#^Budoucnost energetiky – teplárny místo jaderek?Posledních přibližně sto let byl koncept vývoje elektráren přibližně stejný. Elektrárny a jejich výrobní bloky se postupně zvětšovaly a přesouvaly se blíže k potřebným zdrojům, mnohdy ve značné vzdálenosti od míst, kdy byla elektřina spotřebovávána. autor: Karel SchweitzerMalé bloky, dalo-li se tak říkat jednotlivým turbínám v jedné velké hale, o desítkách megawattů postupně rostly až dosáhly výkonu přes tisíc megawattů. Bloky s reaktory
VVER 1000, a dalšími podobnými, dnes dosahují čistého elektrického výkonu přes 1 000 MW a výkon největších bloků s reaktory
EPR se šplhá k 1 600 MW.
Jenže tato doba rostoucí centralizace výroby proudu, která na našem území vrcholila přibližně v 70. a 80. letech minulého století ,kdy Československo realizovalo svůj ambiciozní jaderný program (počínající elektrárnou A1 v Jaslovských Bohunicích), možná končí.
SOUVISEJÍCÍ: Tři trpaslíci: zajímavý potenciál přečerpávacích vodních elektráren v Česku
Od tohoto vrcholu výstavba velkých elektráren poněkud stagnuje. Jakoby se velké energetické komplexy, které většinu primární energie vypustí bez většího užitku do okolí, přestávaly vyplácet.
V nadcházejících dvou desetiletích dojde postupně k vyřazení mnoha velkých bloků z provozu, ať již z důvodu překonání jejich životnosti a nevýhodnosti dalších vylepšení, vyčerpání jejich zdrojů paliv, nebo na základě žalob, které povedou ke zrušení výjimek na škodliviny, které doposud umožňovaly tyto zdroje provozovat.
Ostatně tak se stalo v případě elektrárny ve Chvaleticích, která
přišla o výjimku před několika lety, stejně tak se stalo elektrárně v Počeradech, která
o ni přišla loni (2024). A o jejich uzavření od roku 2025
uvažuje i jejich majitel – skupina Sev.en. Ze sítě tak může brzy zmizet 1 800 MW výkonu, aniž by tento byl nahrazen.
Zároveň se s koncem uhlí v České energetice počítá od roku 2033, avšak zdá se, že může nastat i dříve. Jenže tou dobou nebudou pravděpodobně k dispozici nové jaderné bloky. První z nich by měl začít proud dodávat nejdříve v roce 2036.
A i pokud by došlo k realizaci výstavby dvou bloků v Dukovanech a dalších dvou v Temelíně, spuštění by nastalo někdy v době konce životnosti současných Dukovanských bloků. Tyto nové by tak v zásadě nahradily pouze elektrárny Chvaletic a Počerad.
Situace by mohla být mírně jiná, pokud by se podařilo současné Dukovanské bloky provozovat 80 let. To by si však vyžádalo dalších investic a zejména vyřešení chlazení tak, aby nároky na objem vody z Jihlavy výrazně nepřekročily současné požadavky. Pak by v síti skutečně přibylo asi 4 000 MW, což by již mohlo výrazně zlepšit situaci. Jenže na to se spoléhat nedá.
Roste tak do jisté míry nebezpečí, že dojde k dalšímu růstu závislosti na dovážených energetických surovinách, zejména plynu.
To v lepším případě. V horším bude Česko dovážet přímo vyrobenou elektřinu, bez možnosti ji vyrobit, a situace v zásobování se stane závislou na situaci v okolních zemích. I pokud by nenastal tento scénář a podařilo se vybudovat náhradní plynové zdroje v lokalitách jako Chvaletice, Počerady, nebo třeba Mělník, Ledvice a dalších, pořád budou tyto PPE vypouštět do okolí 40 – 50 % energie. A to jen pokud v provozu bude i parní okruh. Pokud budou dodávat energii jen z plynové turbíny, pak jejich účinnost poklesne a podíl promrhané energie se zvýší.
Má-li se však stát dovezené palivo, eventuálně paliva založená na bázi syntetického plynu, hlavním zdrojem, energie v Česku, bylo by vhodné aby energie v něm obsažená byla co nejvíce, nejlépe beze zbytku, využita.
Takovýmito zařízeními, které jsou s to energii v palivu transformovat téměř ze sta procent v energii užitečnou, jsou teplárny. Ty, na rozdíl od výtopen, z energie obsažené v palivu získají nejen teplo, které je dodáváno odběratelům, ať již technologickým pro výrobu, vytápění nebo v současnosti i pro výrobu chladu, ale i elektřinu, která je následně dodávána do elektrické sítě.
SOUVISEJÍCÍ: Přečerpávací elektrárny: situace se změnila, v Česku je mnoho příležitostí
Česká republika má z tohoto pohledu historickou výhodu. Mnoho měst má systémy více či méně centrálního zásobování teplem. Stejně tak mnoho průmyslových areálů má dodnes centrální zdroj dodávající teplo do jednotlivých provozů/firem, které se v areálu nacházejí.
To představuje desítky až stovky lokalit kde by mohly vzniknout nové elektrické zdroje nebo kde by mohlo dojít k navýšení instalovaného výkonu výroby elektřiny. Nicméně získat přesnější data o těchto systémech není zrovna jednoduché.
Zatímco velkých elektráren jsou v Česku desítky a jejich provozovatelé se jimi do jisté míry chlubí na webu, u teplárenství, respektive výroby tepla, tomu tak není. Společností jsou vysoké desítky či nízké stovky, úroveň poskytovaných informací různá a údaje o závodních zdrojích se snad většina společností ani neobtěžuje uvádět.
Naštěstí lze data o jednotlivých provozech získat z veřejně dostupných zdrojů. Například z vyhledávače licencí, ten je dostupný na webu Energetického regulačního úřadu, ve kterém je možné provozy vyfiltrovat na základě různých parametrů. Nejprve si však musíme definovat jaké zdroje, s jakým tepelným výkonem nás budou zajímat.
Pokud tepelný výkon zdroje zvolíme příliš vysoko, z vyhledávání může být vyřazen poměrně velký objem výkonu a zároveň budou zahrnuty pouze největší provozy, které navíc již mnohdy elektřinu zároveň s teplem vyrábí. Pokud by byla však hodnota stanovena příliš nízko, do úvahy bude sice zahnuto více zdrojů, avšak příspěvky mnohých z nich budou marginální a celkové situaci příliš nepomohou.
Ano, sice by jejich existence mohla řešit místní problém s nedostatečnou kapacitou sítě, náhrada kotlů kogeneračními jednotkami by mohla zlepšit ekonomickou bilanci daných zdrojů, avšak z makroskopického pohledu na elektrizační soustavu by byl přínos malých zdrojů zanedbatelný. Pokud však hodnotu stanovíme příliš vysoko, zbytečně z úvahy vyřadíme zdrojem které jsou teoreticky s to poskytnout již zajímavý výkon.
Jakou výtopnu hledáme?Požadovaný výkon by bylo možné stanovit například jako podíl na maximálním zimním zatížení, na minimálním letním zatížení (byť to teplárny většinou příliš tepla dodávat nemusejí), v Česku připadá v zimně zhruba 1 kWe provozovaného výkonu na obyvatele, v létě je to pak přibližně hodnota poloviční. Případně by bylo možné stanovit jej tak, aby jedna teplárna byla schopna pokrýt potřebu elektřiny okresního města.
SOUVISEJÍCÍ: Solární energetika v Česku: bez nových regulačních a akumulačních kapacit to nepůjde
Průměrná velikost okresního města se i při vyřazení měst zároveň krajských, pohybuje kolem 30 tisíc obyvatel. To by znamenalo elektrický výkon cca 30 MWe a k jeho dosažení potřebují parní elektrárny, s účinností vyšší než teplárny, výkon kolem 100 MWt, tedy hrozí, že by v úvaze zůstaly jen velké teplárny.
Zkusme tedy vyjít z měst, těch je v Česku přes 600, z čehož kolem poloviny nedosahuje ani 5 000 obyvatel a nezřídka by je dnešní člověk za město asi nepovažoval, ale řízením osudu a tokem dějin městy jsou.
Ze zbylé poloviny pak téměř polovinu tvoří města mezi 5 a 10 tisíci a dohromady s městy mezi 10 a 15 tisíci tvoří téměř tři čtvrtiny této zbylé poloviny. Pokud tak zvolíme za spodní limit výkon 10 MWe, bude se jednat o zdroj, který bude dostatečný pro pokrytí výkonové potřeby velké části (co do počtu) měst nad 5 tisíc obyvatel.
Zatím jsme tedy stanovili výkon elektrický, avšak teplárny primárně dodávají teplo a zároveň nás zajímají zdroje, které prozatím elektřinu do sítě nedodávají. Je tedy potřeba tento požadovaný elektrický výkon převést na výkon tepelný.
Pokud budeme uvažovat že dané tepelné zdroje budou využívat parní cyklus, tedy dnes dodávají teplo v podobě páry, nebo horké vody,
neměla by být účinnost turbín horší než 15 %, spodní hranice rozsahu účinnosti protitlakých turbín.
Při uvažované účinnosti generátoru 95 %, by pak účinnost výroby elektřiny byla cca 14 % a tedy by pro výkon 10 MW, bylo třeba parní výkon cca 71 MWt. Nicméně průměrná účinnost parních tepláren je v Česku přibližně 20 % (na základě zjištěných dat), a tedy spodní limit tepelného výkonu klesá na 50 MWt.
Zároveň však dnes teplárenství není závislé jen na parních turbínách, v systémech teplovodních, tedy takových kde teplota vody nedosahuje 100 °C, se stále více rozšiřují kogenerační jednoty. U těchto lze počítat s účinností nejméně 30 %.
Tím pádem by spodní limit pro tepelné zdroje zahrnuté do úvahy klesl z 50 MWt na přibližně 33 MWt, respektive 28 MWt, pokud budeme uvažovat účinnost 35 %, která by měla být bezpečně v rozsahu účinností kogeneračních jednotek. Například velké jednotky TEDOM dosahují účinnosti i více než 40 % (viz.
zde) A pokud budeme uvažovat s touto účinností – 40 %, pak by spodní limit pro teplovodní systémy klesl až k 25 MWt.
Využití části současného tepelného výkonu zdrojů k výrobě elektrické energie by však vedlo, pokud by zároveň nebyl výkon kotlů navýšen, k poklesu výkonu dostupného pro odběratele. To by nemuselo představovat tak velký problém.
U parních systémů lze řídit tok páry a tak ovlivnit kolik jí půjde do turbíny a kolik přímo ven z teplárny, nebo do výměníku. Zároveň jsou tepelné zdroje stavěné tak, aby pokryly i špičkový odběr a plný výkon není využíván trvale. Po většinu doby tak výroba elektřiny nemusí mít větší vliv na dodávku tepla. Zároveň postupně dochází k zateplování které snižuje nároky na dodávku tepla.
V případě kogeneračních jednotek (dále jen KGJ), uvažovaných pro systémy teplovodní, je situace mírně jiná. Výroba tepla a elektřiny je u nich pevně svázána a na rozdíl od parních tepláren u nich není možné měnit poměr mezi výrobou elektřiny a tepla.
Naštěstí teplota vody pod teplotou varu znamená že systém je možné doplnit o akumulaci, která může pokrýt odběrové špičky nebo dodávat teplo v době kdy KGJ neběží. Zároveň by mohlo být možné je kombinovat s elektrokotly, a nahradit tak obávané
mařiče, ale o tom možná jindy.
SOUVISEJÍCÍ: Solární revoluce v Česku? Proč ne, má to však svá ale…
Dále tedy uvažujme že zavedení výroby elektřiny na zařízeních, která se dnes věnují dodávkám tepla, nebude představovat pro zásobování teplem větší problém.
Stejně tak dále uvažujme že v existujících zařízeních vyrábějících elektřinu, byť tomu tak nemusí být vždy, je výkon kotlů roven součtu výkonu elektrického a tepelného. Pro jednoduchost uvažujme se 100% účinností generátorů, čímž se však dopustíme chyby v řádu jednotek procent.
Máme-li nyní parametry jaké tepelné zdroje nás budou zajímat, můžeme pokračovat.
Současný stav Ve zdrojích které odpovídají zvoleným kritériím je dnes v Česku instalováno přibližně 10,75 GWt a 1,85 GWe, to dává průměrnou účinnost přibližně 14,7 %. Mohlo by se zdát že k dosažení plného potenciálu zbývá jen přibližně 670 MW, což by odpovídalo rozdílu z celkového pohledu na procenta. Takový výkon není zcela zanedbatelný, odpovídá přibližně 92 % výkonu elektrárny Zwentendorf, avšak ani závratný, nahradil by jen o trochu více než tři čtvrtiny elektrárny Chvaletice.
Avšak toto číslo není zcela přesné. Některé z tepláren vykazují účinnost mnohem vyšší než je zvolených 20 % a další zdroje, byť je jich výrazná menšina, jsou zdroje teplovodní, pro které byla zvolena vyšší účinnost – 40 %.
Ke stanovení skutečného dostupného potenciálu je tedy potřeba přistoupit jinak, stanovit jej pro jednotlivé zdroje a s tím dále pracovat. Zároveň je třeba brát v potaz, jestli se jedná o zařízení, které již elektřinu vyrábí, nebo zařízení, které by mělo elektřinu nově vyrábět.
Zatímco ve druhém případě můžeme přímo vycházet z instalovaného tepelného výkonu, v prvním případě musíme vzít v potaz i výkon, který je v místě instalován a je třeba i rozhodnout od jakého zvýšení výkonu bude teplárna zahrnuta.
Ano, i zvýšení o 100 kWe je technicky vzato zvýšení, avšak investice nemusí být praktická. Pokud byl spodní limit tepelného zdroje zvolen tak, aby byl s to dodat alespoň 10 MWe, pak dává smysl aby v případě navyšování výkonu byl zvolen stejný rozdíl výkonu – 10 MWe. To do jisté míry sníží výkon, který se do výpočtu zahrne.
Na druhou stranu počítáním po jednotlivých zdrojích nebude docházet k situaci kdy by teplárna s vyšší účinností než 20 % „skryla“ část výkonu jiného zdroje bez výroby elektřiny a do určité míry tak může vykompenzovat vyřazení některých zdrojů.
Předběžná zjištěníTento podrobnější přístup umožnil navýšení „nalezeného“ elektrického výkonu, který by bylo možné díky teplárnám získat, přibližně o třetinu, na 910 MWe. Tím se výkonová rezerva skrytá v teplárenství přiblížila výkonu jednoho bloku v Temelíně v době uvedení do provozu.
Z celkové „rezervy“ připadá 468 MWe na repowering, vylepšení v současnosti existujících tepláren a zdrojů s parním okruhem, které jíž nějaké množství elektřiny vyrábějí. Dalších 385 MWe připadá na podobné výtopny a zdroje, které prozatím elektrickou energii vůbec nevyrábějí. Teplovodní zdroje, u kterých by mohly nastat největší problémy, pak dohromady připadá jen 57 MWe, z toho 47 MWe na repowering jen 10 MW na novostavbu.
S velkou pravděpodobností je příčinou tohoto stavu použití v místech a systémech, které nejsou natolik výkonově náročné, například v kotelnách společných pro několik domů, aby prošly výkonovou podmínkou. Podobně na tom mohou být i některé parní zdroje, které, i přes výkon v desítkách MW neprošly výkonovou podmínkou, avšak to nebrání tomu, aby v nich byla turbína instalována.
Plynové turbinyAle to ještě není vše! Když přejdete na plyn, k vaší teplárně přidáme ještě plynovou turbínu! Jak by řekla známá rakouská hvězda a hrdina televizních rán pro osamělé, schopný vám prodat vše, od zázračného autolaku až po parní žehličku.
Moderní historie plynových turbín se začala psát již na začátku 20. století, ale trvalo až do 30. let, než vznikly první komerčně použitelné stroje. A bylo tomu, jak již to bývá, náhodou.
V té době společnost Brown Boveri vyráběla kotle, či spíše parní generátory, Velox, zařízení schopné velmi rychle dodávat páru, mimo jiné díky využití plynných/kapalných paliv a zejména stlačeného vzduchu dodávaného kompresorem. Jelikož v té době již bylo známo použití jiných plynů než vodní páry k pohonu turbín, byl odsud již jen krok k využití spalin pro pohon kompresoru (obšírná historie dostupná
zde).
A jelikož kotel potřeboval k provozu stlačený vzduch a bez hořícího kotle nemohla běžet turbína, byl k setu přidán ještě elektromotor. A jelikož běžící turbína mohla dosáhnout výkonu vyššího než potřeboval kompresor, přítomný elektromotor, nyní ve funkci generátoru, mohl tento přebytek dodat do sítě.
Stalo se tak, možná prvně, například v rafinerii společnosti Sun Oil Company, byť potřebné teplo ještě nedodávalo spalování, ale chemické procesy. První veřejnou elektrárnou s plynovou turbínou se pak stala elektrárna obce Neuchâtel ve Švýcarsku.
Od doby spuštění Neuchâtelské elektrárny prošly plynové turbíny značným vývojem. Jejich kompresory dnes nespotřebovávají většinu mechanické energie vyprodukované, vykuchaný parogenerátor typu Velox nahradily o mnoho kompaktnější spalovací komory a účinnost podstatně vzrostla. Například
plynové turbíny fy. Siemens se účinností pohybují od 25 % u SGT-50 až po více než 43 % u SGT5-9000 HL.
Pokud se pak takovéto turbíny použijí v paroplynových elektrárnách, účinnost výroby elektřiny se pohybuje od 50 % až po více než 60 %, avšak v těchto případech je „výfuk“ plynové turbíny připojen k elektrárně kondenzační. To však není případ tepláren, pro které uvažujeme s účinností cca 20 % (mimo těch u kterých je již dnes vyšší).
Zároveň je potřeba při stanovení získatelného výkonu zohlednit dvě věci: Plynové turbíny nejsou dostupné v libovolném výkonu a je tedy potřeba vycházet z dostupných modelů. Též je třeba brát v potaz že teplárny mohou být jediným zdrojem v dané otopné soustavě a tedy není možné, z důvodu bezpečnosti dodávek, celkový tepelný výkon pokrývat jen jednou plynovou turbínou.
Proto bude dále uvažováno, jako by každá teplárna, měla dva bloky (případně čtyři, pokud by nebylo možné najít výkonově vhodnou plynovou turbínu) shodného tepelného výkonu. Byť by situace by mohly být při případné realizaci odlišná například z důvodu dalších zdrojů v soustavě, přítomnosti elektrokotlů pro využití přebytků v síti atp.
A ještě nezapomínejme na jednu věc, turbína musí být s to pokrýt celý tepelný výkon a tedy někdy její výkon bude vyšší oproti potřebnému tepelnému výkonu. To ovšem nepředstavuje problém. Zároveň je potřeba vzít v úvahu účinnost samotného kotle, ta by se měla pohybovat kolem 90 % (například u teplárny Červený Mlýn by měla dosahovat cca 88,8%, viz
strana 26). Tepelný výkon turbín dané lokality tak může být nakonec o desítky MW vyšší než by vyšlo z prostého výpočtu.
S přihlédnutím k výrobkům firem Siemens, Dooosan a Mitsubuishi by bylo teoreticky možné v českých teplárnách zřídit paroplynové bloky o celkovém výkonu přibližně 7,4 GWe. Což je číslo poměrně vysoké a do určité míry, v porovnání s tím co bylo možné získat z parních turbín, podezřelé.
Je ale třeba vzít v potaz že „účinnost“ spočítaná jen s použitím tohoto elektrického a tepelného výkonu současných zdrojů je cca 39 %, což je při horním konci rozsahu účinnosti plynových turbín a to bez zahrnutí účinnosti tepelných výměníků a zohlednění „nadbytku“ tepelného výkonu. Lze jej tedy považovat za reálný.
ZávěrJen potenciální výkon plynových turbín – 7,4 GWe – představuje přibližně 78 % současného instalovaného výkonu (
ročenka, str. 6) parních* elektráren v ČR. Vyjdeme-li pak z předpokladu uvedeného na stránkách
ČEZ, že bude zachováno cca 2 600MWe uhelných elektráren** na začátku 40. let 21. století, pak by pouhou instalací plynových turbín do současných tepláren bylo možné nahradit výkon odstavených uhelných elektráren.
A tady faktický konec uhlí by pro zásobování elektřinou nepředstavoval, z pohledu dostupného výkonu, problém. Dokonce by, oproti ročence, došlo k navýšení dostupného výkonu, dosáhl by 106 % současného. Ovšem jen za cenu navýšení dovozu, nebo výroby/těžby, plynu.
Pokud budeme uvažovat jen kombinaci současných tepláren a plynových turbín, pak by bylo možné pokrýt cca 97 % výkonu současných parních elektráren. Pokud do úvah dále zahrneme ještě přibližně 910 MWe, které by bylo možné získat repoweringem, pak by elektrický výkon dostupný v teplárnách dosáhl 10,1 GWe, tedy přibližně 107 % výkonu současných parních elektráren.
Výkon 10,1GWe by měl být již dostatečný k tomu, aby v kombinaci s vodními a několika dalšími většími elektrárnami pokryl zimní odběrovou špičku a zajistil tak zásobování elektřinou. A to i bez vybudování další velké jaderné elektrárny.
Navíc by tento výkon byl rozmístěn do vyšších desítek lokalit, což by se pozitivně projevilo na odolnosti elektrizační soustavy, která by se nemusela spoléhat na několik málo oblastí, kde by se nacházela velká část výkonu.
Zároveň by tento přístup mohl vést ke snížení ceny produkované elektřiny, v porovnání s alternativou v podobě velkých paroplynových elektráren, jelikož by se cena emisních povolenek rozložila jak na elektřinu, tak na teplo. Stejně tak by se mezi elektřinu a teplo rozdělila i cena paliva.
Zásadní problém však zůstává – zajištění paliva pro spalovací turbíny.
Závěrečná poznámkaČlánek vznikal v období zimy 2024/2025, která se stala, nepředpokládaně, obdobím bohatým na světové události, během kterých svět získal jinou dynamiku, než bylo možné předjímat. Je možné že některé z premis na kterých článek stojí přestanou během nadcházejících měsíců a let platit. Je otázka zda se úniky zemního plynu nestanou předmětem emisních povolenek.
Stejně tak je možné že dovoz zemního plynu, či ropných derivátů se bude stávat méně a méně praktickým. Obé by učinilo z plynových turbín nepoužitelné řešení. Na druhou stranu rychlé uzavření uhelných elektráren, či selhání jaderného tendru by mohlo učinit z paroplynových tepláren nutné řešení vzniklé situace.
*
Ročenka přesnější rozdělení výkonu podle paliv nenabízí a shrnuje tak elektrárny uhelné, plynové (bez spalovací turbíny) a na biomasu**
Nelze určit zda/jak moc dochází k překryvu mezi zdroji uvažovanými v tomto článku a zdroji, které mají být zachovány. Je tedy uvažováno že skupiny zdrojů jsou zcela vzájemně výlučné.The post
Budoucnost energetiky – teplárny místo jaderek? first appeared on
Hybrid.cz.
