Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp. 229 236. TÁVHŐSZOLGÁLTATÁS KITERJESZTÉSÉNEK ÉS A FÖLDGÁZALAPÚ HŐTERMELÉS BIOMASSZA TÜZELÉSSEL VALÓ KIVÁLTÁSI LEHETŐSÉGEINEK ELEMZÉSE DISTRICT HEATING SYSTEM EXTENSION AND REPLACEMENT OF NATURAL GAS BY BIOMASS IN THE HEAT PRODUCTION KOÓS TAMÁS *, KÓKAI PÉTER ** * Miskolci Egyetem, Tüzeléstani és Hőenergia Intézeti Tanszék 3515 Miskolc-Egyetemváros tuzkt@uni-miskolc.hu ** MIHŐ Miskolci Hőszolgáltató Kft. 3534 Miskolc, Gagarin u. 52. kokai.peter@miho.hu Napjainkban a távhőellátás elsősorban a városokra, ezen belül is kiemelkedően a nagyvárosokra jellemző fűtési mód. A továbbfejlesztésnek két lehetséges útja a meglévő szolgáltatási hálózatok kiterjesztése, illetve a kisebb településeken a távhőszolgáltatás meghonosítása. Miskolcon található Magyarország második legnagyobb távfűtő rendszere, melyet a MIHŐ Miskolci Hőszolgáltató Kft. üzemeltet [1]. A legnagyobb hőfogyasztók közé a közintézmények iskolák, óvodák stb. tartoznak. A cég a rendszerhez nem tartozó intézmények minél nagyobb arányú bekötését és az erre nem alkalmas épületek fűtésének biomassza alapon történő megoldását tervezi. A terv megvalósítása más települések számára is mintául szolgálhat. Kulcsszavak: biomassza, távfűtés, megújuló energiák. Nowadays district heating systems are operated mainly in big cities. There are two main parts of their development. One of them is the extension of the actual network; the other one is to build district heating systems for smaller cities. The city of Miskolc has the second largest district heating system in Hungary operated by the city s heat supplier company called MIHŐ Ltd. [1]. The biggest heat consumers are the buildings owned by the local government e.g. primary and secondary schools, kindergartens etc. The future conception is to connect most of the municipal buildings to the district heating pipeline. And the buildings that can t be connected, will be equip with heating system based on biomass fuels. This can be a model for other towns. Keywords: biomass, district heating, renewable energy sources. Bevezetés Az intézményi és lakossági hőszolgáltatásban nagy szerepe van a távhőellátásnak. Sajnos a fogyasztók az utóbbi két évtizedben a távhőellátás fogalmát a panelfűtés problémáival azonosítják nem minden ok nélkül. A távfűtés azonban számos nyugati országban igen közkedvelt és megbecsült hőellátási forma, mely nagy megelégedésre működik. A jól megtervezett, az egyedi igényekhez igazodva jól szabályozható és megfelelő energiahatékony-
230 Koós Tamás Kókai Péter sággal üzemeltetett távfűtés számos előnyt jelent az egyedi fűtési módozatokkal szemben. A központosított hőfejlesztés a jól kézbentartott és ellenőrzött, biztonságos ellátást jelenti. Jók az energiafelhasználási mutatói, nem utolsó sorban magas komfortot biztosít és talán a legfontosabb a hőtermeléssel járó kisebb környezetszennyezés, mivel egy pontforrásból történő, jól kézben tartott emissziókkal működik [2]. A munkánk során a miskolci távhőhálózat közintézményi szinten történő kiterjeszthetőségét, ezzel a rendszer jelenleg rossz kihasználtságának javítását és a hőellátás egy részének biomassza alapon történő megoldása feltételeit vizsgáltuk. 1. A közintézmények távhőellátása és a jövőbeni tervek Miskolc önkormányzata a város igen kiterjedt távhőhálózata ellenére sok olyan közintézményt üzemeltet, melyek közel vannak a hálózathoz, mégsem rendelkeznek csatlakozási ponttal, hőellátásuk egyedi gázkazánokkal történik. Ezen intézmények energiafelhasználási mutatóinak felméréséből számított adatok alapján készítettük az 1. ábrán látható grafikont. Az ábrán látható, hogy az éves szinten legalább 2000 GJ hőt fogyasztók szinte kizárólag saját forrásból állítanak elő hőt, jellemzően gázkazánokkal, míg a legkisebb fogyasztók esetén a távhő szolgáltatás eredményesen működik. Sajnálatos módon éppen a legnagyobb hőfogyasztókból nincsen rákapcsolva elég a távhőrendszerre, rontva ezzel az egyébként is 50% körüli kihasználtságot. 1. ábra. A távhőre nem kapcsolt intézmények saját hőfelhasználása Miskolcon A MIHŐ jövőbeni terve, hogy a fent említett intézmények közül minél többet bekössön az ellátási rendszerébe, valamint a rendszerre nem kapcsolható intézmények energiahordozó-beszerzését ellátva, azok fűtési hőigényét egyedi gázfelhasználásról megújúló, főként biomassza alapra helyezze át. Ezen lépések javíthatnak a rendszerkihasználtsági mutatókon, valamint költségmegtakarítási és környezetvédelmi előnyökkel is járhatna. A biomassza átgondolt, hazai forrásokból történő beszerzésével csökkenthetők az egyes intézmények
Távhőszolgáltatás kiterjesztésének és a földgázalapú hőtermelés 231 energiaköltségei. A megújuló energiahordozónak és szén-dioxid semlegesnek tekintett biomasszák fűtési célú felhasználást nem csak egyedi, hanem távfűtési szinten is alkalmazná a cég a kisebb hőkörzetekben. 2. A közintézmények távhőre köthetőségének és fűtési rendszerük biomassza tüzelésre való átalakításának vizsgálata A távhő rendszerbe kapcsolásra érdemes intézmények kiválasztásához és a gazdaságosan rá nem köthető intézmények kazánjainak további sorsára tett javaslattételhez készítettünk egy folyamatábrát, mely a 2. ábrán látható. Az egyes intézmények esetében az algoritmus elemeit vizsgálva segítséget kaphatunk a döntések meghozatalához. 2. ábra. Az egyedi gázkazános intézményeknél alkalmazott döntési séma
232 Koós Tamás Kókai Péter A folyamat kezdő információhalmaza a távhőrendszerhez jelenleg nem kapcsolódó, gázkazánnal üzemelő, egyedi fűtési rendszerű intézmények adatait foglalja magába, úgymint az éves hőfelhasználásuk és a hálózathoz viszonyított távolságuk. Ezekből következtethetünk a távhőre kapcsolás beruházási költségeire. Ebből és a különböző éves energiaköltségekből számítjuk ki az egyes beruházások megtérülési idejét, melyeknél elfogadhatónak a 10 éven belüli megtérülési időt vettük figyelembe. Tehát olyan távhőbővítési beruházás esetében, amely 10 éven belül nem térül meg, az adott intézményt nem tekintjük távhőrendszerre kapcsolhatónak, minden egyébesetben (<10 év) esetben a hálózathoz való csatlakoztatást javasoljuk. Az irreális megtérülési időkkel jellemezhető intézmények esetén tehát folytatnunk kell a vizsgálatot. Először fel kell mérni, hogy az intézmény jelenlegi gázkazánja milyen műszaki állapotban van, mivel egyes épületekhez az elmúlt néhány évben új kazánt telepítettek le. Ebben az esetben a csere nem lenne célszerű. A legtöbb intézmény azonban esetenként több tíz éves, rossz hatásfokú berendezéssekkel dolgozik. Így a gázkazán cseréjére vonatkozó döntési lépés eredményeképpen eljutunk a kazáncserére szoruló közületek csoportjához. Itt nyílik lehetőségünk a kiváltásra kerülő kazán helyett biomassza, esetünkben a jól automatizálható faapríték- és pellettüzelésű rendszer kiépítésére. Előbb viszont megvizsgáljuk az adott épület földrajzi elhelyezkedését. Miskolc egyes részeinek levegője, főleg a belváros ugyanis a téli időszakban erősen szmogterheltek. Itt, a gáztüzelés fenntartása, korszerűsítése indokolt, mivel jelentős szállóporkibocsátású biomassza kazánok üzemeltetése ezeken a településrészeken nem lehetséges. Ezzel kapcsolatban figyelembe kell venni a vonatkozó önkormányzati rendeletet [3]. Tehát, ha az adott épület belvárosi, légszennyezéssel erősen sújtott területen van, korszerű gázkazán jöhet szóba cserekészüléknek. Ellenkező esetben dönthetünk az apríték-, illetve pelletkazán között. Az erre vonatkozó megfelelő döntés meghozatalának feltételei és a fent említett, algoritmuson belüli részlépések eredményeit a következő alfejezetekben tárgyaljuk. 2.1. A távhőhálózatba kapcsolásra javasolható intézmények kiválasztása A döntési folyamat első lépésében tehát szükségünk van a távhőre kötés beruházási költsége megtérülési idejének a meghatározására. Ehhez ki kell számítanunk a beruházás összes költségét, mely tartalmazza a vezeték, és az épületekhez szükséges hőközpont kiépítésének költségeit. Valamint meg kell határoznunk az intézményre jellemző éves távhődíjat, mely az éves alapdíjból és a hődíjből áll. Ezt az intézmény akkor fizetné, ha a távhőhálózathoz kapcsolnák. A beruházási költségek megtérülési idejének számítása az összes költség és az éves alapdíj egymáshoz képesti viszonyából adódik, mivel az új fogyasztók rendszerbe lépésekor befizetett plusz alapdíj adja a többletbevételt. A megtérülési idő kiszámításához szükséges költségtételek az alábbiak: K távhő összes = (K vez + K hőközp ) + 10% tartalék költség; (Ft), az összes költség, és K távhő = (K alapdíj + K hődíj ) + 5% ÁFA; (Ft/év), az intézmény éves távhőköltsége, ahol: K vez ; (Ft), a vezeték építésének költsége, K hőközp ; (Ft), a hőközpont építésének költsége,
Távhőszolgáltatás kiterjesztésének és a földgázalapú hőtermelés 233 K alapdíj ; (Ft/év), az intézmény éves alapdíja, K hődíj ; (Ft/év), az intézmény éves hődíja. Ezek alapján a beruházás költségének megtérülési ideje: ; (év) A számítások elvégzése után láthatóvá vált, hogy a távhőre kapcsolhatóságnak az intézmény jelen hálózattól való távolsága szabhat határt, mivel a drága vezetéképítési költség van legjelentősebb hatással az összköltségre. A számításaink alapján a vizsgálandó 58 intézményből 22-t találtunk rákötésre érdemesnek, ezek közül négy különösen jó, öt éven belüli beruházás megtérülési idővel rendelkezik. A leválogatás után maradt intézmények esetében következő lépésekként azt kell eldönteni, hogy cserére szorul-e a kazán, illetve ha igen, akkor milyen a földrajzi elhelyezkedése. 2.2. A távhőszolgáltatásba gazdaságosan nem bevonható intézmények egyedi, megújuló alapú hőellátási lehetőségeinek elemzése A kazáncserére szoruló és földrajzi elhelyezkedésük folytán arra alkalmas intézmények esetében a fent említett módon két alternatíva körvonalazódik a kazánpiacon. Ha biomassza tüzelésű berendezést akarunk beépíteni, akkor jelenleg az ilyen intézményi hőellátási célokra a jól automatizált faapríték- vagy pellettüzelésű kazánok jöhetnek szóba. Fontos, hogy a földgáz helyett használt alternatív energiahordozó költsége hogyan viszonyul a gáz költségeihez. Ehhez a biomasszáknál járulékos költségként felmerülő szállítási és egyéb plusz karbantartási költségeket figyelembe véve kiszámítottuk a biomassza energiahordozók éves költségét. A földgáz éves költségét is számolva ezek egymással öszszevethetők. A költség-összehasonlítás a 3. ábrán látható a legnagyobb gázfogyasztók esetére. 3. ábra. A nagy gázfogyasztók éves tüzelőanyag költségeinek összehasonlítása
234 Koós Tamás Kókai Péter A 3. ábrán megfigyelhető, hogy a faapríték éves költsége, különösen a kiemelkedő gázfogyasztóknál, igen kedvező a másik két energiahordozóhoz képest. A fapellet éves költsége a földgáz költségével vetekszik, sőt a nagyfogyasztók esetében meg is haladja azt. A tüzelőanyagok éves költségének megállapítása után meg kell határoznunk az alkalmas kazántípusok kiválasztásához, hogy a tüzelőanyaguk szerint csoportosított kazánfajták árai hogyan alakulnak a különböző teljesítmény kategóriákban. Piackutatás alapján készítettük a 4. ábrát, melyen az egyes gyártók által forgalmazott kazántípusokat mutatjuk be teljesítményük és az új berendezés beruházásának megtérülési ideje szerint. A megtérülési idő számításához az éves tüzelőanyag költségmegtakarítással osztottuk a berendezés beruházási költségét. 4. ábra. Biomassza tüzelésű kazánok beruházási költségének megtérülési ideje A 3. és 4. ábrából látszik, hogy aprítéktüzelésű berendezést telepítve a nagy teljesítménykategóriákban kedvező megtérülési időket kaphatunk, és éves szinten számottevő lesz a költségmegtakarításunk is különösen, ha közeli, vagy saját aprítékforrásból tudjuk a szükségleteinket biztosítani. Kis teljesítménykategóriáknál az apríték tüzelőanyagként való felhasználása rosszabb tárolhatósága miatt nem javasolt. A drága pellet kis teljesítménykategóriáknál jöhet szóba, ahol a készülék ára a korszerű gáztüzelésű kondenzációs kazánokéval közel azonosnak mondható és ilyen teljesítményeknél a tüzelőanyag-költségük is hasonló. A két típus közti döntést a kazánház, illetve a hozzá tartozó intézmény épületének földrajzi elhelyezkedése határozhatja meg az előbbiekben ismertetett módon. 3. Az eredmények összefoglalása A vizsgálata után a távhőre jelenleg nem kapcsolt intézményállományról a következő megállapítások tehetők: az 58 intézményből 22-nél javasolható a távfűtésre kötés, ebből négynél különösen kedvező a beruházás költségének megtérülési ideje. Meg kell jegyez-
Távhőszolgáltatás kiterjesztésének és a földgázalapú hőtermelés 235 nünk, hogy a MIHŐ több telephelyén tervezi biomassza kazánok telepítését, így a távhőellátás egy része megújuló energiaforrásból biztosítanák. A rákötésre nem javasolt épületek közül 9-nél javasolt a nagy fűtési teljesítményszükségletük alapján aprítéktüzelésű kazán beépítése, ebből 6 a meglévő távhőrendszertől igen távol helyezkedik el, viszont egymáshoz való közelségük lehetővé tenné, hogy egy közös centralizált biomassza kazánról még gazdaságosabban lehessen ellátni őket, az épületcsoport hőellátási rendszere így távfűtéssé is minősíthető, bár szigetüzemű. A fennmaradt közületek esetén 4-nél kell feltétlenül korszerű kondenzációs gázkazánt telepíteni a korszerűsítéskor, mivel ezek egyértelműen a belvárosban vannak. 9 esetben pellet- vagy korszerű gáz-, 6 esetben apríték- vagy gázkazán telepítése javasolható a környezetvédelmi szabályozás figyelembe vételét követően, illetve több helyen korlátot szabhat a biomassza kazán telepítésének pl. az apríték tárolhatósága és szállítási gondja. A többi intézménynél két esetben nincs szükség cserére, két esetben adathiány miatt nem tudtuk elvégezni a vizsgálatot, 4 esetben pedig már egyéb terv van az átalakításokra a cég részéről. Az 5. ábrán a jelenlegi és a beruházások utáni energiahordozó-szerkezetet látjuk a város közintézményei esetében feltételezve azt, hogy az összes javasolt beruházás egyszerre megvalósul és ahol gáz- és biomasszakazán is szóba jöhet, a biomassza kazán mellett döntünk. Természetesen a beruházások megvalósításának üteme a pénzügyi források függvénye. 5. ábra. Az energiahordozó-szerkezet változása a vizsgált intézményeknél az átalakítás előtti és az átalakítás utáni állapotra vonatkoztatva Az 5. ábrán a biomassza alapú távhő a közös biomassza fűtőműre kapcsolható hat épületet jelöli, a geotermikus energia felhasználása pedig a cég egyéb terveit jelenti a fentebb említett négy esetre. Összességében elmondható, hogy igen kedvező lehetőségek vannak a meglévő ellátó rendszer kihasználtságának növelésére, ezzel hatékonysági, takarékossági és környezetvédelmi előnyökhöz jutva. A megújuló energiahordozók részarányának növelése
236 Koós Tamás Kókai Péter tekintetében is jó megoldások lehetségesek, itt elsősorban a nagy teljesítményű épületek, épületcsoportokhoz beépíthető aprítékkazánok az elsősorban kivitelezendő beruházások. Mindebből látszik, hogy az algoritmus alkalmas prioritási sorrend felállítására is a kivitelezést illetően, hiszen a pénzügyi források nem állnak rendelkezésre korlátlanul. Elsősorban a kedvező megtérülési idejű távhős beruházásokat célszerű végrehajtani, majd a centralizált, vagy nagyteljesítményű aprítékkazános beruházásokat. Az algoritmus módosításokkal és finomításokkal más települések esetében és nem csak az intézményi szférában alkalmazható, segítséget nyújthat a hatékonyabb és gazdaságosabb fűtési rendszerek kialakításához. Köszönetnyilvánítás A kutatómunka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként, az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Irodalom [1] MIHŐ Miskolci Távhőszolgáltató Kft. energetikai koncepciója, ETV-ERŐTERV Zrt. tanulmány, Budapest, 2010, p. 133. [2] Távhőellátási zsebkönyv, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1977. [3] Miskolc Megyei Jogú Város 16/2005 (04.20) Önkormányzati rendelete a levegő minőségének védelmével kapcsolatos helyi szabályokról