Aktuální vydání

celé číslo

11

2018

SPS IPC Drives 2018

Elektrické, hydraulické a pneumatické pohony

celé číslo

Efektivní plánování kombinované výroby tepla a elektřiny při spalování odpadu

1. Úvod

Odpadové hospodářství v České republice se blíží k roku 2024, kdy nastane zákaz ukládání směsného komunálního odpadu (komunální odpad po vytřídění materiálově využitelných a nebezpečných složek) a recyklovatelných a využitelných odpadů na skládku. Nařízení vychází z novelizovaného zákona o odpadech 185/2001 Sb., uvedeného v platnost 1. 7. 2017. Způsob nakládání s odpadem se změní a významnou roli zde budou muset sehrát zařízení na energetické využití odpadu (ZEVO).

V současné době má Česká republika čtyři ZEVO. Jde o ZEVO v Praze s instalovanou zpracovatelskou kapacitou 310 kt odpadu ročně, v Brně s kapacitou 240 kt ročně, v Liberci s kapacitou 96 kt ročně a v Plzni s kapacitou 95 kt ročně. Brněnské zařízení plánuje do budoucna rozšíření kapacity. Pražské ZEVO započíná renovaci současného zařízení při zachování kapacity. ZEVO v Liberci si rozšíření z důvodu omezeného dispozičního řešení areálu v centru města nemůže dovolit. Plzeňské ZEVO bylo teprve nedávno uvedeno do provozu. Celkově jde o necelých 750 kt/rok. Podle odhadů bude v roce 2024 k dispozici směsný komunální odpad nad rámec současných kapacit ZEVO. Jestliže se tedy výrazně nezměnění odpadové hospodářství (minimalizace obalových materiálů, zvýšení podílu recyklace apod.), nebudou zmíněné kapacity pokrývat produkci spalovaných odpadů a bude nutné přejít k výstavbě nových zařízení.

Z hlediska kvality nakládání s opadem se celá Evropská unie řídí podle hierarchie nakládání s odpadem. Energetické využití odpadu je nedílnou součástí této hierarchie a kvalitního odpadového hospodářství. Je nutné zajistit vysokou efektivitu provozu jednotky ZEVO a z odpadu využít maximální množství energie. Proto byl vyvinut nástroj ZEVO Plan, který pomáhá ZEVO správně řídit provoz z pohledu efektivního využití energie. 

2. Provoz ZEVO

Na výrobu energie v ZEVO má vliv mnoho dílčích prvků. Především jde o spalovací rošty, systém na čištění spalin, kondenzátory a turbogenerátor. Zjednodušené schéma ZEVO je na obr. 1. Odpad se skladuje a homogenizuje v bunkru, poté je spalován v kotlech. Horké spaliny ohřívají vodu, která se mění na páru a dále putuje potrubním systémem na turbínu nebo přímo do tepelné sítě (CZT) přes výměníky tepla. Spaliny procházejí systémem na čištění spalin (sušička, filtry) a poté jsou vypouštěny do ovzduší.

Efektivní provoz rozsáhlého technologického celku je spojen s plánováním konkrétních produkčních provozních parametrů na určitý čas dopředu. Každá část ZEVO má své technické parametry, podle kterých lze přibližně odhadnout produkci energie na výstupu. Významný vliv zde má kvalita měření a regulace. Čím novější technologie, tím přesnější odhad lze provést. ZEVO dodává elektřinu do sítě prostřednictvím zprostředkovatelů, dodává tedy předem stanovené množství podle smluvních závazků. Součástí smluv je i toleranční pásmo a předem stanovené sankce. Produkce se plánuje obvykle na jeden den dopředu, což v případě ZEVO bývá obtížné z důvodu proměnlivé výhřevnosti odpadu, proměnlivých technologických odběrů páry apod. Proto byl vyvinut software ZEVO Plan, který odhad značně usnadňuje, zrychluje a také zpřesňuje.  

3. Software ZEVO Plan

Software ZEVO Plan, vyvinutý na pracovišti autorů, provádí simulační výpočet provozu ZEVO, jehož výsledkem je množství elektrické energie dodávané do sítě. Jádrem softwaru je matematický model provozu ZEVO. Hlavní modelované technologické uzly jsou na obr. 1 zvýrazněny podtržením.

Model předpokládá ustálený stav provozu ZEVO. Přechodové stavy nejsou v tomto případě podstatné. Model celého zařízení kombinuje hmotnostní a energetické bilance a termodynamické modely s regresními modely založenými na provozních datech. Pro regresní modelování byly použity umělé neuronové sítě [1]. Ty jsou určeny zejména pro modelování složitějších nelineárních systémů. Při tvorbě regresních modelů hraje hlavní roli příprava provozních dat, která de facto rozhoduje o reálné kvalitě modelu. Jsou-li data kvalitní, poskytují tyto modely také velmi kvalitní výsledky a lépe postihují reálný stav než modely analytické.

Software je vytvořen v MS Excel, kde je výpočtové jádro implementováno pomocí jazyka Visual Basic for Applications a sešity v MS Excel slouží jako uživatelské rozhraní (obr. 2). To je výhodné vzhledem k tabulkovému formátu vstupů. 

4. Současný stav a sběr dat

Od roku 2015 byl software zdokonalen na dostatečnou úroveň, aby byl uveden do provozu. V současné době je plně přizpůsoben na míru pražského ZEVO, kde je momentálně využíván. Vyvinutá metodika je však přenositelná i na jiná zařízení.

Dosavadní odhady v Praze prováděl energetik na základě technických parametrů technologických zařízení a zároveň z dosavadních zkušeností. Nelze však udržet v paměti veškeré provozní stavy, které v průběhu provozu nastaly. Také není potvrzeno, jak kvalitní odhady byly. Při sestavování modelu byla použita data za celou dobu monitorovaného provozu, tj. za necelých šest let. Při sběru dat je podstatné prověřit veškerá dostupná data, která by mohla být pro model významná. Například vliv okolní teploty se může zdát zanedbatelný, ale ve skutečnosti hraje významnou roli. Stejně jako teplota byly prověřovány i srážky, u nichž se předpokládal vliv na vlhkost odpadu, a tedy jeho nižší výhřevnost (vliv srážek se nakonec ukázal nepodstatný). 

Nejdůležitějšími parametry, tedy vstupy pro model, zůstaly: počet kotlů v provozu, výkon kotlů, okolní teplota, technologický odběr páry, dodávka tepla do CZT, denní hodina a den v týdnu. Většina těchto dat je dostupná z interního systému ZEVO, ale např. předpověď okolní teploty se získává z veřejně dostupných dat. 

5. Simulační výpočet

Odhad kogenerační výroby je složitý zejména vzhledem k proměnlivosti parametrů. Některé mají náhodný charakter (buď jsou skutečně náhodné, např. výhřevnost odpadu, nebo nejsou k dispozici všechny významné vstupy). Do většiny modelů proto vstupuje náhodná složka, která se snaží tyto neurčitosti modelovat. Pro výpočty je poté nutné použít speciální metodu.

V softwaru ZEVO Plan je využita metoda Monte Carlo. Generátor náhodných čísel je použit k získání hodnot náhodných složek obsažených v modelech. S těmito hodnotami se odsimuluje provoz ZEVO a výsledek se zaznamená. To se provede mnohokrát (tisíce běhů simulací) vždy pro nově vygenerované hodnoty náhodných složek. Z výsledku těchto simulací lze sestavit histogram výroby elektrické energie, najít průměr, medián, popř. stanovit množství výroby elektrické energie na základě požadované jistoty splnění plánu pro každou denní hodinu.

Díky tomu je možné lépe predikovat výrobu energie, podle toho nastavit plán a zvýšit tím účinnost celé výroby. Při nesprávném odhadu je totiž třeba energii mařit, aby byly dodrženy naplánované hodnoty. 

6. Plány do budoucna

Současný stav softwaru ZEVO Plan je přizpůsoben přesně na míru ZEVO Malešice v Praze. Do budoucna lze uvažovat nad modely přechodových stavů, zejména najíždění a odstávky kotlů. Přestože tyto stavy nastávají zřídka, byla by to další přidaná hodnota. Dalším plánovaným doplňkem je sledování vývoje klíčových parametrů v dlouhodobějším výhledu. Sledování by mohlo přinést např. informace o pozvolném poklesu výkonu kotlů z důvodu zanášení, kterého si obsluha zařízení nemusí všimnout. Program by na pokles upozornil a nemuselo by dojít k neplánované odstávce.

Při použití modelu v jiném provozu by ho bylo nutné upravit podle konkrétního systému. Celý proces by však už byl podstatně kratší díky již nabytým zkušenostem, know-how a připravenému softwarovému rozhraní. 

Autoři srdečně děkují za finanční podporu poskytnutou Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky v rámci standardního projektu specifického výzkumu FSI-S-17-4526 a Technologickou agenturou České republiky v rámci výzkumného projektu č. TE02000236 Waste-to-Energy (WTE) Competence Centre.

 

Ing. František Janošťák, Ing. Michal Touš, Ph.D., Ing. Martin Pavlas, Ph.D.,
Ing. Jiří Kropáč, Ph.D., Ing. Radovan Šomplák, Ph.D. ústav procesního inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně (frantisek.janostak@vutbr.cz)
 

Lektoroval: Ing. Jiří Hloska, Ph.D.


Obr. 1. Zjednodušené schéma pražského ZEVO Malešice (technologické uzly, které jsou součástí modelu ZEVO, jsou podtrženy)

Obr. 2. Náhled uživatelského prostředí softwaru ZEVO Plan