Mikrokogeneracja gazowa oparta na silniku Stirlinga - stabilna energetyka prosumencka?

Transkrypt

1 Mikrokogeneracja gazowa oparta na silniku Stirlinga - stabilna energetyka prosumencka? Autorzy: Janusz Kotowicz, Wojciech Uchman - Politechnika Śląska, Gliwice Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych ( Energetyka luty 2018) Działania w zakresie polityki energetycznej ukierunkowane są na ograniczenie emisji zanieczyszczeń, wzrost wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz wzrost bezpieczeństwa energetycznego, rozumianego najczęściej jako dywersyfikacja paliw wykorzystywanych do produkcji energii. Duży nacisk tym kontekście kładziony jest na rozwój energetyki rozproszonej, w tym energetyki prosumenckiej. Zwiększanie sprawności urządzeń oraz opracowywanie odpowiednich strategii pracy musi być integralną częścią działania na rzecz wdrożenia nowych schematów pozyskiwania energii. Politechnika Śląska aktywnie uczestniczy w próbach znalezienia odpowiednich rozwiązań systemowych pozwalających na ograniczenie niskiej emisji, poprzez propozycje odpowiednich regulacji na szczeblu regionalnym. Postuluje się, aby jednym z priorytetów infrastruktury energetycznej była konieczność inwestycji w inteligentne, skuteczne i konkurencyjne rozwiązania systemów energetycznych, bazujących na zdecentralizowanych źródłach, w tym przede wszystkim źródłach odnawialnych oraz układach mikrokogeneracyjnych (µchp). Jak wskazano w [1], aby energetyka odnawialna stała się niezawodnym źródłem energii, poza koniecznością obniżenia nakładów, niezbędne są: rozwijanie technik magazynowania energii, które pozwolą między innymi na wyrównywanie obciążenia w cyklu dobowym i sezonowym, wynikającego ze zmiennego zapotrzebowania; integracja ze stabilnym, niskoemisyjnym źródłem, które będzie elastycznie dopasowywać się do często niestabilnych źródeł odnawialnych, z wykorzystaniem optymalnych strategii działania (np. gazowym układem mikrokogeneracyjnym). Układy µchp mają umożliwiać aktywne uczestnictwo odbiorców końcowych (nazywanych prosumentami) w zarządzaniu energią [2]. Przesłanki z konferencji Smart Grid w Polsce" organizowanej przez Polski Komitet Światowej Rady Energetycznej wskazują, że instalacje magazynowania energii mają realną perspektywę wdrożenia i służyć będą optymalizacji eksploatacji systemów elektroenergetycznych [3]. Mikrokogeneracja gazowa oparta na silniku Stirlinga Jedną z technologii, która umożliwia jednoczesną produkcję energii elektrycznej oraz ciepła na potrzeby pojedynczego odbiorcy jest układ mikrokogeneracyjny, który bazuje na silniku

2 Stirlinga. Silniki te znane są od przeszło dwustu lat. Obecna klasyfikacja wyróżnia ich dwa podstawowe rodzaje [1,4,5]: a) silniki wykorzystujące zmianę posuwisto-zwrotnego ruchu tłoka na ruch obrotowy poprzez wał korbowy i zróżnicowane mechanizmy robocze (ta odmiana zawiera w sobie konstrukcje alfa, beta i gamma); b) silniki bezkorbowe (bazujące na silniku beta), charakteryzujące się brakiem części obrotowych; wypomik poruszany jest przez pulsacje ciśnienia, a moc jest generowana z wykorzystaniem alternatora liniowego, który umieszczony jest na tłoku napędowym; zasadę działania silnika bezkorbowego przedstawia rysunek 1. Prace nad silnikami Stirlinga trwają od lat, a w ciągu ostatniego dziesięciolecia zostały wyjątkowo zintensyfikowane ze względu na potencjalne zastosowanie w energetyce rozproszonej. Z punktu widzenia podejścia systemowego, uwzględniającego współpracę takiego silnika z systemem grzewczym, w celu oszacowania potencjału termodynamicznego, ewentualnych korzyści ekonomicznych czy też potencjalnych zysków ekologicznych w postaci zmniejszenia zużycia energii pierwotnej w przypadku wdrożenia na szerszą skalę układów µchp, celowa jest analiza pracy jednostek mikrokogeneracyjnych jako całości, gdyż to stanowić będzie produkt, który może nabyć potencjalny prosument. Kluczowym dla optymalnej, z punktu widzenia efektywności ekonomicznej bądź ekologicznej, pracy układu jest strategia działania. Zwykle układy kogeneracyjne działają w priorytecie zapotrzebowania na ciepło, bądź w priorytecie zapotrzebowania na energię elektryczną. Jednakże układy mikrokogeneracyjne, aby osiągnąć zadowalający wynik ekonomiczny, muszą pracować jak najdłużej. W tym celu konieczne jest wyposażenie instalacji w zasobnik ciepła. Tematyka strategii pracy układów µchp jest poruszana literaturze i niewątpliwie stanowi interesujący obszar badawczy. Układ: źródło mikrokogeneracyjne - magazyn - konsument ciepła staje się więc skomplikowanym układem powiązań istotnie zależnych od wielu zmiennych czynników, takich jak: strategia działania, profil zapotrzebowania ciepła na różne cele (np. użytkowe, grzewcze, technologiczne), możliwość produkcji energii elektrycznej i ciepła w źródłach, charakterystyka akumulatorów (np. pojemność cieplna, czas ładowania i rozładowywania), parametry otoczenia i wielu innych.

3 Przykładem silnika aktualnie wykorzystywanego do rozwiązań mikrokogeneracyjnych jest produkt firmy Microgen, który charakteryzuje się następującymi parametrami: maksymalna moc elektryczna: 1 kw, napięcie znamionowe: 230 V, częstotliwość: 50 Hz, waga (bez palnika): 49 kg, wymiary (bez palnika): 450 mm wysokości, 300 mm średnicy, hermetycznie zamknięty, bezobsługowy. Wizualizację silnika przedstawiono na rysunku 2. Jednym z przykładów implementacji silników bezkorbowych są moduły mikrokogeneracyjne zasilane gazem ziemnym Urządzenia te składają się ze wspomnianego silnika Stirlinga wraz z zasilającym go palnikiem pierścieniowym oraz z palnika dodatkowego, który pełni funkcję źródła szczytowego, gdy zapotrzebowanie na ciepło przekracza 5,7 kw (moc cieplna palnika podstawowego). Różnią się miedzy sobą mocami palników szczytowych oraz systemami regulacji. Sumaryczna moc cieplna tych urządzeń waha się w zakresie kw. Wizualizacje urządzeń trzech producentów przedstaw rysunek 3.

4 Wskazuje się, że w przypadku gazowych układów µchp, które są stabilnym źródłem energii dla budynku, znakomitym rozwiązaniem jest integracja z panelami fotowoltaicznymi (PV). Uwzględniając ograniczenia w czasie pracy układu µchp ze względu na konieczność odbioru ciepła, ilość wyprodukowanej energii elektrycznej będzie znacznie mniejsza w miesiącach letnich. W tym czasie widać znaczący przyrost w produkcji energii elektrycznej w ogniwach PV, co przedstawia rysunek 4. Integracja takich źródeł z wykorzystaniem magazynu energii elektrycznej pozwoliłaby utrzymać stabilną produkcję przez cały rok. Jest to przykład hybrydowego układu wytwórczego w skali mikro, który łączy zarówno odnawialne jak i nieodnawialne nośniki energii z wykorzystaniem magazynowania energii i zaawansowanego sterowania [9]. Układy µchp zasilane gazem ziemnym są stabilnym źródłem energii elektrycznej, co jest istotną zaletą w stosunku do systemów prosumenckich opartych na energii słonecznej. Występujące w Polsce otoczenie prawno-ekonomiczne nie uwzględnia żadnego mechanizmu wsparcia dla kogeneracji domowej bazującej na gazie ziemnym. Wprowadzenie stałych, korzystniejszych cen zakupu energii elektrycznej od prosumentów lub wsparcia np. w postaci certyfikatów mogłoby istotnie zwiększyć rentowność analizowanej instalacji, a także przyczynić się do zwiększenia liczby odbiorców takich układów. Studium przypadku W Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej zlokalizowana jest instalacja badawcza układu mikrokogeneracyjnego. Badaną jednostką jest moduł Viessmann Vitotwin 300-W, czyli połączenie bezkorbowego silnika Stirlinga z kondensacyjnym kotłem gazowym. Instalacja wyposażona jest w zasobnik ciepła oraz stacje uzdatniania wody. Stanowisko badawcze zostało dokładnie scharakteryzowane w [10]. Instalacja umożliwia symulację pracy dla zróżnicowanych profili zapotrzebowania na ciepło oraz warunków zewnętrznych. Rysunek 5 przedstawia główne elementy instalacji oraz wbudowany silnik Stirlinga.

5 Przeprowadzono pomiary, które miały na celu wyznaczenie sprawności urządzenia. Zarejestrowany przebieg mocy urządzenia zawiera moc elektryczną netto Ncl_net, moc cieplną Q(W1) oraz zużycie energii chemicznej gazu ziemnego Ech. Przebieg przedstawiono na rysunku 6. Wyznaczone sprawności określono równaniami: - sprawność wytwarzania energii netto: - sprawność wytwarzania ciepła: - sprawność całkowita:

6 Przebieg sprawności układu mikrokogeneracyjnego przedstawiono na rysunku 7. Przedstawione w artykule wartości sprawności urządzenia odniesione są do wartości opałowej paliwa na poziomie LHVgas= 35 MJ/mn 3. Zaprezentowane wyniki badań eksperymentalnych wskazują, że układ mikrokogeneracyjny bazujący na silniku Stirlinga jest jednostką o ujednoliconym profilu pracy. Nie zanotowano dużych wahań sprawności w trakcie okresów stabilnego działania. Należy zwrócić uwagę, że wszystkie większe zmiany na rysunku 7 wynikają z włączania/wyłączania jednostki µchp. Prezentowany układ pracuje w priorytecie pokrycia zapotrzebowania na ciepło, co wiąże się z koniecznością wyłączenia silnika, gdy zasobnik ciepła jest uzupełniony. Co więcej, wszystkie prezentowane punkty pomiarowe to wartości średnie dla okresów 10-minutowych, co jest podyktowane wykorzystaniem urządzeń zliczających (gazomierz, wodomierze, dwukierunkowy licznik energii elektrycznej) w systemie pomiarowym. Ograniczone możliwości odbioru ciepła podczas opisywanej serii pomiarowej nie pozwoliły na pracę z obciążeniem większym niż 10,5 kw. Jednakże, niezależnie od mocy cieplnej, z jaką pracowała jednostka, charakteryzuje się ona zbliżoną efektywnością. Prezentowany układ mikrokogeneracyjny można postrzegać jako stabilne źródło ciepła i energii elektrycznej, które ma potencjał współpracy z odnawialnymi źródłami energii, na przykład w postaci paneli fotowoltaicznych. Podsumowanie Przedstawione w artykule rozwiązanie dotyczące generacji energii elektrycznej oraz ciepła dla pojedynczego odbiorcy, czyli układ mikrokogeneracyjny z silnikiem Stirlinga, może być podstawą do współpracy ze źródłami odnawialnymi ze względu na stabilną pracę oraz dużą elastyczność w zakresie produkcji ciepła. Rozwijające się technologie magazynowania energii prawdopodobnie pozwolą w przyszłości na swobodne wykorzystywanie zróżnicowanych technologii w ramach zintegrowanych systemów wytwórczych, także w skali domowej lub pokrywającej zapotrzebowanie lokalnej społeczności.

7 Podziękowania Praca finansowana przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu badawczego nr 2014/13/B/ST8/ PIŚMIENNICTWO [1] Kotowicz J., Remiorz L, Uchman W., Charakterystyki stanów przejściowych silnika Stirlinga z wolnym tłokiem pracującego w układzie mikrokogeneracyjnym, Rynek Energii" 2017, 4(131), [2] Uchman W., Skorek-Osikowska A., Werle S., Evaluation ot the potential of the production of electricity and heat using energy crops with phytoremediation features, "Applied Thermal Enginering" 2017, 126C, [3] Majchrzak H.: Smart Grid w Polsce, Energetyka" 2017, [4] Żmudzki S., Silniki Stirlinga. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa [5] Harrison J. Stirling engine systems for small and micro combined heat and power (CHP) applications, Small and micro combined heat and power (CHP) systems, Woodhead Publishing Limited, Cambridge [6] viessmann.pl [7] remeha.nl [8] renewableenergyhub.co.uk [9] Paska J., Generacja rozproszona z wykorzystaniem hybrydowych układów wytwórczych. Energetyka" 2013, 6, [10] Kotowicz J., Uchman W., Janusz-Szymańska K., Stanowił badawcze układu mikrokogeneracyjnego opartego na silniku Stirlinga, Rynek Energii" 2016, 6(127),