Tvrtka Polytechnik sa sjedištem u gradiću Weissenbachu u Austriji ostvarila je projekt za toplinarsku tvrtku Hillerød Forsyning iz grada Hillerøda u Danskoj. Radi se o komunalnoj tvrtki koja upravlja velikim toplinarskim sustavom koji uključuje novo kogeneracijsko postrojenje na drvne ostatke. Postrojenje je izvedeno prema načelu 'ključ u ruke' i projektirano za toplinski učin od 28 MW i najveću snagu na stezaljkama generatora od 5,2 MW i ujedno je najveće takvo kogeneracijsko postrojenje na biomasu s organskim Rankineovim ciklusom (ORC) koje je Polytechnik izgradio u Europi.
Sklapanju ugovora prethodio je složen postupak nadmetanja u nekoliko faza, u kojem je Polytechnik pobijedio. Prema mišljenju naručitelja, razlozi za takav odabir bili su tehnika izgaranja koju je tvrtka ponudila, velika raspoloživost i dugotrajnost postrojenja, što je dokazano na drugim projektima, i bogato iskustvo u izgradnji kogeneracijskih postrojenja na biomasu prema načelu 'ključ u ruke'. Uz to, genijalni tehnički koncept govorio je u prilog primjeni u tom slučaju. Zemljište na kojem je izgrađena nova kotlovnica bilo je u svim smjerovima prostorno ograničeno s obzirom na pristup. Na jugu je smješteno neposredno uz rekreacijsko područje s vikendicama i kućama za odmor. Na istoku je vrlo popularno reciklažno dvorište, a na zapadu je kameni zid koji je zaštićeni spomenik kulture i koji se nije smio ukloniti. Na sjeveru se nalazi postojeća kotlovnica na biomasu koja je nužna za opskrbu toplinskom energijom i cijelo je vrijeme morala biti u pogonu. Unatoč svim tim ograničenjima i suženim prostornim odnosima, ne samo što su zadovoljeni svi zahtjevi i želje naručitelja, već je pri projektiranju i izvođenju postrojenja posebna pozornost posvećena dobroj pristupačnosti i jednostavnosti održavanja svih njegovih elemenata.
Kotlovnica je projektirana i izvedena u skladu s najnovijim europskim propisima i Danskim građevinskim pravilnikom. Osim nužnih društvenih prostorija, to podrazumijeva i izvedbu prilagođenu osobama s posebnim potrebama i područje za odmor zaposlenika. Investitor je posebnu pozornost posvetio i privlačnom vanjskom izgledu i primjeni biomase kao obnovljivog izvora energije. Zbog susjednog rekreacijskog područja, posebnu je pozornost trebalo posvetiti i emisiji buke. Tehnička oprema objekta, između ostaloga, obuhvaća i klimatizirane radne prostorije, dizalo, sanitarne prostorije bez barijera, središnji sustav ventilacije i vatrodojavni i protupožarni sustav sa stanicama za gašenje požara teškom pjenom, što je osobito prikladno za vrelouljna postrojenja.


Pogled izvana na kogeneracijsko postrojenje na biomasu tvrtke Hillerød Forsyning, pri čemu posebnost s obzirom na dimenzije predstavlja primjena ORC postrojenja, a za Polytechnik je to do sada najveći projekt na biomasu s takvim tehničkim rješenjem

Sustav ložišta i kotla

Kotlovsko postrojenje se sastoji od dvije linije ložišta i kotla koje rade usporedno. Budući da pri punom opterećenju linije rade samo oko 5000 h godišnje, one se u vrijeme manjeg opterećenja ljeti mogu naizmjenično održavati. Time se dobiva gotovo 100%-tna raspoloživost i velika sigurnost. Ovisno o svojstvima goriva, postrojenje može raditi u rasponu opterećenja 15 - 100%. Vršna opterećenja rješavaju se i pokrivaju pomoću međuspremnika s kapacitetom pohrane oko 600 MW h. Tako se podjelom na dvije linije ostvaruje vrlo veliko regulacijsko područje.
U kogeneracijskom postrojenju na biomasu tvrtke Hillerød Forsyning isključivo se koristi drvna sječka od prirodnih, šumskih ostataka. Pri smještaju zgrade u prostor i njezinom projektiranju u obzir je uzeta najučinkovitija logistika goriva. Drvena sječka se isporučuje kamionima i odmah se istovaruje, a pri svakoj isporuci uzimaju se i analiziraju uzorci goriva. Nakon ispitivanja i preuzimanja isporuke, gorivo se izravno uvodi u podzemni spremnik. Gorivo se iz tog istovarnog spremnika pomoću dvije dizalice u zalihosnoj izvedbi raspodjeljuje po glavnom spremniku. Inteligentno upravljanje pri tome se brine za optimalno miješanje goriva različitih svojstava, tako da se ložište uvijek puni gorivom približno iste kvalitete.
Glavni spremnik goriva dimenzioniran je tako da bude velik, a prostor za prihvaćanje je postavljen na 5 m nižu razinu. Kapacitet pohrane cijelog glavnog spremnika dovoljan je za sedam dana rada pri punom opterećenju. Za dobavu goriva koriste se iskušani, robusno izvedeni i hidraulički pokretani klizni podovi i poprečni transporteri tvrtke Polytechnik. Kako proizvođač napominje, imaju velik stupanj fleksibilnosti s obzirom na svojstva goriva, veliku pouzdanost i raspoloživost. Dobava goriva je izvedena sa zasunima koji se kreću u suprotnom smjeru i sustavom za gašenje požara, tako da se u bilo kojem pogonskom stanju, a posebice u slučaju kvara, sigurno sprječava povrat plamena iz ložišta prema spremniku. Ložišna postrojenja tvrtke Polytechnik, opremljena adijabatskom komorom izgaranja i hidraulički pokretanom rešetkom, čine srce sustava. Kako proizvođač naglašava, komora za izgaranje koja je dimenzionirana tako da bude velika jamči potpuno izgaranje drvne sječke s najmanjim emisijama, čak i kod udjela vlage u gorivu većeg od 50%.
Izgaranje se odvija u više stupnjeva, a dovod zraka za izgaranje i recirkulacija dimnih plinova u komoru za izgaranje ostvaruju se pomoću nekoliko ventilatora koji su pojedinačno regulirani štedljivim pretvornicima frekvencije. Time se omogućavaju točna kontrola i regulacija temperature u komori za izgaranje, čime se s jedne strane osigurava potpuno izgaranje, a s druge se strane u velikoj mjeri izbjegava stvaranje ugljičnog monoksida ili termičkih dušičnih oksida. Nakon potpunog izgaranja drvene sječke vrući dimni plinovi prolaze kroz dva vrelouljna kotla. Tu se na krug termičkog ulja predaje velik dio toplinske energije. Ulje se pri tome zagrijava do oko 315 °C. Kotlovi imaju nazivni učin od 12,5 MW. Primjena vrelouljnih postrojenja je već godinama dokazana u drvnoj industriji, a njihova je posebna prednost u pogonu bez tlaka čak i pri visokim radnim temperaturama. Kako je termičko ulje medij koji je osjetljiv na pregrijavanje, dimni plinovi u zagrijaču vrelog ulja struje oko cijevi, dok kroz njih struji ulje. Time se jednostavno može pratiti volumni protok ulja. Na cijevima može doći do stvaranja naslaga letećeg pepela, što može utjecati na prijenos topline i smanjiti učinkovitost postrojenja. Povišene temperature dimnih plinova zbog smanjenog prijenosa topline također mogu dovesti do preranog prestanka rada postrojenja i potrebe za ručnim čišćenjem. Kako bi se to spriječilo, Polytechnik je ugradio novi sustav za čišćenje ogrjevnih ploha 'Polyclean'. Time se omogućava posve automatsko uklanjanje naslaga pepela dok postrojenje radi. Pri tome se savitljiva cijev za stlačeni zrak, koja je otporna na toplinu i koja na kraju ima sapnicu, namotava na bubanj i s njega odmotava i automatski uvodi u kotao pomoću za to predviđenih popornja na poklopcu zagrijača. Oketanjem osnovnog okvira i aksijalnim uzdužnim pomicanjem bubnja mogu se dosegnuti bilo kakvi položaji uzduž određenog područja. Time se omogućava čišćenje svih ogrjevnih ploha kotla, čime se postiže dugotrajnost pogona uz održavanje gotovo konstantnih velikih stupnjeva djelovanja. Čišćenje je lagano i ne uzrokuje abraziju na ogrjevnim plohama.
U vrelouljnim postrojenjima Polytechnik gotovo isključivo koristi armaturu sa zavarenim krajevima. Uz to, provode se opsežni izračuni kako bi se osiguralo da na nezaobilaznim prirubničkim priključcima crpki i aparata ne budu prekoračene najveće dopuštene sile i momenti, čak i pri najvišoj radnoj temperaturi i najvećem toplinskom rastezanju (statika cijevi). Za povećanje stupnja djelovanja postrojenja se iza svakog vrelouljnog kotla nalazi po jedan vrelouljni ekonomajzer, a na kraju i predgrijač zraka. Time se kod primjene termičkog ulja kao medija za prijenos topline i pri radnoj temperaturi od 315 °C može postići stupanj djelovanja u ložištu kotla od 88%.


Pogled na ložište tijekom gradnje

Čišćenje i kondenzacija dimnih plinova

Predodvajanje letećeg pepela iz dimnih plinova odvija se pomoću multiciklona. Polytechnik konstruira i proizvodi i predgrijače zraka i multiciklone. Za odvajanje fine prašine iz dimnih plinova služi elektrofiltar na kraju.
Već godinama se u Danskoj pokušavaju sniziti radne temperature u toplinarskim ustavima jer to u osnovi omogućava prednosti kada je riječ o stupnjevima djelovanja postrojenja - bez obzira na način proizvodnje topline. Osim veće učinkovitosti prijenosa topline, time se smanjuju i gubici topline u toplinskoj mreži. U trenutku potpisivanja ugovora, toplinarski sustav u Hillerødu je radio s temperaturom povratnog voda oko 45 °C, dok bi srednjoročno trebalo postići 35 °C. U kombinaciji s vlažnim gorivom, to su optimalni uvjeti sustava za kondenzaciju dimnih plinova. Uz udio vlage od 45% i temperaturu povratnog voda 45 °C, sustavi za kondenzaciju dimnih plinova pri nazivnom opterećenju ostvaruju učin od 4775 kW, bez potrebe za dodatnim gorivom.
Uz to, primjenom kondenzacijskog sustava udio prašine u dimnim plinovima smanjuje se do mjere da su zadovoljene zakonske granične vrijednosti. Ipak, Polytechnik prije kondenzacijskog sustava postavlja elektrofiltar. Time se značajno smanjuje nakupljanje mulja u postrojenju, a raspoloživost kondenzacijskog sustava se značajno produljuje. Prva službena mjerenja emisija na postrojenju potvrdila su nisku razinu emisija iz njega (tablica).

Tvar Jedinica Zakonski ili ugovorno određene granične vrijednosti Službene izmjerene vrijednosti
CO mg/m3 normnom 625 17
NO2 mg/m3 normnom 300 140
prašina mg/m3 normnom 100/80 7,5
referentni udio O2 % vol. 10 7,6

Tablica - Rezultati službenog mjerenja emisija

Optimiranje stupnja djelovanja pomoću dizalica topline

Na zahtjev investitora dodatno je ugrađena dizalica topline kojom se dimni plinovi dodatno hlade nakon kondenzacije. Dizalica topline ima vrijednost toplinskog množitelja COP > 5. To znači da se uz ulaznu električnu snagu od 400 kW ostvaruje dodatni toplinski učin od 2400 kW.

toplinski učin goriva 2 * 14 300 kW
najveći toplinski učin ORC modula 2 * 10 112 kW
najveći toplinski učin kodnezacije dimnih plinova (pri udjelu vlage u gorivu od 45% 4775 kW
najveći toplinski učin dizalice topline 2470 kW
najveći iskoristivi ukupni toplinski učin 27 469 kW
bruto električna snaga 4920 kW
neto električna snaga 3460 kW
stupanj djelovanja postrojenja pri 100%-tnom opterećenju i w45 108,5%

Tablica - Kogeneracijsko postrojenje na biomasu tvrtke Hillerød Forsyning u brojkama

Proizvodnja električne energije pomoću ORC-a

Nekoliko je prednosti ORC modula u usporedbi s uobičajenim parnim turbinama. Primjerice, postrojenja ne zahtijevaju pregrijavanje pa u usporedbi s parnim elektranama mogu raditi sa značajno nižim radnim tlakom, medij nije korozivan i ne mora se pripremati niti dolazi do stalne potrošnje vode.
Argument koji se često koristi protiv primjene ORC tehnike, a to je da parne turbine imaju bolje stupnjeve djelovanja od ORC turbina, prema mišljenju Polytechnika, vrijedi samo u slučaju čistog kondenzacijskog načina rada. U kogeneracijskom načinu rada, s druge strane, pomoću ORC modula se postižu stupnjevi djelovanja koji su usporedivi s onima protutlačne ili parne turbine s kondenzacijskim oduzimanjem. Uz to, ORC moduli mogu raditi u širokom rasponu učina, odnosno s vrlo malim djelomičnim opterećenjem i posve automatski. Budući da je kogeneracijsko postrojenje u Hillerødu vođeno s obzirom na proizvodnju toplinske energije, u konačnici su prevladavale prednosti ORC tehnike.
Oba ORC modula koji su na kraju ugrađeni u Hillerødu imaju snagu na stezaljkama generatora od 2600 kW. Kod priključivanja modula na javnu elektroenergetsku mrežu u Danskoj moraju se poštivati odredbe Danskih mrežnih pravila. To u suštini odgovara smjernicama Saveznog udruženja energetike i vodoprivrede (BDEW) koje vrijede u Njemačkoj. No, ORC moduli su standardno opremljeni izravno spojenim asinkronim generatorima, što zahtijeva stabilnu mrežu kao vodeću veličinu. Ipak, time se ne mogu zadovoljiti zahtjevi iz Danskih mrežnih pravila. Zbog toga su moduli kogeneracijskog postrojenja u Hillerødu morali biti opremljeni sinkronim generatorima.


Kao što se može vidjeti, kotlovsko postrojenje se sastoji od dvije linije ložišta i kotla koje rade usporedno

Upravljačka i regulacijska tehnika, vizualizacija procesa

Polytechnikovim postrojenjima upravlja se Siemensovim programabilnim logičkim kontrolerima (PLC). Svi pogonski podaci se vizualiziraju i kronološki pohranjuju. Uz to, u Hillerødu se svi signali prenose i u kontrolnu sobu obližnje plinske elektrane. Kogeneracijsko postrojenje na biomasu tvrtke Hillerød Forsyning tako uglavnom radi neovisno i bez stalnog nadzora.
Sigurnosni koncept hlađenja u izvanrednim slučajevima koji je Polytechnik posebno razvio za vrelouljna postrojenja već je dokazan i ispitao ga je i odobrio TÜV.
Sva Poytechnikova postrojenja mogu se nadzirati daljinskim upravljanjem. Djelatnici investitora i proizvođača u svako vrijeme i s bilo kojeg mjesta mogu odabrati vizualizaciju i kontrolirati pogonske parametre.


Pogled odozgo na vrelouljni kotao i cjevovode

Postrojenje koje se dokazuje rezultatima

Nakon dvije godine gradnje, u kolovozu 2016. je kogeneracijsko postrojenje na biomasu započelo s isporukom toplinske energije u toplinarski sustav, a generatori su električnu energiju u dansku javnu elektroenergetsku mrežu počeli isporučivati 8. rujna 2016. Od tada do danas postrojenje radi bez prekida.
U radu pri nazivnom opterećenju i uz udio vlage u gorivu od 45% pri nazivnom toplinskom učinu goriva od 28,6 MW ukupni korisni toplinski učin postrojenja iznosi 27,5 MW, a neto električna snaga oko 3,5 MW. Stupanj djelovanja postrojenja tako iznosi oko 108,5%.
Opseg isporuke Grupe Polytechnik, osim cjelokupne tehnike postrojenja, uključuje i svu potrebnu dokumentaciju za ishođenje dozvola i sve građevinske radove i dodatne usluge. S obzirom na smjernice za radna mjesta, objekt zadovoljava stroge danske i europske pravilnike i u smislu dizajna odaje povezanost proizvodnje energije i drva.