotreby palív v zdrojoch tepla

Z hodnôt vstupných veličín sú podľa nasledujúcich vzťahov vypočítané charakteristické údaje, ktoré slúžia pre porovnanie spotreby zemného plynu ZP vo vybraných zdrojoch tepla:


3. Výsledky výpočtov porovnania spotreby palív v zdrojoch tepla

Pre definovanú časť Qk_spotr= 100 MWh konečnej spotreby tepla bytového domu na vykurovanie a prípravu TV sú výsledky výpočtov redukovanej spotreby ZP v desiatich typoch zdrojov tepla uvedené v tab. 2 a znázornené na obr. 1 a obr. 2. Z porovnania ZT v závislosti od redukovanej spotreby ZP vyplýva:

Z decentralizovaných ZT je najvýhodnejšia domová kotolňa s inštalovanými kondenzačnými kotlami, v ktorej je redukovaná spotreba tepla v palive Q pal ZT reduk SR = Q pal ZT reduk KE =102 MWh a redukovaná spotreba ZP M ZP SR = M ZP KE= 10 444 m3. Redukovaná spotreba tepla v palive ZT pri použití TČ je závislá od SCOP a termickej účinnosti referenčných ZE, pričom pre uvažované zadanie je Q pal ZT reduk SR = 96 MWh, resp. Q pal ZT reduk KE = 132 MWh. Elektrické kotly je vhodné použiť iba v zdôvodnených prípadoch.

V okrskovej kotolni a výhrevni je redukovaná spotreba tepla v palive 113 MWh, resp. 116 MWh a redukovaná spotreba ZP 11 584 m3, resp. 11 887 m3. Z týchto hľadísk je v dôsledku nižšej účinnosti ZT a tepelných strát v rozvodoch zásobovanie teplom z okrskových kotolní a výhrevní menej výhodné ako z domových kotolní.

V závislosti od redukovanej spotreby tepla v palive a redukovanej spotreba ZP sú vďaka KVET porovnávané typy teplární aj napriek nižšej termickej účinnosti a tepelným stratám pri distribúcii tepla konečným spotrebiteľom výhodnejšie ako domové kotolne.

Redukovaná spotreba tepla v palive Q pal ZT reduk SR sa pohybuje od 24 MWh (PPC) do 108 MWh (parné kotly, kondenzačná PT, VS, kondenzátor, vzduchový chladič) a redukovaná spotreba ZP M ZP SR od 2 435 m3 do 11 087 m3. Ak referenčnými elektrárňami sú kondenzačné elektrárne, redukovaná spotreba tepla v palive Q pal ZT reduk KE sa pohybuje od - 104 MWh (PPC) do 76 MWh (parné a horúcovodné kotly, protitlaková PT, VS) a redukovaná spotreba ZP M ZP KE od  - 10 673 m3 do 7 806 m3. Pozoruhodné je, že v teplárni s inštalovaným PPC v prípade nižších hodnôt termickej účinnosti referenčných ZE môžu redukovaná spotreba tepla v palive a redukovaná spotreba ZP dosahovať záporné hodnoty. Hodnoty týchto veličín sa znižujú predovšetkým v závislosti od teplárenského modulu e strojov a zariadení KVET inštalovaných v teplárni.

Tab. 2 Výsledky výpočtov porovnania spotreby palív v zdrojoch tepla

4. Záver

Z porovnania redukovanej spotreby paliva v zdrojoch tepla vyplýva, že teplárne aj napriek nižšej termickej účinnosti a tepelným stratám vznikajúcim pri distribúcii tepla konečným spotrebiteľom sú vďaka KVET výhodnejšie ako domové kotolne. Imisie v miestach konečnej spotreby tepla sú z centralizovaných zdrojov tepla v prevažnej väčšine prípadov nižšie ako z decentralizovaných zdrojov tepla.

Cena tepla je okrem spotreby palív ovplyvnená rozhodnutiami

  • účastníkov trhu s teplom – napr. cena ZP podľa taríf, cena elektriny na burze, spôsob delenia nákladov na elektrinu a teplo pri KVET,
  • politickými rozhodnutiami – napr. štruktúra ceny tepla pri DZT a CZT, ceny elektriny pri vysoko účinnej KVET, odpisy, zisk, DPH.

Obr. 1 Redukovaná spotreba tepla v palive v zdrojoch tepla variantov DZT a CZT

Obr. 2 Redukovaná spotreba zemného plynu v zdrojoch tepla variantov DZT a CZT

Autori štúdie:

prof. Ing. František Urban, CSc.
Ing. Jozef Bereznai, PhD.
Ing. Zdenko Závodný

Strojnícka fakulta STU v Bratislave
Ústav energetických strojov a zariadení

Štúdia publikujeme so súhlasom. Uverejnená bola v zborníku Vykurovanie 2017. Tvoria ho prednášky z 25. medzinárodnej vedecko-odbornej konferencie na tému Zásobovanie teplom - celospoločenský fenomén. Podbanské, SR, 6. - 10. 3. 2017. 1. vydanie Bratislava : SSTP, 2017. ISBN 978-80-89878-06-2.

Literatúra:

[1] Urban, F. – Fodor, P.: Optimalizácia zdrojov tepla v tepelných sústavách. 1. vyd. Bratislava VERT 2015. 127 s., 70 obr., 40 tab. ISBN 978-80-970957-8-9.

[2] Havelský, V.: Ekonomické a ekologické hodnotenie zdrojov tepla v bytových domoch. In TZB Haustechnik. Roč. 24, č. 2 (2016). ISSN 1210-356X.

[3] https://www.sepsas.sk/Dokumenty/RocenkySed/ROCENKA_SED_2015.pdf

[4] Jandačka, J. – Malcho, M. – Holubčík, M.: Vplyv prevádzkovania kogeneračných jedno-tiek na účinné centrálne zásobovanie teplom. In: Vykurovanie 2015 : 2.-6. marec 2015, Stará Ľubovňa. - Bratislava: SSTP, [2015]. - ISBN 978-80-89216-70-3. - s. 149-153.

[5] Holubčík, M. – Jandačka, J. – Nosek, R.: Zmena tepelnotechnických parametrov zdroja tepla na spaľovanie biomasy v závislosti od vlhkosti. In: Vykurovanie 2015: 2.-6. marec 2015, Stará Ľubovňa. - Bratislava: SSTP, [2015]. - ISBN 978-80-89216-70-3. - s. 227-230.

© energia.sk

Komunikační partneri

Odborní partneri