Piotr Olszowiec, na podstawie artykułu H. Noppenau „Concept and first operating experience with Avedore 2”, VGB PowerTech.

Od wielu lat Dania należy do prekursorów znaczących i zarazem perspektywicznych przedsięwzięć w dziedzinie energetyki zarówno odnawialnej, jak i konwencjonalnej. Pod koniec 2001 r. firma ENERGI E2 dokonała uruchomienia nowego bloku w elektrowni Avedore w pobliżu Kopenhagi.

Istniejący blok energetyczny Avedore 1 jest opalaną węglem jednostką wytwarzającą w skojarzeniu 250MW mocy elektrycznej i 330MJ/s mocy cieplnej. Nowy blok Avedore 2 o nominalnej mocy elektrycznej 575 MW i cieplnej 570 MW stanowi nowatorski, wielopaliwowy układ oparty na cyklu parowym o parametrach nadkrytycznych z dwoma niezależnymi kotłami na węgiel i biomasę. Instalację zaprojektowano wykorzystując nie stosowaną dotychczas na taką skalę koncepcję utylizacji różnych paliw opracowaną przez wspomnianą firmę. Oprócz węgla i biomasy, blok może pracować także na oleju opałowym oraz gazie ziemnym. Na razie elektrownia nie uzyskała zezwolenia na spalanie węgla i bazuje na gazie i produktach naftowych oraz biomasie. Produkcja Avedore 2 pokrywa zapotrzebowanie 180 000 gospodarstw domowych na ciepło oraz 800 000 na energię elektryczną.

Zaletami zrealizowanej koncepcji wielopaliwowego bloku energetycznego są przede wszystkim niespotykana wcześniej elastyczność wyboru paliwa, bardzo wysoka sprawność przemiany energii, modułowa konstrukcja i relatywnie niskie nakłady inwestycyjne. Podstawową ideą nowego podejścia jest oddzielne spalanie poszczególnych rodzajów nośników: węgla i innych węglowodorów (gazu i oleju) lub drewna w konwencjonalnym kotle, ponadto gazu także w turbinie gazowej, zaś biomasy (słomy) w przeznaczonym dla niej kotle specjalnej konstrukcji. Dzięki spalaniu węgla i biomasy w oddzielnych kotłach otrzymywane popioły nie mieszają się ze sobą i można je łatwo wykorzystać do niezależnych celów. W Danii odpady paleniskowe z węgla są zużywane w przemyśle cementowym, a popioły ze spalania biomasy służą za nawóz w rolnictwie. Zatem zamiast mieszania paliw we wspólnym kotle nowa koncepcja przewiduje mieszanie uzyskiwanej w oddzielnych kotłach pary kierowanej do jednej turbiny parowej. Cykl parowo-wodny Rankine’a na bloku Avedore 2 odznacza się bardzo wysoką efektywnością dzięki zastosowaniu nadkrytycznych parametrów czynnika roboczego: para świeża 300 bar/580 st. C, para wtórna 600 st. C. W rezultacie sprawność wytwarzania energii elektrycznej wynosi w warunkach znamionowych 48,3 proc.

Wspomniane turbiny gazowe zintegrowano w układzie technologicznym bloku w prosty i zarazem bardzo ekonomiczny sposób. Każda z dwóch turbin gazowych napędza własny generator, zaś ciepło ich spalin wylotowych podnosi temperaturę wody zasilającej obiegu parowego do 320 st. C. Natomiast przy odstawionych turbinach gazowych wodę zasilającą oba kotły podgrzewa się parą z upustów turbiny, co jednak jest mniej korzystne. Wykorzystanie entalpii spalin wylotowych z turbin gazowych jest szczególnie opłacalne z powodu optymalnego dopasowania warunków odzysku ich niskotemperaturowego ciepła przez wodę zasilającą. W praktyce podgrzewanie wody zasilającej przez spaliny gazowe eliminuje potrzebę używania aż ośmiu podgrzewaczy regeneracyjnych, dzięki czemu można wydatnie zwiększyć moc turbiny parowej. Zainstalowana w Avedore 2 turbina parowa o mocy znamionowej 450 MW jest najnowocześniejszą i najbardziej ekonomiczną maszyną tego rodzaju na świecie. Zastosowanie nadkrytycznych parametrów pary podnosi sprawność przemiany termodynamicznej w turbinie do 57 proc. Natomiast najwyższa osiągalna sprawność całego bloku wytwarzającego energię elektryczną i ciepło w skojarzeniu może wynieść aż 95 proc.

Przyjęte przez rząd duński regulacje prawne nałożyły obowiązek zużywania przez firmę ENERGI E2 500 tys. t słomy rocznie. Z powodu zawartości wysoce korozyjnych substancji surowca tego nie można spalać w kotle przeznaczonym dla paliw węglowodorowych. Właściwym rozwiązaniem okazało się zainstalowanie oddzielnego kotła dla biomasy (słomy) wytwarzającego parę o parametrach nadkrytycznych dopasowanych do parametrów pracy wspomnianego kotła podstawowego. W warunkach znamionowych projektowa moc elektryczna 575 MW bloku Avedore 2 jest uzyskiwana z poszczególnych źródeł w następujących ilościach: kocioł olejowo-gazowy – 385 MW, turbiny gazowe – 150 MW, kocioł na biomasę – 40 MW. Wykorzystanie we wspólnej turbinie parowej pary wytwarzanej w kotle na biomasę jest bardziej ekonomiczne od zastosowania oddzielnych turbin dla obu generatorów pary. Wynika to z niższych strat w wielkiej turbinie na parametry nadkrytyczne w porównaniu z turbiną małej mocy, która byłaby zasilana z kotła na biomasę. Należy jednak zauważyć, że przegrzew pary wtórnej odbywa się już tylko w kotle podstawowym.

Opracowanie koncepcji wielopaliwowego bloku energetycznego rozpoczęto w 1989 r., gdy firma ENERGI E2 poszukiwała rozwiązania opartego na stosunkowo najmniej uciążliwym dla środowiska paliwie czyli gazie ziemnym, a z drugiej strony dopuszczającego użycie innych nośników, gdyby jego cena przestała być konkurencyjna. W 1992 r. ukończono prace projektowo-badawcze w zakresie elektrowni węglowo-gazowej na nadkrytyczne parametry pary. Na tym etapie nie uwzględniono jeszcze wykorzystania biomasy. W kolejnych latach względy polityczne przesądziły o rosnących trudnościach z uzyskaniem pozwolenia na spalanie węgla na bloku tak wielkiej mocy. Skierowało to zainteresowanie inwestora w kierunku utylizacji biomasy, tym bardziej że już w 1996 r. rząd duński ogłosił bezterminowy zakaz budowy nowych jednostek opalanych węglem. Ponieważ firma ENERGI E2 nie chciała ograniczać projektowanego bloku tylko do gazu ziemnego, podjęto decyzję o wykorzystaniu również oleju opałowego. W 1997 r. inwestor otrzymał zezwolenie na budowę nowego bloku pod warunkiem, że nie zostaną na nim zainstalowane młyny węglowe. W rezultacie w projekcie pozostawiono wszystkie urządzenia instalacji do spalania węgla za wyjątkiem zasobników i wspomnianych młynów. Pierwsze trudności związane z eksploatacją przyszłej elektrowni ujawniły się już na rok przed planowanym uruchomieniem. Wzrost cen gazu przy jednoczesnym spadku cen energii elektrycznej pokazał, że produkcja na tym bloku będzie bardzo kosztowna, a odbiorcy będą otrzymywać ciepło po wyższych cenach. W tej sytuacji rząd udzielił gwarancji pokrycia ewentualnego deficytu wznoszonego obiektu. Jednocześnie okazało się, że w oddalonych o 30 km zakładach przetwórstwa drewna planuje się budowę elektrociepłowni opalanej jego odpadami w ilości ok. 400 tys. t rocznie.

Po wielostronnych negocjacjach uzgodniono, że firma ENERGI E2 zbuduje zakład wytwarzania peletów we wspomnianej fabryce, a ponadto będzie spalać rocznie 300 tys. t tego paliwa (oprócz 150 tys. t słomy) w swoim bloku Avedore 2. Ponadto w zamian za rezygnację ze wspomnianej gwarancji rządowej firma uzyskała cenę gwarantowaną dla swojej produkcji energii elektrycznej 50 euro/MWh oraz zgodę na zainstalowanie młynów do przemiału drewnianych peletów. Tak więc rozwiązanie problemów wynikających ze wzrostu cen gazu i oleju okazało się możliwe dzięki poszerzeniu zakresu zużywanych nośników o biomasę. Urządzenia do utylizacji peletów są praktycznie takie same jak dla węgla. Każdy z trzech młynów może dostarczać pyłu węglowego w ilości zapewniającej 40 proc. mocy podstawowego kotła. Natomiast przy przemiale peletów we wszystkich młynach kocioł ten może osiągnąć 70 proc. znamionowej wydajności. Na bloku tym obecnie spala się w kotle podstawowym pelety wykorzystując urządzenia transportu i przygotowania paliwa zaprojektowane pierwotnie dla węgla. Dlatego też, chociaż właściciel nadal nie uzyskał zgody na używanie węgla, możliwe jest dokonanie zmiany surowca z peletów na węgiel dosłownie w ciągu jednego dnia.

Wyróżniającą zaletą Avedore 2 jest wyjątkowa elastyczność wyboru paliwa. Techniczne minimum bloku wynoszące 50 MW można uzyskać spalając dowolny ze stosowanych obecnie surowców, a więc gaz, olej, pelety i słomę. Z kolei maksymalna osiągalna moc elektryczna dla poszczególnych rodzajów paliwa kształtuje się następująco: gaz - 570 MW, biomasa - 320 MW, olej (lub w przyszłości węgiel) – 400 MW. Co więcej, gwarantowaną sprawność wytwarzania energii można uzyskać z dowolnej kombinacji wymienionych nośników. W dobie zmiennych cen surowców energetycznych podobna dywersyfikacja stanowi rzeczywiście bezcenną zaletę. Nowy blok odznacza się także dużymi możliwościami ruchowymi, np. dopuszcza stosunkowo szybkie zwiększanie mocy (10 MW/min) w szerokim przedziale obciążeń. W początkowym okresie eksploatacji jedynymi poważnymi problemami okazało się zażużlanie powierzchni ogrzewalnych w kotle opalanym słomą. Trudności te – charakterystyczne dla kotłów rusztowych przeznaczonych dla biomasy – zostały przezwyciężone głównie dzięki zwiększeniu liczby zdmuchiwaczy sadzy oraz modernizacji ciągów powietrza i spalin, a także samego rusztu.