Možnosti přeměny elektrické energie na teplo a jeho akumulace do velkých objemů vody

• Foto

DVA MOŽNÉ ZPŮSOBY

Existují dva základní způsoby, jak přeměnit elektrickou energii na teplo. Buď pomocí odporových ohřívačů nízkého napětí nebo odporových ohřívačů vysokého napětí. První se používá většinou při kapacitách maximálně 4 až 5 MW, protože investiční náklady na realizaci a velikost zařízení se zvyšují téměř lineárně s kapacitou. Princip této technologie spočívá v přenosu elektrického proudu přes rezistor uvnitř trubkového topného tělesa. To následně generuje teplo, které se přenáší do média. Kapacita takového zařízení je závislá na rozsahu plochy ponořeného trubkového topného tělesa. Nevýhodou je nutnost instalace transformátoru nízkého napětí, značný rozsah použitých kabelů a silových rozvaděčů, resp. rozvodných panelů, což má dopad do pořizovacích nákladů na zařízení a celkový zastavěný prostor.

Oproti tomu vysokonapěťové kotle jsou mimořádně kompaktní, a to zejména s ohledem na dosaženou vysokou kapacitu. Principem je vytvářet teplo tokem proudu mezi elektrodami, které jsou ponořeny ve vodě. Odpor generovaný ve vodě mezi fázemi vytváří teplo přímo v tomto médiu.

Společnost PARAT Halvorsen má dlouhou historii úspěšných realizací obou popsaných způsobů a nasazení zmíněných technologií. V tomto článku bude kladen důraz především na technologie vysokonapěťového kotle. Autor bude taktéž prezentovat rozsáhlé úvahy o výhodách, týkající se tohoto konkrétního výrobku a jeho možného využití.

STATE OF THE ART = SUPERMODERNÍ

Pojem ’State of the Art‘ často znamená nejvyšší úroveň zařízení, techniky nebo vědecké úrovně dosažených v určitém čase. V případě technologie vysokonapěťového kotle se tento pojem vztahuje k provozní spolehlivosti jednotky po celou dobu její životnosti. Proto, aby bylo možné o tomto našem produktu hovořit jako o ’State of the Art je důležité, aby byly naplněny tři klíčové faktory v návrhu produktu:

• Je třeba monitorovat tok energie, který zajišťuje potřebnou proudovou hustotu na povrchu elektrody. V případě, že proudová hustota je příliš vysoká, časem způsobí postupný úbytek materiálu elektrod. To pak snižuje ovladatelnost kotlové jednotky. Sekundární nevýhodou tohoto účinku je hromadění kovových částic ve vodě. Tu je pak potřeba v určitých cyklech odkalovat tak, aby byla zajištěna potřebná vodivosti. Tyto údržbářské úkony zvyšují spotřebu vody a snižují efektivitu zařízení.
• Je třeba zajistit, aby kotel kladl vysoký ohmický odpor proti uzemnění. Aby toto bylo možné, musí být dostatečná izolační schopnost použitého materiálu, který přivádí vodu z vnější nádrže do vnitřní komory. Správné provedení konstrukce zaručí velmi nízký zemní proud. Tento zanedbatelný zemní proud umožňuje velmi kompaktní konstrukci kotle, protože není potřeba mít ochranný izolační kryt kolem hlavního pláště kotle. U PARAT elektrokotlů byl naměřen zemní proud pod 50 mA.
• Pro provozní spolehlivost elektrokotle jsou zásadní minimální odstávky. Kotle by měly být provozovány non-stop po celý rok, pouze s krátkou interní kontrolou a prověrkou bezpečnostního systému. Kotel tak funguje 99 % času.

Elektrodové kotle PARAT splňují všechny tři uvedené požadavky.

APLIKACE A MOŽNOSTI

Vysoká tepelná kapacita, rychlá reakce na změnu, kompaktní instalace a celkově spolehlivý a téměř bezúdržbový provoz je vzácná kombinace výhod, které dělají z uvedené technologie vysokonapěťového kotle velmi užitečný nástroj pro širokou škálu průmyslových a technologických aplikací. Dále je uvedeno pouze několik typických příkladů. Možností je přitom daleko více.

Záložní zdroj

V mnoha tradičních kotelnách a teplárnách, je hlavní tepelný výkon založen na spalování topného oleje, uhelných nebo plynových kotlích. V případě nedostatku paliva, v době odstávek na údržbu, nebo poruchy, se mohou vysokonapěťové elektrodové kotle stát (díky svému rychlému startovacímu cyklu) efektivním záložním zdrojem tepla. Parat Halvorsen například nainstaloval vysokonapěťové elektrodové kotle jako záložní tepelný zdroj ve většině velkých nemocnic v Norsku.

Přepínatelný zdroj (Zuschaltbare Lasten)

Pojem „Zuschaltbare Lasten“ představuje „přepínatelné zdroje“. Velké elektrické zdroje lze totiž ovládat tak, že jsou jejich dostupné kapacity efektivně využity pro zajištění rovnováhy v rozvodných sítích, a to bez nutnosti odstavení zdroje energie z provozu. Technologie, které toto umožňují, se velice rychle a ve velkém měřítku zavádějí do konceptu provozu energetických zařízení.

Německá vláda je leaderem v tomto směru a intenzivně připravuje právní předpisy, aby byl tento koncept zajímavý i z dlouhodobého obchodního hlediska. Právní cesta je „umetena“ například pro instalaci „Zuschaltbare Lasten“ o výkonu 2 000 MW v severní části Německa. Toto zařízení bude kombinovat technologii Power to Heat s kombinovanou výrobou tepla a elektřiny. Díky této kombinaci dojde ke zdvojnásobení špičkového účinku celého zařízení. Klíčovým prvkem tohoto projektu je elektrokotel PARAT High Voltage, který zajistí spolehlivou realizaci těchto modernizovaných systémů.

Primární a sekundární regulace sítě

Jedním z hlavních požadavků na kotle v základním zařízení je schopnost zvýšit a snížit výkon od volnoběhu na plný výkon do 30 sekund. Vysokonapěťový kotel z Parat Halvorsen AS nabízí výjimečně rychlé regulační možnosti a splňuje požadavky na primární i sekundární regulaci pro parní a horkovodní systémy.

Primární zdroj tepla

Dnes jsme svědky stále častějšího využití elektrické energie jako hlavního zdroje energie pro výrobu tepla v malých a středních energetických závodech. Praktické dlouhodobé přínosy mohou v některých případech převažovat nad vyššími provozními náklady. Výjimečná spolehlivost, společně s čistotou a kompaktností zařízení, jsou významné výhody při zvažování různých alternativ.

Zařízení na volném moři

Velká zařízení pro zpracování ropy na pobřeží za běžných podmínek vyrábějí svou vlastní elektrickou energii pomocí plynové turbíny s rekuperací odpadního tepla. Na severním kontinentálním šelfu se připravují nové předpisy, které předepisují, aby procesní zařízení primárně spotřebovávalo energii z pevniny tak, aby snížili emise způsobené konvenčními elektrárnami s plynovou turbínou.

Zpracování surové ropy však obvykle vyžaduje značné množství tepla, které je tradičně poskytováno kombinací odpadního tepla ze strojovny a olejových/plynových kotlů. Pro naplnění právního předpisu bude potřeba alternativní zdroj tepla. Vysokonapěťový kotel je pak ideálním řešením vzhledem k výjimečně nízké hmotnosti a potřebnému prostoru pro instalaci a vysoké spolehlivosti systému. Parat Halvorsen dodala jeden takový vysokonapěťový kotel na plovoucí ropnou plošinu pro zpracování ropy, která byla v provozu od roku 2009. V příštích letech budeme zřejmě svědky instalací velkého počtu obdobných bezemisních zařízení v Severním moři.

From Power to Heat – Reflections on the state of the art and its applications
The global energy market is developing fast. Sustainable renewable energy sources like sun, wind, wave and hydro are being utilized at an increasing rate, allowing us to re-evaluate our traditional perspective in terms of energy usage and distribution. In order to maximize the utilization of the clean energy sources we need ways to harness the power independent of the varying demand. One of the most simple, clean and most efficient ways to store energy is by converting the electric power into heat and accumulate it in large volumes of water.

Autor

• Kristensen Kim