Realizace energetických zdrojů s využitím biomasy v regionu Jižní Moravy jako důsledek snah o zlepšení klimatu v oblasti – část II

Ing. Pavel Novotný,CSc Ústav procesního a ekologického inženýrství FSI VUT Brno Po předchozím úvodním článku, ve kterém byly uvedeny obecné informace o přístupu k řešení problematiky využívání biomasy v regionu Jižní Moravy. Tímto článkem začíná být na pokračování prezentován stručný popis některých významnějších instalací, které byly realizovány po roce 1990, a které jsou určitým způsobem jedinečné – kotelny v Radiměři – okres Svitavy a ve Velkém Karlově –okres Znojmo (část II), dále v Bystřici nad Pernštějnem – okres Žďár nad Sázavou (část III) a v Roštíně – okres Kroměříž (část IV). 1. Radiměř První významnější realizace OZE se uskutečnila v obci Radiměř v okrese Svitavy, kde po roce 1990 v místním Zemědělském družstvu budovali družstevní mlékárnu v hale bývalého teletníku. Záměrem družstva specializovaného na produkci mléka bylo zpracovat vlastní surovinu až do podoby finálních výrobků – láhvového mléka a některých mléčných výrobků, zejména jogurtů. Hlavním problémem bylo získaní levného zdroje energie, neboť mlékárenská výroba má velkou spotřebu horké vody – 3 až 4 krát větší množství než zpracovávaného mléka. V roce 1992 se podařilo společným úsilím družstva, pracovníků Ústavu procesního a ekologického inženýrství FSI VUT Brno a několika firem realizovat centrální tepelný zdroj pro pokrytí technologické potřeby provozu mlékárny i pro vytápění celého objektu, včetně přípravy teplé užitkové vody. Vypočtenou potřebu tepla 210 kW zabezpečuje kotel dánské firmy PASSAT HO-180 na spalování slámy – řepkové i obilní. V Radiměři začali pěstovat řepku olejnou na cca 90 ha a slámu po sklizni lisovali do balíků o rozměrech 1,2 x 1,2 x 2 m. V období jaro – podzim je potřeba pro pokrytí energetické potřeby v průměru 1 balík o váze cca 700 kg za den, v zimě obvykle 2 balíky/den. Provoz kotle je automatický, obsluha v manipulačním skladu pomocí jednoduchého kladkového zařízení pouze připraví balík slámy na dopravní pás. Pohyb pásu i celého systému dopravy a přípravy paliva je řízen automatikou kotle. Pásový dopravník s trny dopraví balík k rozdružovači, odkud je rozvolněná sláma pneumaticky dopravována do cyklonu, ze kterého je přes turniket a šnekový podavač dávkována do kotle. Na vstupu do kotle je instalováno hasící zařízení proti zpětnému zahoření dopravované slámy. Popel z prostoru kotle je automaticky vyhrnován šnekovým dopravníkem do přistavené 200 litrového sudu. Doslova skutečně \"selským rozumem\" zde dospěli k názoru, že vyhazovat odpad - slámu - je luxus. Dvoustupňové spalování biomasy je velmi dokonalé a účinné, přibližuje se efektem spalování fluidnímu. Nároky na provoz a obsluhu kotle o výkonu 210 kW jsou plně srovnatelné s kotlem na zemní plyn, provozní náklady jsou však podstatně nižší. Pro skladování slámy vlhkosti do 18% byl určen skladovací prostor asi 12 m3 (což představuje množství cca 6 t slámy z 1 ha), popel ze spalování řepkové slámy v kotli byl podroben rozboru, který prokázal vhodnost jeho použití do kompostů. V prvních letech provozu se objevily obtíže s obezdívkou, při spalování převážně řepkové slámy docházelo k jejímu narušování. Proto výrobce nejprve dodal nový vlastní vylepšený typ obezdívky, který se však také neosvědčil. Proto se provozovatel kotle spojil s tuzemským výrobcem, s Moravskými šamotovými závody z Velkých Opatovic. Po vzájemné spolupráci se osvědčil nový typ obezdívky s vyšším obsahem magnesia, který lépe odolává působení spalin. Realizaci tohoto záměru v Radiměři lze považovat za technický úspěch - zapojení jednoho z pracovišť VUT Brno do procesu realizace vzorového projektu při využívání OZE - uplatnění spalování odpadní slámy při výrobě energie pro mlékárenský provoz s kapacitou až 16.000 litrů mléka denně, u kterého jsou tří čtvrtiny potřebné energie pokryty provozem kotle spalujícího slámu. Podařilo se realizovat řešení, spolu s velmi dobrou automatikou chodu, které plně kryje požadavky provozu mlékárny a je výrazně i levnější proti jakékoliv jiné variantě 2. Velký Karlov Obec Velký Karlov, ležící v jihovýchodní části okresu Znojmo asi 10 km západně od okraje Hrušovan nad Jevišovkou, byla postavena v padesátých letech v k.ú. Dyjákovice v sousedství hospodářských budov státního statku „na zelené louce“. Investorem tehdejší výstavby rodinných domků i inženýrských sítí byl státní statek. Pro centrální vytápění obce biomasou se zastupitelstvo obce se rozhodlo v roce 1999 na základě rozvahy o financování stavby - využití vlastních prostředků, prostředků získaných ze Státního fondu životního prostředí (dále jen SFŽP), České energetické agentury (dále jen ČEA) a také ze zahraničí. Ve spolupráci s firmou agiplán Praha a po předložení potřebných dokladů se podařilo vyřídit dotaci z banky Kommunalkredit Austria Wien ve výši 10% neinvestičních nákladů. Tato byla poskytnuta ve dvou splátkách. Bohužel se nepodařilo původně zamýšlené financování i z Dánska, které by jednak zvýšilo podíl rakouské podpory na 15% investičních nákladů (dále jen IN), ale i částečně pomohlo pokrytí nákladů na rozvody, které byly, ve smyslu požadavků na získání dánské podpory, od dánského výrobce (předběžně přislíbená výše dotace byla ve výši cca 10% IN). Pro realizaci záměru získala obec i nemalou podporu Okresního úřadu Znojmo a to jak finanční - dotaci ve výši 1 mil. Kč a krátkodobou půjčku - tak i odbornou a morální v osobách přednosty úřadu a vedoucího referátu životního prostředí. Výstavba celého systému zásobování probíhala v následujících krocích : - v polovině roku 1999 byla vypracována studie ekologického vytápění obce a podána žádost o poskytnutí finanční podpory z prostředků SFŽP. Žádost byla kladně vyřízena začátkem roku 2000 - dne 7.8.2000 byla uzavřena smlouva mezi obcí a SFŽP o poskytnutí podpory ve skladbě - dotace 40% a 35% bezúročné půjčky - dne 7.4.2000 proběhlo výběrové řízení na dodavatele celé stavby, která byla rozdělena na dvě části - rozvody a centrální kotelna s technologií. Byli vybrání – TENZA, a.s., Brno na výstavbu rozvodů a Moravská topenářská, s.r.o., Nový Jičín na stavbu kotelny,vč. technologie. Dodávku kotle, jeho montáž a uvedení do provozu prováděla v subdodávce pro a.s. TENZA firma Josef Novák TRACTANT FABRI z Kolína - stavební povolení na stavbu bylo vydáno dne 10.5.2000 Samotný průběh výstavby byl již relativně rychlý, pokládka rozvodů probíhala nezávisle na výstavbě centrální kotelny a montáži technologie. Pro centrální tepelný zdroj byla využita část stávající základní školy, v jejím sousedství byl vybudován provozní sklad paliva s příjezdovou komunikací a manipulační plochou. Hlavním zdrojem tepla je kotel spalující slámu o výkonu 1,0 MW, záložním zdrojem tepla je kotel o výkonu 460 kW na spalování LTO. Případné špičky a krátkodobé odstávky jsou překlenovány akumulační nádrží o objemu 80 m3. Teplo k odběratelům je rozváděno předizolovaným potrubím dánské firmy LØGSTØR RØR v bezkanálovém uložení. Délka páteřního rozvodu po obci je 1915 m, odbočky do objektů jsou z předizolovaného flexibilního potrubí ze síťovaného polyetylénu v celkové délce 1223 m. V každém objektu je instalována předávací stanice s deskovým výměníkem LPM . V obci je 124 rodinných domů a 8 objektů občanské vybavenosti (obecní úřad, školka, kulturně-společenský sál, 2 nákupní střediska, restaurace, ubytovna a kabiny TJ). Celkový požadovaný tepelný výkon při 100 % připojení je 1914 kW, z toho potřebný výkon pro rodinné domky je 1624 kW a pro objekty občanské vybavenosti cca 290kW. Kotel na biomasu je řešen jako částečně zplyňovací s poměrně masívní žárovou vyzdívkou a svislou žárotrubnou teplosměnnou plochou s dodatečným ohřívákem vzduchu. Spalovací zařízení sestává z provozního zásobníku a dohořívací komory. Provozní zásobník tvoří vyzděná šachta opatřená nahoře víkem, z boční strany přívodem paliva, dole na dně vyhrnovacím zařízením. Stěna mezi zásobníkem a dohořívací komorou je v dolní části opatřena otvory, kterými prochází hořící zplyněné části slámy do dohořívací komory. Tato je podtlaková a sestává ze dvou vyzděných šachet. Má vodou chlazený strop a do prostoru první šachty je přiváděn sekundární spalovací vzduch. Spaliny vystupují z druhé šachty dole do žárových trubek vertikálního žárotrubného kotle. Provozní zásobník a dohořívací komora tvoří jeden celek. Druhý celek sestává z vertikálního žárotrubného kotle. Tento kotel je dvoutahový se vstupní a výstupní komorou pro spaliny na dolním konci kotle a obratovou komorou nahoře. Na výstup spalin z kotle je napojen trubkový ohřívák vzduchu. Vzduchový ventilátor zajišťuje dodávku ohřátého vzduchu do trysek sekundárního vzduchu. Spalinovým ventilátorem je regulován podtlak ve spalovacím zařízení. Na dně provozního zásobníku je zabudován chlazený hrablový rošt pro vyhrnování nespalitelných látek (popele) do vyhrnovacího šneku. Vyhrnovací šnek, původně tvořený pružinou byl v rámci zkušebního provozu nahrazen šroubovicí, vyhrnuje popeloviny do kontejneru mimo kotelnu. Pro informaci dalších případných investorů a dodavatelů staveb stejného charakteru a obdobných parametrů považuji za potřebné presentovat stanoviska dodavatele stavby a následně i zkušenosti provozovatele z ročního provozu : 2.1. Zkušenosti z výstavby:  Dodavatel stavby respektoval technologická zařízení navržená zpracovatelem úvodního projektu. Použit byl kotel vyráběný v České republice, který byl vlastně prototypem bez výrazných referencí. Obdobně byly použity i další základní technologické části kotelny. Instalace zařízení, které nemá mnoho provozních aplikací s sebou nese řadu komplikací. V průběhu zpracování projektu bylo obtížné získat od výrobců technologie podklady pro přesný dispoziční návrh zdroje. Řada detailů se řešila přímo při montáži, což se negativně projevilo na průběhu výstavby a růstu nákladů na výstavbu. Dodavatel stavby se účastnil i kontrol ve výrobě a prověřoval kvalitu prováděných prací a dodržování předepsaných technologických postupů. Podařilo se tak zjistit a následně odstranit několik závad, které by v budoucnu mohly mít vliv na životnost a spolehlivost instalovaných zařízení.  Při zprovoznění rozdružovacího zařízení slámy včetně dopravníku se z důvodu atypického řešení dopravníku dlouhého 20 m a jeho značného zatížení - až 10 balíků slámy - projevila nutnost zesílení jak hnacího zařízení dopravníku, tak i zesílení a vyztužení vzpěr a táhel. Obvykle dopravník na slámu nepřesahuje délku 10 m. U dopravníku o délce 20 m výrobce značně podcenil jeho vysoké zatížení a dopravník poddimenzoval.  Další problémy, které se projevily při zprovoznění rozdružovacího zařízení byly způsobeny špatnou kvalitou nabalíkované slámy, ve které se objevovalo dřevo, kameny, hroudy hlíny apod. Zkušenosti řady provozovatelů obdobných zařízení jsou takřka totožné – v první topné sezóně jsou značné problémy s kvalitou paliva. Noví provozovatelé z důvodu malých zkušeností často nakoupí slámu a neprovedou patřičnou kontrolu její kvality. Po těchto zkušenostech v dalších letech si pak již sami kontrolují kvalitu slámy před balíkováním i v jeho průběhu včetně vyskladnění. Po zkušenostech z první topné sezóny si provozovatel zakoupil vlhkoměr za účelem kontroly vlhkosti slámy při jejím sběru a následném zpracování.  Obec Velký Karlov je rozložena v poměrně rovinatém terénu s velice nízkou hustotou podzemních inženýrských sítí. Při výstavbě bylo tedy možné využít v maximální míře výhod předizolovaného potrubí. Nízké provozní teploty média umožnily použití plastového potrubí pro přípojky z páteřního řádu k jednotlivým odběratelům.  Spolehlivost provozu tepelných rozvodů je zajišťována signalizačním systémem tvořeným dvěma neizolovanými vodiči pomocí nichž je možné provádět periodickou kontrolu stavu sítě.  Při vlastní montáži předizolovaného potrubí v zimních měsících se velmi osvědčilo použití prefabrikovaných izolačních poloskruží pro doizolovávání spojů potrubí oproti běžně užívaným vypěňovacím spojkám, které vyžadují zajištění optimálních teplotních podmínek při montáži.  Při uvádění terénu do původního stavu a jeho předávání majitelům a správcům, se osvědčilo provedení podrobné fotodokumentace původního stavu všech ploch.  Objektové předávací stanice jsou řešeny jako tlakově nezávislé. Výrobu a instalaci objektových předávacích stanic si zajišťovali majitelé objektů sami, dodavatel stavby dodal odběrateli výměník a měřič tepla. Vzhledem k tomu, že při předávání došlo k potížím při zprovozňování soustavy, doporučujeme řešit instalaci předávacích stanic v dalších případech prostřednictvím jednoho dodavatele. 2.2. Přehled významných událostí za první rok provozu kotelny Během prvních několika měsíců provozu kotelny došlo k událostem, které výrazně nepříznivě ovlivňovaly vytápění obce, jak z hlediska ekonomiky provozu, tak také dobrého jména zvolené technologie. V následujícím textu je uveden jejich stručný přehled : 1. kotel na slámu byl zapálen dne 22.1.2001 2. po dvoutýdenním provozu byla provedena dodavatelem topná zkouška v délce trvání 72 hodin. Vzhledem k námitkám ke kvalitě slámy (vlhkost, obsah zemních příměsí), dodavatel k provedení zkoušky dodal vlastní slámu. Avšak ani při použití slámy zjevně lepší kvality, nebyl provoz zcela bezproblémový, docházelo opět k obtížím při rozdružování slámy a při její dopravě do kotle, k tvoření větších kusů škváry a k potížím s jejím vyhrnování z topeniště 3. v průběhu topné zkoušky došlo k zaškolení obsluhy kotle – 2 zaměstnanci obce 4. dne 22.2.2001 došlo k předání kotle a tím i celé kotelny 5. při provozu se projevovaly důsledky zvýšené vlhkosti slámy, zejména na dopravní cestě – zastavování rozdružovacích válců, ucpávání šneků, cyklonu a řezačky 6. provoz kotle byl přetržitý, doba přerušení dodávky paliva byla 10 až 40 min. a nebylo dosaženo běžných provozních teplotních podmínek uvnitř spalovacího prostoru kotle 7. četnost přerušení se pohybovala v počtu 6 až 12 za dvanáctihodinovou směnu 8. do konce hlavní topného období (tj. do poloviny dubna), došlo k těmto závadám (k některým i opakovaně) : - utržení držáku motoru k pohonu dopravního pásu slámy - utržení a výměna řetězů k pohonu motoru dopravního pásu - slabá konstrukce dopravníku, při plném naložení nestejnoměrně dávkoval palivo - prašnost dopravované slámy v prostory kotelny navzdory její zvýšené vlhkosti - abnormální opotřebení rozdružovacích válců - ucpávání obou šneků i cyklonu - nefunkčnost hasícího zařízení šneku do kotle - tvoření velkých bloků škváry velikosti více jak 50 x 50 cm, které pohyblivý rošt nerozdružil tak, aby se škvára dostala ke šnekovému dopravníku - utržení šnekového spirálového dopravníku popele do venkovního kontejneru - nemožnost regulovat výkon kotle při dosažení hraniční teploty 95oC - nefunkčnost frekvenčního měniče ventilátoru sekundárního vzduchu - nefunkčnost frekvenčního měniče hlavního oběhového čerpadla - propálení izolace horního poklopu na stropě spalovací komory 9. některé z uvedených závad byly opraveny, některé však přetrvávají doposud. Vyměněn byl např. šnekový spirálový dopravník popele a nahrazen novým silnější, avšak i tento se občas utrhne. Není odstraněna příčina – tvoření velkých bloků škváry 10. během letní provozu došlo opakovaně k prasknutí zásobní nádrže vody ELBI o objemu 2.000 l – po 3. reklamaci byla vyměněna za 3 menší o objemu po 1.000 l 11. utržení domečku ložiska na dopravním stole balíků slámy, vliv nedostatečné dimenze 12. pro topnou sezónu 2001/2002 obec zajistila slámu s vlhkostí do 15% skladovanou pod střechou - její kvalita byla neproměnná 13. po zahájení nové topné sezóny došlo k dalším poruchám : - utržení hřídele dolního rozdružovacího bubnu - ohnutí tyče pohyblivého roštu ve spalovacím prostoru kotle - opakované snížení funkčnosti vynášecího šneku popele - ucpávání trubkovnice výměníku a ohříváku vzduchu - ubroušení a snížení funkce šneku na vynášení popele před kontejnerem 14. za vážný problém, který s ohledem na výše uvedené skutečnosti se zřejmě nemohl projevit během topné sezóny 2001, však lze označit : - i přes opakované čištění trubkovnic se nepodařilo do konce roku 2001 cca 1/3 z celkového jejich počtu zprůchodnit, byly nefunkční - i při dobré kvalitě spalované slámy dochází stále k tvoření velkých bloků škváry ve spalovacím prostoru kotle, které instalované zařízení není schopno zmenšit a obsluha kotle musí jedenkrát denně čelními dvířky (po rozebrání vyzdívky) bloky ručně rozbít a vyjmout. Kotel je nutno odstavit z provozu - tvoření kompaktní tvrdé hmoty vzhledu „skloviny“ v dohořívacím prostoru kotle (zaplnění celého prostoru ode dna až po trysky, tj. na výšku cca 45 cm), které lze odstranit jen pomocí sbíječek (riziko poškození vyzdívky kotle) - vysoká prašnost cyklonu, která se projevuje v místě vyústění na střeše kotelny Uvedené závady komplikují provoz zařízení a neposkytují provozovateli záruku jeho funkční spolehlivosti. 2.3. Dílčí vyhodnocení Podle údajů z konce roku 2001 bylo do rozvodné teplovodní sítě napojeno 64 rodinných domků a 5 komerčních a obecních objektů. Obec zaměstnává jednoho pracovníka jako obsluhu kotelny. Financování provozu je zajištěno zálohami od odběratelů, průměrná cena je 300Kč/GJ. Ekonomické výsledky za rok 2001 byly do značné míry ovlivněny neúplnou topnou sezónou a také tím, že se někteří odběratelé připojovali postupně v průběhu roku. Vzhledem k častým opravám na hlavním kotli a poruchám na dopravní cestě paliva, bylo nutné nahrazovat výpadek v zásobování teplem poměrně častým zapínáním kotle na LTO, vliv měla i skutečnost, že někteří občané obce spotřebovávali své staré zásoby uhlí. Lze však uvést několik údajů z hodnocení provozovatele do konce roku 2001 : - celkové přímé náklady na topení za období leden až prosinec 2001 . .686.700,- Kč - celkové množství vyrobeného tepla za toto období . . . . .5.323 GJ - a celkové množství prodaného tepla. . . .3.486 GJ - ztráty na výrobě . . .837 GJ - jednotkové náklady na vyrobené teplo 129,- Kč/GJ - jednotkové náklady na dodané teplo 197,- Kč/GJ Celková roční platba za vytápění rodinného domku v roce 2001 při celoročním odběru tepla a při výše uvedených cenách byla v rozmezí cca 15 až 20 tisíc Kč. Závěrem uvádím souhrn doporučení pro výstavbu zdrojů na biomasu jak vyplynuly ze zkušeností z realizace a z prvního roku provozu ve Velkém Karlově :  větší pozornost průzkumu budoucích odběratelů tepla a optimálně dimenzovat soustavu  zvážit vhodnost používaného paliva – sláma, štěpka nebo jejich kombinace - s cílem minimalizovat závislost na jeho dodavateli Optimální stav je provázání dodavatele paliva s dodavatelem tepla  zajistit zdroje paliva, provádět kontrolu jeho kvality, zabezpečit jeho skladování  dořešit problematiku využití popele bez nutnosti jeho ukládání na skládku  před zahájením výstavby zajistit financování díla a minimalizovat rizika možných výpadků  vybrat vhodné technologické zařízení, získat maximum informací o již používaných zařízeních využívajících biomasu u nás, včetně referencí, příp. i v zahraničí  zadat stavbu spolehlivému dodavateli  provádět důslednou kontrolu prováděných prací a realizovaných dodávek  převzít pouze kvalitní a plně funkční dílo  neopomenout včasné zažádání o udělení licence k výrobě a rozvodu tepla, zaškolení obsluhy kotelny, uzavřeních kvalitních smluv s odběrateli tepla apod. 2.4. Fotodokumentace 1. Pohled na dopravní pás s balíky slámy 2. Sklad paliva s nakladačem a začátkem dopravníku 3. Pohled na sklad paliva (vlevo), akumulační nádrž a část kotelny (vpravo) 4. Kotel na slámu po instalaci (bez úprav na přívodu sekundárního vzduchu) a kotel na LTO 5. Kotel na LTO, vpravo boční stěna kotle na slámo s původním řešením přívodu vzduchu 6. Zadní části kotlů a část trubních rozvodů. Otvor v dolní části kotle na slámu slouží jako přístup pro čištění výměníku 7. Zásobní nádrže na LTO 8. Pohled na budovu kotelny z ulice KONTAKT: novotny@upei.fme.vutbr.cz LITERATURA Sborník z pracovního semináře „VYUŽITÍ BIOMASY A CENTRÁLNÍ TEPELNÝ ZDROJ V OBCI VELKÝ KARLOV - příprava, výstavba a zkušební provoz“, 15.11.2001, Velký Karlov