Pokrok v technologii plynových spalovacích motorů, rostoucí náklady na přenos energie a stále větší hrozba blackoutu zvyšují poptávku po lokální výrobě elektrické i tepelné energie v kogeneračních jednotkách. Od 60. let minulého století vlády vyspělých zemí preferovaly kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie ze zemního plynu. Tato tendence ještě více zesílila začátkem 70. let po první ropné krizi. V současnosti se výrobci i provozovatelé technologií zaměřují na to, aby kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie ze zemního (nebo alternativního) plynu byla komerčně zajímavá pro dodavatele i odběratele. Dnes jsme dokonce svědky situace, kdy v zemích s těžitelnými zásobami břidlicového plynu cena tohoto paliva klesá a zejména klesá závislost vyspělých zemí na importu. Přitom palivo představuje 70–90 % celoživotních vlastnických a provozních nákladů (TCO) na kogenerační jednotku. Investice do retrofitů uhelných elektráren spolu s vysokou cenou energie z obnovitelných zdrojů vedou k decentralizované výrobě energie. Tento způsob výroby energie je ve většině států (alespoň dočasně) podložen formou různých podpor, dotací, grantů, výhodných úvěrů, slev atd. Dělají to téměř všechny evropské státy, ale také 34 členských států v rámci USA. A tato technologická změna je podpořena vývojem plynových motorů. Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie totiž potřebuje výkonné motory s vysokou účinností, s nízkými provozními náklady a splňujícími současné (i v blízké budoucnosti platné) emisní limity. Navíc se požaduje provozuschopnost těchto motorů v různých klimatických podmínkách a při různém charakteru zatížení. Splnění těchto většinou protichůdných požadavků (například při snížení emisí většinou dojde ke zvýšení spotřeby paliva, požadavek na práci ve velké nadmořské výšce vede ke snížení výkonu atd.) si vyžádalo obrovské investice do vývoje, jež si mohli dovolit pouze ti největší výrobci. Strojírenská firma Caterpillar, která je největším výrobcem spalovacích motorů na světě, zvolila kromě vývoje vlastních motorů i cestu fúze s konkurenčním výrobcem MWM-Deutz, který je od roku 2011 součástí koncernu Caterpillar. K výraznému zlepšení technických parametrů motorů došlo po roce 2003 zavedením programu ARES (Advanced Reciprocating Engine Systems), podporovaným ministerstvem energetiky USA. Cílem programu bylo především zvýšit účinnost, snížit emise a prodloužit servisní intervaly. Během několika let se účinnost motorů zvýšila o více než 10 %. Díky mikroprocesorovému adaptivnímu řízení poměru vzduch/palivo pracuje motor na mezi klepání, a tudíž se optimálně využil. Vysoká teplota plnicího vzduchu na výstupu turbodmychadla je snížena na požadovanou úroveň mezichladičem. Výrobci zapalovacích svíček přišli s novými modely s vysokou trvanlivostí a konstrukce motorů se přizpůsobila vlastnostem nízkoenergetických paliv (skládkový plyn nebo bioplyn). Stále více však přibývaly nestandardní požadavky uživatelů, které vedly ke stavebnicovému řešení motorů i celých kogeneračních jednotek. A výrobci se museli přizpůsobit, včetně tradičně konzervativního Caterpillaru. Budoucí uživatel dodá vzorek paliva, popíše klimatické podmínky, zeměpisnou výšku a upřesní použití jakož i klíčový provozní cíl (např. nejvyšší úspora paliva, nejnižší emise, možnost zavádění po blocích). Výrobce pak přizpůsobí konstrukci a sestavu elektrocentrály tak, aby vyhovovaly konkrétním kritériím. Variabilita takového řešení je značná. Aplikační inženýři Caterpillaru mohou vybírat z množství kompresních charakteristik, pístů s různou konstrukcí pro konkrétní druhy paliva, různých turbodmychadel a konfigurací trysek, vzduchových soustav pro konkrétní stroj či různých algoritmů zapalování. To vše bez výrazného vlivu na cenu, což přináší další pokrok v technologii motorů, která překračuje dosavadní hranice a dosahuje nových hodnot elektrické účinnosti – až 44 %. Celková účinnost dosahuje až 90 % a splňuje požadavek české legislativy na tzv. vysoce účinné kogenerační zdroje. Velké změny proběhly v konstrukci systému odvodu spalin, kde je cílem laminární proudění na vstupu turbodmychadla. Rovnoměrný hmotnostní průtok spalin pak zaručuje, že všechny válce motoru pracují na stejné výkonové hladině. Podařilo se zvýšit i kompresní poměr, a to díky přechodu z Ottova cyklu (uzavírání sacích ventilů při dosažení dolní úvrati pístu) na Millerův cyklus, kdy jsou sací ventily uzavírány 10 až 15 stupňů před spodní úvratí. Tato změna zvyšuje účinnost motoru o cca 1 %. Při Millerově cyklu se při „doběhu“ pístu spolu s uzavřeným sacím ventilem směs vzduchu a paliva roztahuje, a tak chladí. Přitom se zvyšuje odolnost motoru proti klepání a umožňuje dosáhnout vyšší kompresní poměr 14 : 1 až 15 : 1 oproti 11 : 1 až 12 : 1 u Ottova cyklu. Vyšší kompresní poměr má za následek lepší využití paliva a zvýšení účinnosti stroje, ovšem za cenu sníženého výkonu při provozu ve velkých nadmořských výškách a vysokých teplotách nasávaného vzduchu. Motory Caterpillar, ať jsou vyrobené v USA nebo v Německu, používají jednotné elektronické řízení (TEM). To optimalizuje výkon elektrocentrály měřením teploty každého válce a seřízením spalovacích charakteristik pro minimalizaci spotřeby paliva a motorových emisí a pro prevenci klepání. Navíc, pokud si uživatel přeje, systém lze nakonfigurovat tak, aby řídil i další procesy kogenerační jednotky, jako jsou ventilátory chladičů, ventily, čerpadla, a další provozní funkce kogenerační jednotky. Možnosti dálkového přístupu umožňují uživatelům řízení z jediné dotykové obrazovky v rozvodně nebo z jakéhokoli PC připojeného k internetu. Zejména při použití nestandardních paliv se uplatní variabilní konstrukce pístů, která umožní optimální turbulenci paliva pro jeho dokonalé spalování v závislosti na jeho vlastnostech. Dochází k minimalizaci nevyužitého prostoru válce a je umožněno dokonalé spalování, čímž dochází i ke snížení emisí nespálených uhlovodíků a dalších škodlivin. Byly také vyvinuty speciální zapalovací svíčky pro spalování chudé směsi. Uvedené nespálené uhlovodíky spolu s olejovou mlhou, která obtéká pístní kroužky a vstupuje do klikové skříně, jsou separovány odvzdušňovací soustavou. Speciální filtrace odděluje olej a vrací jej do klikové skříně; nespálené palivo lze pak přesměrovat do palivové soustavy, což dále zvyšuje účinnost. Bezpochyby hlavním parametrem, který zajímá provozovatele kogenerační jednotky, jsou náklady na provoz a údržbu. Uvedené technologické změny umožnily přehodnotit intervaly údržby. Intervaly mezi výměnou zapalovacích svíček a olejů jsou navrženy stejné – 4000 hodin, což je cca 6 měsíců nepřetržitého provozu a je to více než dvojnásobek intervalu v případě tradiční technologie. Po zhruba 8 hodinách plánovaného rutinního servisu je motor připraven k provozu na dalších 6 měsíců, což vede k hodnotě dostupnosti 99,8 % v průběhu jednoho roku. Intervaly střední opravy (většinou zahrnuje opravu hlavy válce) jsou až 32 000 hodin (tuto hodnotu lze snížit v případě použití nečištěných bioplynů) a intervaly generálních oprav jsou 64 000 hodin bez ohledu na kvalitu paliva. Celková dostupnost je pak 98 %. Významné snížení provozních nákladů se dosáhlo díky nízké spotřebě oleje. Tak například 20válcová elektrocentrála Cat G3520E o výkonu 2 MWe má spotřebu oleje poloviční oproti předchozímu typu, a při trvalém provozu tak ušetří 2250 litrů oleje za rok. Boom, který můžeme sledovat ve výstavbě kogeneračních jednotek a ve výstavbě bioplynových stanic, potvrzuje, že technologie kombinované výroby elektřiny a tepla má své nesporné výhody. Aplikační rozsah je impozantní: od mikrokogenerací o výkonu desítek kW pro rodinné domky až po velké jednotky o výkonu desítkek MW, které zabezpečí celé město. Kromě již uvedených technologických změn lze v budoucnu očekávat větší rozšíření akumulace tepla, použití nouzových dieselgenerátorů ke kombinované výrobě elektřiny a tepla nebo větší využití tepla v bioplynových stanicích pomocí ORC jednotek. Ing. Karel Kuchta, CSc., Power Systems Marketing Manager
