Kotel na biomasu s výrobou elektřiny

Štafeta je od roku 2013 na Laboratoři organických Rankinových cyklů a jejich aplikací (LORCA) na UCEEB, kde je od roku 2016 testován prototyp kotle, který kromě tepla produkuje elektřinu. Jeho technický popis a informace o celém projektu byly publikovány v čísle 08/2016 časopisu Stavebnictví.

Na podzim 2018 bylo dodáno pilotní komerční zařízení a v současné době se připravuje výroba první série. Na řešení jsou do ukončení příjmu žádostí v březnu 2020 k dispozici až 80% dotace s potenciální dobou realizace projektů i v roce 2022. Kůrovcová kalamita navíc vede k značnému přebytku dřevní biomasy.

Ekonomické aspekty investic do obnovitelné energie

Energie jsou obecně ve firmách i obcích „mnohovrstevným“ problémem, ekonomické hodnocení v praxi bohužel spíše reflektuje nastavení jeho okrajových podmínek než reálnou smysluplnost prováděných opatření. V poradenské praxi se pak poměrně často setkáváme se situacemi, kdy investor nerealizuje doporučená opatření, která podle standardních ekonomických hodnocení vykazují optimální ekonomický přínos. Rozhodování o investicích totiž mohou ovlivnit zejména tyto faktory:

■ Plán budoucího rozvoje podnikání investora (např. minimalizace investic do aktiv, která jsou určena k prodeji).
■ Stavy dodávek energie, dostupnost a cena paliv v konkrétním místě a čase, kapacita a typ připojení k elektrické síti.
■ Podíl energetických nákladů na celkových provozních nákladech investora (investor vnímá náklady na energie jako nepodstatné, minimalizuje investice bez ohledu na budoucí provozní náklady zvolených řešení).
■ Dostupné finanční prostředky odrážející jejich zdroje (dostupnost a ochota investovat vlastní prostředky do zvyšování vlastních aktiv nebo nutnost investice plně úvěrovat).
■ Maximální výše investice, kterou je investor ochoten zaplatit bez ohledu na provozní efektivitu teoreticky optimální investice.
■ Charakter rozhodovacího činitele, jeho averze k riziku a důvěra v řešení či dodavatele řešení („Vždy se to tak dělalo. Nikdy se to tak nedělalo. Nikdo z konkurence to nemá. Všichni konkurenti mají něco jiného.")
■ Vnímané problémy (investorem řešené problémy nemusí nutně odrážet skutečné problémy).
■ Prostorová omezení pro instalaci nových technologií, legislativní omezení při umísťování nových staveb, ochrana životního prostředí atd.

Investor by měl s ohledem na mechanismus plnění svého cash-flow zvážit otázku, kam putují peníze. V obecném pohledu lze konstatovat, že u investic s nízkými investičními náklady obvykle odcházejí od investora prostřednictvím vysokých provozních nákladů k dodavatelům energií. U investic s vyššími investičními náklady, tedy obvykle do obnovitelných zdrojů energie, pak v provozních nákladech „odtéká“   i významně méně a investice v optimálním případě zvyšují hodnotu majetku investora.

Například v článku [1] bylo ukázáno ekonomické porovnání čtyř variant investic do modernizace modelového energetického systému využívajícího hnědé uhlí. Jako varianty byly uvažovány kotel   na zemní plyn, kotel na biomasu, kogenerační jednotka na zemní plyn a kogenerační systém na biomasu. Bylo ukázáno, že typické srovnání založené na diskontovaných peněžních tocích nemusí být samo o sobě přímým podkladem pro rozhodování investora. Při určité volbě diskontní míry, kterou může investor zvažovat pouze intuitivně, nevolí investoři nákladnější investice do kogeneračních systémů, protože diskontované ekonomické hodnocení zvažovaných variant ukazuje v době porovnání na srovnatelné výsledky všech variant. V takovém případě investor obvykle volí variantu s nejnižšími investičními náklady (CAPEX), tj. kotle na zemní plyn.

Objevují se však i investoři uvažující zcela jiným způsobem. Investor například zvažuje variantu kogenerace na biomasu oproti referenčnímu scénáři, kterým je kotel na biomasu. Investice do kogenerace bude vyšší například o 1,0 mil. Kč, rozdíl v ročních provozních nákladech bude např. 125 tis. Kč ve prospěch varianty s kogenerací díky výrobě elektřiny. Investor předpokládá životnost obou variant patnáct let a uvažuje tak, že vynaložení extra nákladů z vlastních prostředků mu generuje provozní úspory, které vnímá jako výnosy. Výnosy jsou pak z jeho pohledu „zhodnocením peněz“ na úrovni 125/1000 = 12,5 %. Tuto hodnotu následně porovná s jinými jemu dostupnými variantami využití kapitálu na stejnou dobu a dospívá k názoru, že investicí dojde k navýšení vlastních, jím přímo kontrolovatelných a ovlivnitelných aktiv a také se minimalizuje riziko ztráty v jiných investičních příležitostech (akciové, finanční a jiné trhy). Takový investor si tedy vybere variantu s kogenerací na biomasu.

Investor, což platí zejména u obcí, by tedy neměl provádět pouze zjednodušené hodnocení ekonomiky investic do obnovitelných zdrojů energie na základě prosté návratnosti s tím, že se využijí aktuální ceny energií a technologií, protože ta je vystavena velkému nebezpečí nezohlednění důležitých efektů, které na jeho hospodaření investice mají. Je dobré vyhodnocovat náklady a přínosy (nejen výnosy) v širším slova smyslu (tzv. cost-benefit analysis, CBA) se zahrnutím nejen finančních, ale i nefinančních aspektů projektu ve střednědobém horizontu. Hledat například odpověď na otázku, zda   a kolik jsme ochotni či schopni zaplatit za energetickou nezávislost nebo bezpečnost, kterou s sebou může využití obnovitelných zdrojů přinést. Jakou hodnotu má schopnost hasičského sboru zasáhnout díky vlastním energetickým zdrojům i v situacích, kdy je obec bez elektřiny?

Primárně by investiční projekty do energetiky měly být smysluplné, tedy zapadat do logického rámce fungování obce či podniku. Dobré ekonomické hodnocení s vyčíslením hotovostních toků je pak uka- zatelem, jak se realizace investice projeví v té které části rozpočtu. Ideálním je pak zpracování zmíněné CBA s hodnocením širších vazeb projektu na organismus podniku či obce.

Odborný zpracovatel vyhodnocení může například investora-obec upozornit na skutečnost, že zatímco náklady na zemní plyn odcházejí ve formě plateb mimo, biomasa může být produkována například technickými službami zřízenými obcí a může mít pozitivní vliv na jejich ekonomiku (a např. „dofinancovávat“ deficitní sběr a třídění odpadů). Partnerem takového projektu může být například i místní zemědělský podnik, s obcí je možné uzavřít celou řadu oboustranně výhodných vztahů, respektive v řadě případů existující vztahy rozšířit. Dosáhneme-li realizací projektu využívajícího biomasu porovnatelné koncové ceny tepla pro odběratele, kdy velkou váhu mají investiční prostředky, peníze nesměřují mimo obec, ale projeví se růstem hodnoty majetku obce či jí zřizované společnosti. Širší materiálové, energetické a finanční vztahy projektu posouvají otázku ekonomičnosti energetických investic daleko od zjednodušeného pohledu   s využitím prosté návratnosti. Obdobně je možné pohlížet na fenomény, jakými jsou fotovoltaika, bateriová uložiště a elektromobilita, i v podnicích. V takovém případě je pak spíše záleží na dostupnosti kapitálu a plánu nakládání s ním.

Investice do systémů využívajících biomasu jsou v obecné rovině otázkou dostupnosti biomasy nebo úsilí o využití stávajících zdrojů biomasy než primárně otázkou ekonomiky. Je- li biomasa investorovi k dispozici a může tak volit nízkou diskontní míru pro tuto variantu, kogenerace z biomasy  se v porovnání [1] stane nejvhodnější možností. Výše bylo navíc ukázáno, že poněkud jiný akcent pohledu investora na vlastní prostředky může vést k instalaci nákladnějšího systému v případech, kdy alternativy použití vlastních prostředků vykazují významně vyšší riziko a nižší výnos než investice do kontrolovatelných aktiv v podobě kogeneračního zařízení ve vlastním areálu.

Kotel na biomasu, který vyrábí kromě tepla i elektřinu

Jednotku Wave si lze zjednodušeně představit jako automatický biomasový kotel, který zároveň vyrábí teplo i elektřinu. Zatímco běžný kotel pro svůj provoz elektřinu spotřebovává, Wave si svou spotřebu elektřiny pokryje a přebytečnou elektřinu dodává do objektu nebo je odprodána do distribuční sítě. Výroba elektřiny je řešena prostřednictvím tepelného oběhu, který je obdobný jako u klasické uhelné elektrárny. Namísto vody se však využívá jako pracovní látky oběhu vhodnější organické látky, proto se tento cyklus označuje jako organický Rankinův cyklus (ORC). Teplo je po průchodu cyklem a dílčí transformaci na elektřinu odvedeno do otopné vody určené pro vytápění budovy či pro jiné technologické využití. Provoz Wave je plně automatický včetně diagnostiky a bezpečnostních systémů. Zařízení je možné mobilní aplikací uvést do provozu a stejně snadno odstavit. Z násypky se dřevní štěpka dopravovuje šnekovým dopravníkem do spalovací komory. Spaliny odcházejí z ohniště do vinutých trubkových výměníků vlastní konstrukce. Tam předávají teplo pracovní látce ORC – silikonovému oleji. Spaliny jsou z výměníků odsávány odtahovým ventilátorem do komína. Spalovací komora je vybavena automatickým odpopelněním, výměníky jsou vybaveny automatickým čištěním. Pracovní látka se ve výměnících vypaří a proudí do patentovaného lamelového expandéru, který roztáčí generátor. Pára z expandéru kondenzuje v  kondenzátoru a proudí do zásobníku kondenzátu, odkud je čerpána napájecím čerpadlem zpět do vinutého výměníku. Kondenzátor je chlazen vodou, jejíž výstupní teplota je  regulovatelná a zajišťuje poptávku tepla v připojené budově.

Provoz Wave je plně automatický včetně diagnostiky a bezpečnostních systémů. Palivo se zapaluje elektrickým zapalovačem.

Pilotní instalace

Mikrokogenerační jednotka Wave50 byla instalována jako pilotní komerční aplikace v Mikolajicích na Opavsku, kde zásobuje teplem    a elektřinou obecní úřad, obchod a hasičskou zbrojnici. Projekt byl iniciován starostou Martinem Krupou, který hledal komplexnější pohled na energetické úspory v obci.

Jednotka v kontejnerovém provedení je spolu s fotovoltaickou elektrárnou součástí většího energetického celku, ve kterém kromě pokrývání potřeby tepla obecního úřadu, hasičské zbrojnice a obchodu dodává také elektrickou energii do mikrosítě. Jako palivo využívá dřevních pelet, neboť byly na místě snadno a levně dostupné. Jednotku by bylo možné po dalších úpravách provozovat bez připojení   k elektrizační soustavě v plně ostrovním režimu.

Na jednotce proběhlo před kolaudací na podzim 2018 nutné autorizované měření emisí, které potvrdilo splnění emisních limitů na úroveň tzv. ekodesignu. Ekodesign musejí nejpozději od 1. ledna 2020 splňovat všechny prodávané kotle na tuhá paliva. Jednotka kromě emisních limitů dále splňuje veškeré atesty na tlakovou bezpečnost, revizi elektrických zařízení, hlukové limity, atp.

Budoucnost kotle Wave

Následující již komerčně atraktivní generace produktu Wave předpokládá při splnění ekodesignu navýšení tepelného výkonu na 120 kW  a produkci 6 kW elektřiny do využití po pokrytí všech vlastních spotřeb (tj. 9 kW na hřídeli generátoru). Důvodem k tomuto přechodu na vyšší výkonové parametry je významně lepší ekonomická efektivita. Díky produkci elektřiny jde o jediný kotel na trhu, který generuje výnos, a tak „se vrací“. Doba návratnosti závisí na ceně elektřiny  a dalších faktorech v lokální instalaci. Při započtení investiční dotace se pohybuje dokonce v jednotkách let. Obecně platí, že díky úspoře elektřiny kotel generuje finanční úspory. To, jak rychle se vrátí, je velmi individuální. Jiný kotel na trhu však tuto vlastnost nemá.

Uplatnění najde Wave například v obcích pro vytápění větších úřadů a kulturních domů, penzionů, hotelů, bytových domů, na farmách apod. Všude tam, kde je k dispozici dostatek levné, i když méně kva- litní biomasy, pro kterou investor hledá maximálně efektivní využití. Prototyp Wave120 bude v provozu na UCEEB letos v prosinci, první komerční jednotka této velikosti se bude instalovat v roce 2020. Příprava projektů je tedy v plném proudu.

Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních  budov – Fáze udržitelnosti.

Zdroje:

[1]      MAŠČUCH, Jakub, Václav NOVOTNÝ a Michal TOBIÁŠ. Ekonomické parametry (ne)investice do kombinované výroby elektřiny  a tepla. Https://energetika.tzb-info.cz [on-line]. Praha, 1. 4. 2019 [cit. 2019-10-07]. Dostupné z: https://energetika.tzb-info.cz/ kogenerace/18838-ekonomicke-parametry-ne-investice-do-kombinovane-vyroby-elektriny-a-tepla.