Provozní účinnost automatických kotlů na biomasu
V koncepčních podkladech k rozhodování o energetických investicích (studie proveditelnosti, energetické audity, energetické posudky) je často nutné kvalifikovaně odhadnout roční provozní účinnosti energetických transformací. Pro nedostatek dalších údajů pak zpracovatelé vycházejí ze jmenovitých údajů výrobců uvedených v technických listech zařízení, což vede po realizaci investic k velmi nepříjemným překvapením provozovatelů, kdy je spotřeba paliva mnohdy i významně vyšší, než předpokládalo posouzení. Zejména u z pohledu energetiky nízkých výkonových úrovní (kotlové jednotky v řádu desítek až stovek kW) vede neuvažování provozních vlastností kotle ve vazbě na odběr tepla k zásadním chybám a následným významným ekonomickým ztrátám.
V článku uvedené informace mohou pomoci najít odpověď na otázku, jakých provozních účinností mohou dosahovat kotle na biomasu nízkých tepelných výkonů.
Nominální a provozní účinnost kotle
V praxi se kvůli nedostatku dalších podkladů velmi často při odhadech budoucích provozních parametrů kotlů pracuje s jejich nominálními parametry. Zejména u kotlů na pevná paliva může následně dojít ke značným chybám. Tématu se okrajově věnuje například [1]. Autor konstatuje, že jedním z faktorů vysoké užitné hodnoty zařízení je schopnost dosáhnout vysoké úrovně řízení spalovacího procesu a předání vzniklého tepla teplonositeli (obvykle topné vodě) v běžném provozu, nikoliv pouze v laboratorních podmínkách certifikačního orgánu.
Provozní účinnosti malých kotlů se pak věnuje publikace [2]. Autor přímo konstatuje, že výrobcem deklarovaná účinnost je technický potenciál, maximum možného. Za provozu jí není možné dosáhnout, je však možné se podmínkách certifikace přibližovat instalací kvalitního kotle s regulací tahu, instalací akumulační nádrže do otopné soustavy s cílem stabilizovat odběr tepla a tedy výkon kotle, využíváním garančního paliva, dostatečnou údržbou a kvalitní obsluhou. Reálné provozní podmínky je pak nutné přibližovat těm laboratorním, což je v řadě praktických případů problematické. Otázka, jak moc se reálné nasazení blíží laboratorním podmínkám, pak má významný vliv na provozní ekonomiku realizovaných řešení.
To je možné demonstrovat například obrázkem 1 převzatým z práce [3], která byla zaměřena na studium účinnosti a provozního chování automatických kotlů na pelety v rodinných domech zapojených v různých kombinovaných systémech v Rakousku. Kotle byly vyrobeny po roce 2010 a jsou plně automatické. Účinnost přeměny paliva (Fuel conversion efficiency) je definována jako poměr vyrobeného tepla a přivedeného tepla, odpovídá tak účinnosti určené tzv. přímou metodou (detaily o přímé metodě např. v [4]).
![Obrázek 1 – Porovnání roční provozní účinnosti (annual fuel conv. efficiency) a „laboratorních“ účinností automatických kotlů na dřevní pelety o výkonu (S1 – 12 kW, S2 – 6 kW, S3 – 9,9 kW, S4 – 26 kW, S5 – 21 kW), převzato z [3]](/docu/clanky/0173/017352o1.png)
Obrázek 1 – Porovnání roční provozní účinnosti (annual fuel conv. efficiency) a „laboratorních“ účinností automatických kotlů na dřevní pelety o výkonu (S1 – 12 kW, S2 – 6 kW, S3 – 9,9 kW, S4 – 26 kW, S5 – 21 kW), převzato z [3]
Pozn. red: S1 – pasivní dům, S2 – nízkoenergetický dům, S3 – dům v tepelně technické standardu roku 2004, S4 – renovaný dům předválečný, S5 – dům v tepelně technickém standardu roku 1963. Tepelně technický standard domu ovlivňuje podíly tepla pro vytápění a pro přípravu teplé vody, a to ovlivňuje i provozní poměry zdroje tepla, tedy jeho aktuální požadovaný výkon a efektivitu využití paliva.
Z obrázku 1 je zřejmé, že všechny kotle v porovnání dosahují velmi vysokých účinností v nominálním výkonu i v částečném zatížení, pokud je test proveden standardní metodikou (EN 15316-1). Jsou tak ve svých „laboratorních“ vlastnostech porovnatelné. Zaměříme-li se ovšem na roční provozní účinnost, ta dosahuje hodnot mezi 67 % a 86 %. Autoři porovnávají výsledky s dalšími obdobnými studiemi v Německu, které hovoří o ročních provozních účinnostech 70–75 %. Studie konstatuje, že měsíční provozní účinnosti byly v létě významně menší než v zimě a dosahovaly hodnot pod 70 %. Přerušovaný provoz na Site 2 (systém kombinovaný se solárním ohřevem teplé vody) v létě, kdy byl kotel zapálen 4× a v provozu cca 7 hodin, dokonce ukázal provozní účinnosti od 31 % do 43 %.
Z uvedeného je zřejmé, že:
- Roční provozní účinnost sofistikovaného automatického kotle na peletky je oproti nominální nižší o 7 až 25 %.
- Předimenzovaný kotel v Site 1 (instalace v pasivním domě s velmi nízkou tepelnou ztrátou) dosahoval provozní účinnosti o 25 % nižší, než jmenovité.
- Opakované starty kotle v letním období vedly k provozní účinnosti významně pod 50 %.
- V Německu byly zjištěny obvyklé hodnoty ročních provozních účinností 70–75 %.
U méně sofistikovaných kotlových technologií budou provozní účinnosti ještě nižší, pro prohořívací a odhořívací kotle hovoří [5] o hodnotách od 50 %. Stejný pramen například uvádí, že pro dosažení vysokých deklarovaných účinností u sofistikovaných zplyňovacích kotlů je zásadně doporučena jejich instalace s akumulační nádrží pro dosažení rovnoměrného provozu ve vhodném výkonovém pásmu.
![Obrázek 2 – Využité energie přiváděné do kotle, převzato z [6]](/docu/clanky/0173/017352o3.png)
Obrázek 2 – Využité energie přiváděné do kotle, převzato z [6]
Pro principiální objasnění zásadního vlivu provozního výkonového pásma zdroje na jeho provozní účinnost je možné vyjít například z [6]. V článku je provedeno rozdělení energie vstupující do kotle na (viz obrázek 2):
- Využitelnou energii, kterou je nutno dopravit k zásobovaným spotřebičům.
- Ztráty nezávislé na provozní zátěži zdroje, tedy pohotovostní ztráty.
- Ztráty závislé na provozní zátěži zdroje, například ztráta citelným teplem spalin.
Při nízké poptávce po užitečném teple a nutnosti udržovat „natopené“ kotle připravené k okamžité dodávce roste relativní podíl ztrát. To může vést až k extrémnímu poklesu provozní účinnosti kotle pod 50% v případech s přerušovaným provozem, kdy energie naakumulovaná „v železe“ a „ve vodě“ unikne po omezení odběru tepla přirozeným tahem do komína a tepelnou ztrátou zařízení do místnosti kotelny. U kotlů na pevná paliva je pak potřeba vážit i nedokonalé spalování po omezení přívodu vzduchu do ohniště, a tedy vyšší podíl ztrát chemickým i mechanickým nedopalem. Může se projevit také ztráta citelným teplem tuhých zbytků po spalování, které jsou buď odvedeny mimo ohniště, nebo jsou ochlazovány přirozeným tahem komína.
Bohužel nelze obecně říci, že udržování provozu kotle bez přerušení provozu na minimálním výkonu je efektivnější, než jeho přerušovaný provoz. V těchto případech je rozhodující, o jaký kotel na jaké palivo se jedná, jakého charakteru je přerušovaný provoz ve smyslu počtu startů, jak se realizuje „chladnutí“ kotle, jaké ztráty nabývají v daném provozním režimu významného podílu, atp.
Výše zmíněné nízké hodnoty provozních účinností pod 50 % při přerušovaném chodu zařízení odpovídají zkušenostem autorů tohoto příspěvku. Je tedy zřejmé, že vhodné dimenzování (kotle, případně akumulace tepla) a provozní režim mají zásadní vliv na roční provozní účinnost kotle a tedy na jeho výslednou ekonomiku. Samotná instalace sofistikovaného kotle není zárukou dosažení efektivního provozu. Protože v obecné rovině není k dispozici ucelená metodika, která by obsahovala jednoznačná doporučení pro řešení těchto otázek, mají značný vliv na výsledek investic zpracovatelé nejrůznějšího druhu studií proveditelnosti a zejména projektanti. Nebo i samotní investoři, kteří se k nákupu technologie rozhodnou bez provedení zmiňovaných studií a projektů jen na základě mnohdy odhadem určené výpočtové tepelné ztráty objektu či objektů a bez uvážení skutečných výkonových potřeb dalších odběrů (teplá voda, případně technologické odběry).
Na základě výše citovaných podkladů a zkušeností autorů příspěvku z energetického poradenství je možné pro automatické kotle na biomasu pro zpracování koncepčních podkladů vycházet z následující tabulky provozních účinností. Vyšší hodnoty budou odpovídat zařízením na kvalitnější paliva (pelety), nižší hodnoty pak kotlům na dřevní štěpku průměrné kvality.
| Předpokládaná provozní účinnost kotle na biomasu | ||
|---|---|---|
| nominální účinnost | 80–90 | % |
| 70–100 % výkon trvale | 75–85 | % |
| 30–70 % výkon trvale | 65–75 | % |
| start každý den + provoz 70–100 % | 70–80 | % |
| start každý den + provoz 30–70 % | 55–70 | % |
| přerušovaný provoz | 40–60 | % |
Závěr
Příspěvek upozorňuje na rozdíl mezi jmenovitou a provozní účinností kotlů na biomasu nízkých tepelných výkonů. Zahraniční zkušenosti z provozu automatických kotlů na peletky, tedy velmi sofistikovaných zařízení na ušlechtilé palivo, ukazují na různé v praxi dosažené hodnoty roční a měsíční provozní účinnosti kotle, tedy na různou efektivitu transformace tepla v palivu na teplo užitečné za provozu. Tato provozní účinnost (roční, měsíční, popř. i denní) je mnohdy významně nižší, než jmenovitá účinnost takového zařízení. Ukazuje se tedy nutnost při výběru zařízení analyzovat jeho budoucí provoz, výběr „dokonalé“ kotlové technologie tedy sám osobě nepostačuje k dosažení uspokojivých provozních parametrů.
V obecném případě zdrojů s vyšším výkonem a tedy s využitím většího počtu kotlových jednotek je vhodné zpracovat provozní analýzy s posouzením opatření (nasazení akumulace, vhodná volba počtu a výkonu kotlových jednotek ve vztahu k charakteru odběru tepla, atp.) k tomu, aby byl provoz zdroje ekonomický. Náklady na takové posouzení se pohybují v řádu desítek až jednotek stovek tisíc Kč v závislosti na složitosti zadání a velikosti zdroje, návratnost takto vynaložených prostředků se pak pohybuje v měsících.
Poděkování
Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.
Použitá literatura
- LYČKA, Zdeněk. Základní pojmy a definice k tématu teplovodní kotle na pevná paliva. In: TZB-info.cz [online]. [cit. 2017-11-16]. Dostupné z:
http://vytapeni.tzb-info.cz/kotle-kamna-krby/9767-zakladni-pojmy-a-definice-k-tematu-teplovodni-kotle-na-pevna-paliva - LYČKA, Zdeněk. Malé teplovodní kotle na pevná paliva: spalování pevných paliv po roce 2013. Krnov: LING Vydavatelství, 2012. ISBN 978-80-904914-2-7.
- CARLON, Elisa, Markus SCHWARZ, Laszlo GOLICZA, Vijay Kumar VERMA, Alessandro PRADA, Marco BARATIERI, Walter HASLINGER a Christoph SCHMIDL. Efficiency and operational behaviour of small-scale pellet boilers installed in residential buildings. Applied Energy [online]. 2015, 155, 854-865 [cit. 2017-11-16]. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.06.025. ISSN 03062619. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0306261915007837
- HORÁK, Jiří et al. Stanovení účinnosti kotlů. In: TZB-info.cz [online]. [cit. 2017-11-16]. Dostupné z:
http://vytapeni.tzb-info.cz/kotle-kamna-krby/11107-stanoveni-ucinnosti-kotlu - KOLONIČNÝ, Jan, Jiří HORÁK a Silvie PETRÁNKOVÁ ŠEVČÍKOVÁ. Kotle malých výkonů na pevná paliva. Ostrava: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 2011. ISBN 978-80-248-2542-7.
- CHYBA, Antonín. Hospodárnost provozu zdrojů tepla. In: TZB-info.cz [online]. [cit. 2017-11-16]. Dostupné z:
http://www.tzb-info.cz/2477-hospodarnost-provozu-zdroju-tepla
Problematika rozdílů mezi účinností deklarovanou výrobcem a reálnou provozní účinností u kotlů na pevná paliva je dostatečně známá, v odborném tisku však málo prezentovaná. Bohužel není dostatek relevantních dat k tomu, abychom mohli s dostatečnou přesností říct, jak velké tyto rozdíly jsou. V předotovaném oboru OZE, kdy se za hojné finanční podpory státu často zkoumají věci již dávno vyzkoumané, se u nás na toto téma bohužel žádný podrobnější výzkum neprováděl (pokud je mi známo).
K rostoucímu rozdílu mezi provozní účinností při dlouhodobém chodu kotle a při provozu přerušovaném paradoxně napomáhají až extrémní požadavky na nízké emise u spalovacích zdrojů. Neustále přísnějším emisním limitům pro kotle na biomasu lze vyhovět pouze masivním využíváním kvalitních žárobetonových materiálů ve spalovacích komorách. Tam, kde kdysi stačilo pár šamotových cihel, je nyní až několik desítek kilogramů žárobetonových tvarovek, které se nahřívají na provozní teplotu i několik desítek minut a akumulují obrovské množství energie, která při delší odstávce nevyužitá uniká spalinovými cestami z kotle ven. Proto by měl být „akumulační“ provoz všech těchto kotlů samozřejmostí. Minimálně při vytápění objektů, při kterém je předpokládán dlouhodobější přerušovaný provoz. Z výše popsaných důvodů je nutné ke stanovování reálné provozní účinnosti přistupovat opatrně a individuálně, podle konkrétního zdroje, jeho zapojení a provozování v otopné soustavě.
When deciding on energy investments, consultants and designers often rely on data listed in the technical data sheets provided by manufacturers. This can lead to a very unpleasant surprise for operators - fuel consumption is often significantly higher than assumed by the assessment. Especially in terms of smaller heat sources, this approach leads to errors and consequent significant economic losses.
