Naujausia nacionalinė energetikos strategija numato itin ambicingus planus, susijusius su elektros energijos gamyba iš atsinaujinančių energijos išteklių (AEI) – 2050 metais 80% reikalingos elektros energijos pagaminti iš AEI.

Iš visų AEI paminėta tik vėjo energija, nors dar 2015 metų strategijoje ir ypač ankstesnėse, biokuras minimas kaip svarbiausiais AEI. Ar tai reiškia, kad šio kuro sunaudojimas jau pasiekė ribą? Miškų plotai mažėja?

Net jei ir taip, vis dar turime daug rezervų. Juk kol kas beveik nepanaudojamos miško atliekos ir šiaudai, kurių šiluminė vertė yra mažiausiai 9 TWh. Dar apie 8 TWh šilumos galima gauti dabar dirvonuojančiuose plotuose (beveik 300 tūkst. ha) auginant vadinamus energetinius augalus. Taigi, beveik pusę šiandien Lietuvoje suvartojamos elektros energijos galėtume pagaminti vien iš paminėtų biokuro rezervų, priimant kad šilumos konversijos į elektrą efektyvumas yra 30 %.

Energetikos specialistai ir verslininkai turi svarių argumentų, kurie prieštarauja tokiai perspektyvai. „Iš šlapios medienos daug elektros nepagaminsi“, sako jie. Ir iš tikro, šviežiai nukirstos ir sudrožliuotos medienos degimo temperatūra – vos 700-800 °C, todėl vandens garo temperatūra prieš turbiną yra palyginti žema, elektros gamybos efektyvumas – tik 20 %. Norint didesnio efektyvumo, medieną reikia džiovinti, o tai susiję su papildomomis energetinėmis ir kapitalo sąnaudomis.

Bet tai dar ne viskas. Net ne energetikas pasakys, kad elektros savikaina priklauso nuo jėgainės dydžio, t. y. gaminamos produkcijos apimčių. Tačiau biokuro jėgainių dydį riboja jai tiekiamo kuro optimalus logistinis spindulys (iki 50km), kuris, esant Lietuvos miškingumo lygiui, leidžia statyti ne didesnes, kaip 20MW elektrinės galios jėgaines. Tokios jėgainės ne tik neefektyvios, bet ir santykinai brangios. Tai Vokietijos šios rūšies energetikos plėtros patirtis. Palyginimui, optimali šiuo požiūriu vandens garo ciklo („Rankine cycle“) jėgainių galia deginant iškastinį kurą yra 400-800MW.

Nežiūrint to, biokuro elektrinių, ypač kogeneracinių, plėtra pasaulyje ir ypač ES yra akivaizdi, ji skatinama ir finansiškai remiama, nes visiškai atitinka energetinę ES strategiją ir pasaulinę gamtosaugos politiką.

Lietuvoje biokuro energetika plėtojosi ypač sparčiai, kas iš dalies lėmė, kad buvo nueita paprastesniu, vien šilumą gaminančių jėgainių statybos keliu. Dabar, kai beveik visas šalies šilumos ūkis paremtas biokuru, pasigirsta aimanavimų, kad niokojami miškai, kad medienos atsargos neva mažėja ir kad šiluminių jėgainių keitimas į kogeneracines dabar jau neracionalus. Nedidelės galios šio tipo jėgainės yra komplikuotos, brangios, elektros gamyba neefektyvi, be to, tam pačiam pagaminamam šilumos kiekiui reikia daugiau biokuro, dėl to miškai bus niokojami intensyviau. Trumpiau – biokuro elektros jėgainės į traukinį pavėlavo.

ORC technologijos privalumai

Vandens garo, arba įprastinio Renkino ciklo technologija, be jau paminėtų trūkumų, yra per sudėtinga mažoms elektros ar kogeneracinėms jėgainėms. Garas Renkino jėgainėse turi būti plečiamas iki labai žemo slėgio, todėl į sistemą iš aplinkos patenka nesikondensuojančių dujų. Oras pažeidžia šilumos mainų efektyvumą, o deguonis dar ir sukelia koroziją. Be to, po išsiplėtimo garas pradeda kondensuotis, todėl galinės turbinos mečių pakopos yra veikiamos erozijos, jas būtina nuolat prižiūrėti ir remontuoti. Tai technologija, paremta aukštais garo termodinaminiais parametrais, kas ypač brangina garo generavimo įrenginį. Mažos galios Renkino jėgainėms visų šių problemų sprendimas yra santykinai brangesnis.

Kitos elektros gamybos technologijos panaudojant biokurą dar tik vystomos. Medienos gazifikacijos technologija atrodo viliojančiai, tačiau kol kas yra brangi. Oro turbinos ciklas šiandien gali pasiekti vos 20% efektyvumą ir nėra perspektyvus, kol nebus patikimų šilumokaičių, išlaikančių itin aukštas temperatūras.

Kitaip yra su Organinio Renkino Ciklo (ORC) technologija. Ši technologija sparčiai vystoma, jos tyrimams skiriamas dėmesys ir lėšos sparčiai didėja ir artėja prie įprastinio Renkino ciklo problematikai skiriamo lygio, nors ši technologija per daugiau kaip šimtą metų išsivystė į kelis šimtus modifikacijų (1 pav.)

Organinis Renkino ciklas – nauja technologija, nors ir pavadinta beveik prieš du šimtus metų gimusio škotų mechaniko inžinieriaus (William J.M.Rankine) vardu. Žodis „organinis“ reiškia, kad ciklo darbo agentas yra ne vanduo, o organinės kilmės, dažnai iš naftos gaunama medžiaga. Didelė kilomolinė masė lemia mažą garso greitį dujinėje fazėje ir net 200-300 kartų didesnį garo tankį po išsiplėtimo turbinoje. Abu šie faktoriai gerokai atpigina turbiną. Kadangi šių medžiagų kritinė temperatūra nedidelė, nereikia aukštos garų temperatūros prieš turbiną.

Dar dvi organinių darbo agentų savybės daro turbiną patikimesnę. Organiniai darbo agentai yra vadinami sausaisiais, nes po garų išsiplėtimo turbinoje kondensacija nevyksta, todėl nevyksta ir mentelių paviršių erozija. Jų ilgaamžiškumas yra 30-40 metų be specialios priežiūros. Kita savybė – aukštesnis už aplinkos garo po turbinos slėgis – didina ne vien turbinos, bet visos sistemos patikimumą, nes į sistemą oras nepatenka. Visos sistemos patikimumą didina dar ir tai, kad garo generatorius yra ne degimo kameroje, o veikia kaip įprastas šilumokaitis (2 pav.).

Degimo kameroje cirkuliuoja vadinamas šilumos agentas – specialus, aukštai temperatūrai atsparus tepalas. Tokia sistema užtikrina saugumą, taip pat sklandų ir visiškai automatizuotą garo generatoriaus darbą.

ORC technologija turi ir trūkumų. Tarpinis šilumos agentas sukuria papildomus termodinaminius nuostolius dėl nevisiškos rekuperacijos, todėl iš degimo kameros išeinančių dūmų temperatūra yra bent šimtu laipsnių aukštesnė. Dalis šilumos grąžinama į sistemą regeneratoriuimi, tačiau 150°C temperatūros dūmų išmetimas į kaminą reiškia, kad jėgainė patiria iki 30% šilumos nuostolių.

Kurį laiką (dažnai ir dabar) rimtais vertinti dar du jėgainės trūkumai – nedidelė jėgainės galia ir žemas elektros gamybos efektyvumas. Abu jie susiję su pirmine tokių jėgainių paskirtimi. Prieš 2-3 dešimtmečius, kai tapo aišku, kad iškastinio kuro kaina nuosekliai kils, ši technologija pradėta taikyti elektros gamybai panaudojant pramonės atliekamą bei geoterminę žemės gelmių šilumą. Abu šilumos šaltiniai paprastai būna žemo potencialo, todėl rekuperatoriaus (žr.2 pav.) panaudojimas neturi prasmės. Elektros gamybos efektyvumas, tokiu atveju, nesiekia ir 20%. Rekuperatorius atsirado ir yra efektyvus biokuro jėgainėse. Biokuro degimo temperatūra yra per žema vandens garo ciklui, tačiau ORC jėgainėms jos pakanka. Po turbinos garo temperatūra, šiuo atveju, išauga maždaug 200 °C, todėl yra galimybė dalį šios šilumos grąžinti atgal į elektros gamybos ciklą. ORC efektyvumas dėl to išauga iki 30 %. Jį galima padidinti iki 34, o žiemą beveik iki 36 procentų, jei panaudojama du trečdaliai dūmų šilumos po regeneratoriaus (2 pav.). Tokį elektros gamybos efektyvumą pasiekia tik didelės galios vandens garo biokuro jėgainės, kūrenamos džiovintomis medžio drožlėmis, gabenamomis gerokai iš toliau, dažniausiai laivais. Toks kuras daug brangesnis.

Na, o maža ORC jėgainių galia biokuro panaudojimo atveju, kaip jau minėta, greičiau ne trūkumas, o privalumas. Mažesnės galios jėgainės transportavimo išlaidos mažesnės. ORC jėgainių atveju būtų racionalu eiti dar toliau – ORC jėgaines statyti energetinių augalų auginimo teritorijose, šalia miškų ar net ir juose, kur kaip tik reikalinga didesnė CO₂ koncentracija.

Tai naujas požiūris. Kuras neperkamas, o gaminamas vietoje. Išlaidos kurui, matysime, sumažėja daugiau kaip dvigubai, nors Lietuvoje biokuro kaina yra viena žemiausių Europoje.

Vieno hektaro energetinių augalų galia yra 3-4 kW, jauno miško – 2-3 kW, taigi 2-4 MW galios jėgainei reikia apie tūkstančio hektarų miško ploto. Gaminant kurą vietoje, jo nereikėtų toli transportuoti, net nereikia sunkvežimių, nereikia kuro terminalo, kur suvežama šviežiai nupjauta mediena, ji drožliuojama ir vėl kraunama transportavimui į naudojimo vietą. Užtenka dviejų specialių skirtingos paskirties traktorių, drožliavimo kombaino, dirbančio greta kuro padavimo į degimo kamerą transporterio, taip pat kelių su pjūklais dirbančių darbininkų.

Ekonominis vertinimas

ORC jėgainių kaina yra maždaug pusantro karto mažesnė už vandens garo biokuro jėgainių. Santykiniai vieno elektros kW kaštai, nuo projektavimo iki tinklų pajungimo ir jėgainės paleidimo, yra 2-3 tūkst.$/kW, todėl 3 MW ORC jėgainė turėtų kainuoti apie 7,5M€. Kaip minėta, šios jėgainės ilgaamžės ir jų pastovieji gamybos kaštai maži – sudaro 2% nuo jėgainės kainos, tai yra, ~0,15M€ per metus. Bankui kasmet reikėtų mokėti 0,53M€, priimant 25 metų paskolos terminą su diskonto norma 0,05.

Kintamosios gamybos išlaidos susijusios su medienos auginimu ir ruošimu bei žemės nuoma, priimant, kad kuras neperkamas, o gaminamas vietoje. Šiluminė jėgainės galia yra 8,5MW, jei priimame, kad šilumos konversijos į elektrą efektyvumas yra 35%. Tokiai šilumos galiai per valandą reikia paruošti 11,4 tonos 50% drėgnumo medienos drožlių, jei dirbama 8 valandas per parą. Vadovaudamiesi Padovos universiteto paruoštu medienos kuro vadovu ( V. Francescato, E. Antonini „Wood fuel handbook“, AIEL, 2008) randame, kad tokiam kiekiui reikia vieno, tačiau didelio našumo drožliavimo kombaino, kurio našumas yra virš 13 tonų/val., o kaina – 150 tūkst.€. Dar reikia jau minėtų dviejų specializuotų traktorių („tractor winch“ ir „tractor trailer“), kainuojančių po 50tūkst.€, keturių pjūklais (vieno pjūklo kaina 800€) dirbančių darbininkų, taip pat dar vieno darbininko ir inžinieriaus. Viso pagrindinėms gamybos priemonėms reikia 253 tūkst.€, kitoms smulkmėms – dar 38 tūkst.€. Taip viso gauname 291 tūkst.€, o įvertinus 10 metų infliaciją (šaltinis yra 2008 metų), ši suma išauga iki 355 tūkst.€. Priėmę, kad pjūklai susidėvi per metus, o sunkioji technika per 7 metus, gauname, kad metinės šio kapitalo išlaidos yra 55 tūkst.€. Išlaidos aštuonių žmonių atlyginimams su mokesčiais (vidutiniškai 1500€/mėn.) – 144 tūkst.€, kurui 21 tūkst. o dirvonuojančios žemės nuomai – 50tūkst.€ per metus.

Taigi, išlaidos kurui per metus sudaro 0,27M€. Jei šį kurą pirktume pagal dabartines kuro kainas (11 €/MWh), išlaidos būtų 0,737M€.

Bendros metinės įmonės išlaidos būtų 0,95 M€, jei kurą gaminame vietoje ir 1,42M€, jei kuras perkamas.

Pajamos priklauso nuo elektros pardavimo kainos ir jėgainės galios išnaudojimo koeficiento, kuris ORC jėgainėms turėtų būti aukštesnis nei įprastinių jėgainių, tai yra 0,9 vietoje 0,85. Per metus jėgainė dirba 7884 valandų, per kurias pagamina 23652 kWh elektros energijos. Atmetus 4%, arba 946 MWh pačioje jėgainėje suvartojamos elektros, į tinklus parduodama 22706 MWh. Lietuvoje mažesnės nei 10MW galios biokuro jėgainių elektros energija superkama po 57€/MWh. Vadinasi, per metus gaunama 1,29M€ pajamų.

Jei kuras auginamas vietoje, bendras išlaidų ir pajamų balansas yra teigiamas – 340 tūkstančių eurų. Jei kuras būtų perkamas biržoje, įmonės veikla taptų nuostolinga – minus 127tūkst.€.

Kaip matome, net be valstybės paramos, ORC projektas yra komerciškai patrauklus ir jau dabar galėtų dominti stambius ūkininkus, turinčius ar galinčius įsigyti žemės energetiniams augalams auginti, taip pat auginančius daug grūdinių kultūrų. Šiaudus toli transportuoti dar sudėtingiau nei medieną, todėl šalia esanti arba net nuosava ORC jėgainė gerokai pagerintų ūkio ekonomiką. Kasmet gaunami apie 100 tonų pelenų galėtų būti panaudojami laukų tręšimui ar vietinių kelių taisymui.

Post scriptum arba diskusijai

Mokslinėje ir informacinėje literatūroje nurodomas žemesnis biokuro ORC jėgainių efektyvumas, nei naudojamas šiuose skaičiavimuose. Jis siekia apie 20%, tuo tarpu priimtas dydis yra 35%. Tai ne klaida.

Šiuolaikinės biokuro ORC jėgainės paprastai yra kogeneracinės, t. y. jos gamina elektrą ir šilumą, kai nagrinėjama jėgainė yra vien elektros. Vien elektrą gaminančios jėgainės yra efektyvesnės (beje, bent penktadaliu pigesnės). Palyginus su vandens garo ciklo jėgainėmis, minėtas efektyvumo skirtumas yra ženkliai didesnis. ORC kogeneracinių jėgainių efektyvumas palyginus su vien elektrą gaminančiomis mažėja pusantro karto, kai garo ciklo – maždaug trečdaliu. Tai reiškia, kad 20 % kogeneracinių ORC jėgainių efektyvumas išauga iki 30 % ORC jėgainėms, gaminančioms vien elektrą. Be to, ORC atliekinę šilumą į aplinką gali nuvesti, esant žemesnei kondensacijos temperatūrai, kai vandens garo ciklo ši temperatūra yra apie 35ºC tiek vasarą, tiek žiemą. Vadinasi, ORC jėgainių efektyvumą šaltuoju metų laiku galima ženkliai padidinti. Net ir vasarą galima siekti žemesnės nei 30ºC temperatūros, jei šalia yra nedidelis vandens telkinys ar upelis. Pavyzdžiui, Merkio, kurio vidutinis debitas yra apie 30 m³/s, vanduo nagrinėjamos jėgainės atveju būtų pašildomas nepilnu laipsniu. Darbo agento kondensacijos temperatūra sumažėtų bent 6ºC, dėl to elektros ciklo efektyvumas išaugtų dviem procentiniais punktais.

Kitaip yra su aukščiau paminėtu efektyvumo prieaugiu iki 34 %, o žiemą beveik iki 36 %, jei būtų panaudojama išeinančių iš degimo kameros dūmų šiluma. Minėta šiluma elektros gamybai kol kas nepanaudojama, nes kogeneracinių jėgainių atveju ji išnaudojama šilumai gaminti. Vien elektrą gaminančiose ORC jėgainėse šią gana aukšto potencialo šilumą išnaudoti tiesiog būtina. Tam gal net galima panaudoti tą patį ekonomaizerį, kuris naudojamas termofikaciniam vandeniui šildyti šiuolaikinėse ORC jėgainėse. Jėgainės kaina dėl to nepadidėtų, o papildomas efektas siektų 20%.

Ekonominiai skaičiavimai remiasi keliais literatūros šaltiniais. Pagrindinis dydis yra jėgainės kaina. Čia galima rasti, kad vieno kilovato kaina siekia 4000 $ ir daugiau, tačiau tai yra mažesnių jėgainių kaina. ORC jėgainių galia prasideda nuo 50kW ir aišku, kad tokių jėgainių santykiniai kaštai yra didesni. 3 MW elektrinės galios ORC jėgainė priskiriama prie didesniųjų, todėl buvo pasirinkta santykinė kaina – beveik 3000 $/kW_el arba 2500 €/kW_el, iš kur visos jėgainės kaina – 7,5 M€.

Jėgainės komerciniam patrauklumui svarbi elektros supirkimo kaina. Ji nėra rinkos kaina, nors ir ši svyruoja. Tačiau žaliosios elektros supirkimo kaina bent artimiausius 2-3 dešimtmečius bus aukštesnė už rinkos kainą, nes tai susiję su gamtosaugine politika bei strateginiais energetinio saugumo tikslais. Lietuvoje šios rūšies elektros supirkimo kaina yra viena žemiausių. Pavyzdžiui, Vokietijoje, kur ORC jėgainių yra daugiausiai (beje, viena jų šiais metais pastatyta Latvijoje), minėta kaina yra beveik tris kartus aukštesnė. Taigi, didėjant išlaidoms darbo jėgai ir pačiam medienos kurui, elektros supirkimo kaina taip pat turėtų atitinkamai didėti.

ORC efektyvumas dabar didėja sparčiau, nei įprasto vandens garo ciklo efektyvumas šios technologijos evoliucijos metu. Ypač aukšti yra turbinos rodikliai. Jie jau dabar pranoksta garo turbinų efektyvumą. Pavyzdžiui, garo turbinų 90% efektyvumas pasiekiamas tik labai didelėse, šimtų MW galios jėgainėse, o mažesnėse kaip 5MW jėgainių jis nesiekia ir 80%. Tuo tarpu ORC tokios galios turbinos jau dabar dirba 90% efektyvumu. Pranašesnės jos ir vadinamu „flexibility“ parametru. Jei įprastinio Renkino ciklo jėgainių naktinę galią sumažintume du kartus, jos efektyvumas sumažėtų beveik tiek pat. Tai reiškia, kad galios kaitaliojimas, siekiant daugiau gaminti brangesnės elektros, naudos neduotų. Tuo tarpu, ORC šis parametras tiesiog įstabus – dvigubas galios sumažinimas efektyvumą žemina vos dešimčia procentų, taigi naktį jėgainė gali dirbti beveik tokiu pačiu efektyvumu, kaip ir dirbdama nominalia galia.

Vytautas Dagilis
KTU profesorius

Komentarai (5)