Zagadnienia cieplne oraz elektryczne w układzie mikrokogeneracyjnym (mikro-chp)

Zagadnienia cieplne oraz elektryczne w układzie mikrokogeneracyjnym (mikro-chp) MARIUSZ HOLUK Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Chełmie, Instytut Nauk Technicznych i Lotnictwa Wstęp W artykule przedstawiono możliwości wytwarzania ciepła i energii elektrycznej za pomocą silnika spalinowego oraz silnika cieplnego. Rozważania nad układem mikrokogeneracyjnym przedstawione zostały przy wykorzystaniu modelu napędanego silnikiem spalinowym oraz cieplnym Stirlinga evita. Omówiono możliwości rozwoju mikrokogeneracji domowej w Polsce w warunkach Województwa Lubelskiego. 1. Wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej Poszukiwania nowych rozwiązań dla zapewnienia budynkom użyteczności publicznej ciągłego zasilania energii elektrycznej i cieplnej doprowadziły do rozwoju technologii mikrokogeneracyjnej (ang. Micro Combined Heat and Power - microchp) z wykorzystaniem źródeł konwencjonalnych, a także odnawialnych [1]. Produkcję źródła ciepła i energii elektrycznej w skojarzeniu literatura opisuje jako mikrokogeneracja (ang. Micro-cogeneration) lub minikogeneracja (ang. small scale cogeneration) w zależności od mocy zainstalowanej na zaciskach generatora. Idea działania systemu mikro-chp polega na jednoczesnej produkcji dwóch lub więcej typów energii użytkowej z jednego źródła energii pierwotnej i wykorzystaniu ciepła odpadowego z urządzeń wytwarzających energię elektryczną (rys.1). Spaliny (10% energii pierwotnej) Energia pierwotna 100% Połączenie z siecią elektryczną (kupno i sprzedaż energii elektrycznej) Układ micro-chp Wytwarzanie energii elektrycznej (10-40%) Ciepło (80-50%) Rys. 1. Idea działania systemu mikro-chp [3] W systemie mikro-chp energia pierwotna w postaci gazu ziemnego, oleju napędowego, biomasy i innych źródeł, jest przetwarzana na energie elektryczną

i cieplną w układzie kogeneracyjnym. Zaletą układów kogeneracyjnych w skali mikro jest ich uniwersalność przy ustalaniu lokalizacji, niski koszt inwestycji, natomiast można je zainstalować, gdzie występuje jednoczesne zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną oraz inwestowanie w duży układ elektrociepłowni jest niemożliwy lub nieopłacalny. 2. Aktualny stan zagadnienia oraz szanse rozwoju w Polsce Koncepcja wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w skojarzeniu została przyjęta pierwotnie w 1880 roku, gdy para była najważniejszym źródłem energii w przemyśle. Podczas rozwoju technologicznego w XX-wieku mechanizmy parowe zostały zastąpione napędami elektrycznymi. Ograniczone zasoby energii pierwotnej, zagrożenia wywołane emisją gazów cieplarnianych, niska sprawność systemów przesyłowych energii cieplnej, przyczyniły się poszukiwania alternatywnych sposobów wytwarzania, przesyłania energii elektrycznej oraz ciepła. Jednym z rozwiązań jest idea generowania energii elektrycznej i ciepła bezpośrednio w mieszkaniu, a szczególnie w domu jednorodzinnym, pod nazwą elektrociepłownie domowe (ang. Power plant for Home, Combined Heat and Power for the Home CHPH). Aktualnie energię elektryczną oraz ciepło można wytwarzać w układach rozdzielonych (elektrownie, ciepłownie) lub w układach skojarzonych (elektrociepłownie) [4]. Obydwa sposoby zostały przedstawione na rysunku 2. a) b) Paliwo (olej, gaz lub węgiel) 45% 55% Elektrownia kondensacyjna η=38% Kocioł grzewczy η=80% Energia elektryczna 11% 17% Ciepło użytkowe 44% Straty 28% Paliwo (olej, gaz lub węgiel) 100% Turbina gazowa Silnik Stirlinga Kocioł odzysknicowy 68% η=65% 28% 24% Energia elektryczna Ciepło użytkowe 44% Straty 4% Rys.2. Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w układach a) rozdzielonych, b) skojarzonych [4] Wspieranie skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej oraz ciepła aktualnie jest jednym z priorytetowych przedsięwzięć polityki energetycznej wszystkich krajów europejskich. W tym celu stworzono Dyrektywę 2004/8/EC, której głównym zadaniem jest promocja kogeneracji CHP, która jest postrzegana jako technologia prowadząca do poprawy efektywności użytkowania żródeł energii przy uwzględnieniu krajowych warunków dotyczących klimatu oraz ekonomii. Rozwój tej technologii może przyczynić się do niezawodności dostawy energii elektrycznej, zwiększenia jej konkurencyjności oraz możliwość wykorzystania biomasy na cele energetyczne. Obok paliw energetycznych wykorzystywanych od lat: gaz ziemny, węgiel kamienny i brunatny, należy uwzględnić także energię produkowaną ze źródeł odnawialnych (biomasa, biogaz).

Układy do skojarzonego wytwarzania energii charakteryzują się wysoką całkowitą sprawnością sięgającą blisko 90%, przy czym w układach rozdzielonych sprawność przetwarzania energii paliwa rzadko przekracza 40%. W układach CHP zużywa się znacznie mniej paliwa pierwotnego niż w przypadku oddzielnego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Pomimo wielu barier prawnych, przewidywana dynamika rozwoju energetyki skojarzonej wykorzystująca układy mikrokogeneracyjne w najbliższych latach wygląda perspektywistycznie. Promowana medialnie inicjatywa przez Ministerstwo Gospodarki biogazownia w każdej gminie pozwoli gospodarstwom rolnym w województwie lubelskim stać się ważnym ogniwem w gospodarce energetycznej. 3. Technologie konwersjii energii w wybranych układach mikrokogeneracyjnych Rozdział 3. zawiera przegląd technologii skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w układach z: silnikiem wewnętrznego spalania oraz silnikiem cieplnym Stirlinga. Energia pierwotna dostarczana do tradycyjnego układu zasilanego silnikiem spalinowym w postaci paliwa ciekłego może zostać podzielona na trzy etapy: ⅓ przekształcona zostaje w pracę mechaniczną, ⅓ jest tracona w postaci ciepła w spalinach, natomiast ⅓ jest tracona podczas tarcia i strat ciepła w obrębie silnika. W układach kogeneracyjnych zasilanych silnikami cieplnymi sprawność elektryczna ma podstawowe znaczenie, jednak skuteczne odzyskiwanie ciepła odpadowego ma istotny wpływ na całkowitą sprawność układu. W ostatnich latach rozwijane są badania nad różnorodnymi źródłami energii elektrycznej. Prowadzone prace mają na celu opracowanie technologii jak najbardziej optymalnej przy jak najniższych kosztach inwestycji. 3.1. Układ z silnikiem spalinowym Niemieccy konstruktorzy Nicolaus August Otto oraz Rudolf Diesel wynaleźli technologię silników wewnętrznego spalania: silnik Otto (z zapłonem iskrowym 1862 r.) oraz silnik Diesla (o zapłonie samoczynnym 1892 r.). Po ponad 100 latach ciągłego rozwoju, technologia jest dojrzała oraz dobrze udokumentowana. Silniki tłokowe stosowane w układach kogeneracyjnych są oparte głównie na istniejących modelach silników samochodowych lub przenośnych generatorów. Silnik o zapłonie samoczynnym napędzany standardowym olejem napędowym, olejem roślinnym czy biodieslem. Jego wydajność zależy głównie od konstrukcji wykonania oraz od jakości paliwa. Silnik o zapłonie iskrowym stosowany w systemach mikrokogeneracyjnych zasilane są gazem ziemnym, jednak mogą pracować również za pomocą innych nośników energii, m.in.: alkoholu, benzyny, czy wodoru. Typowa konfiguracja układu opartego na silniku spalinowym stosowanego w układach skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej została przedstawiona na rysunku 3.

Rys.3. Układ mikrokogeneracyjny zasilany silnikiem Diesla a) schemat ideowy [2], b) model rzeczywisty [opracowanie własne] Rysunek 4 przedstawia wpływ stopnia sprężania na sprawność cyklu w silnikach tłokowych, w których bardzo pożądany jest wysoki stopień sprężania. W praktyce jest on ograniczany przez limit powodujący straty ciepła, powstałe przez wysokie temperatury emisji gazu. Rys.4. Wpływ stopnia sprężania na sprawność układu [2] Na powyższym rysunku pokazane są typowe zakresy wydajności paliwa dla zapłonu iskrowego oraz samoczynnego zapłonu silnika Diesla. Godny uwagi jest potencjał silników, który służy poprawie efektywności w porównaniu z teoretycznym idealnym cyklem. Główne czynniki ograniczające wydajność cyklu dotyczą tarcia mechanicznego, strat ciepła wewnątrz cylindra podczas wymiany ciepła i spalania w powierzchni komory. Silniki spalinowe zapewniają odpowiednią wydajność konwersji paliwa oraz dużą moc, zapewniając doskonałe właściwości dynamiczne podczas różnych warunków obciążenia. Silniki tłokowe znalazły bardzo szerokie zastosowanie do napędów generatorów pracujących indywidualnie, w zakresie 1 5 kw mocy elektrycznej. Doskonała wydajność przy małej skali jest jednym z głównych zalet tych silników. Do innych należą: niski koszt kapitału potrzebny na zrealizowanie inwestycji, łatwa

konserwacja oraz rozwinięty serwis na terenach zurbanizowanych. Natomiast poziom hałasu, drgań oraz emisji spalin to główne wyzwania w odniesieniu do wykorzystania technologii w zastosowaniach domowych. Podsumowując silniki spalinowe stosowane w układach kogeneracyjnych będą bez wątpienia rozwijać się w ostatnich latach. Warto zauważyć, że technologia mikro-chp staje się coraz częściej stosowana jako zapasowe źródło zasilania. Praca równoległa z siecią elektroenergetyczną pozwala na bardziej optymalne wykorzystanie możliwości generacyjnych. 3.2. Układ z sinikiem Stirlinga Silnik Stirlinga uważany jest za układ innowacyjny idealnie pasujący do jednoczesnego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. Jest silnikiem zewnętrznego spalania, którego energia pierwotna spalana jest poza silnikiem. Wykonana ciągła praca charakteryzuje się bardzo niską emisją zanieczyszczeń oraz wysoką wydajnością spalania. Praca zewnętrznego silnika spalania polega na oddzieleniu procesu spalania od gazu roboczego poprzez wahania ciśnienia działającego w tłoku roboczym. Silnik zbudowany jest z cylindra, regeneratora, tłoka i wypornika (rys. 5), które poruszają się w dwóch oddzielnych cylindrach połączonych ze sobą kanałkami. W jednym z kanałków znajduje się zespół wymienników ciepła: chłodnica, regenerator oraz nagrzewnica. Rys.5.Schemat budowy układu Stirlinga a) widok przedstawiający wnętrzne układu [1], b) schemat ideowy silnika Stirlinga [2], c) model rzeczywsty silnika Stirlinga evita [opracowanie własne] Stała ilość gazu roboczego jest na przemian ogrzewana i chłodzona pomiędzy dwiema strefami temperatur w regeneratorze. Wypornik wyprzedzający o kąt α=90 ruch tłoka transportuje gaz roboczy między przestrzenią sprężania, a rozprężania. Pod tłokiem znajduje się przestrzeń buforowa, której zadaniem jest zmniejszenie różnicy ciśnień na uszczelnieniach tłoka. W celu zrealizowania obiegu cieplnego należy na przemian doprowadzać i odprowadzać ciepło z przestrzeni roboczej silnika, czyli nagrzewać i chłodzić czynnik roboczy. Realizacja tego procesu następuje

w regeneratorze. Sprężanie i rozprężanie czynnika roboczego powinno przebiegać przy stałej temperaturze, dlatego należy nagrzewać gaz roboczy podczas przemiany rozprężania oraz oziębiać podczas przemiany sprężania. Cechą charakterystyczną pracy silnika Stirlinga jest wykorzystanie ciepła do podgrzewania gazu roboczego w cylindrze. Silnik pracuje w zamkniętej przestrzeni roboczej, całkowicie odizolowanej od atmosfery i procesu spalania, gdzie następuje regeneracja ciepła przy stałej objętości gazu, natomiast optymalizacja sprawności cyklu jest realizowana w regeneratorze. Proces spalania jest wykorzystywany do ciągłego doprowadzenia ciepła do gazu roboczego, który jest bardziej kontrolowany, wydajny oraz cichszy niż wewnętrzne spalania w silnikach spalinowych. W tabeli 1 zostały przedstawione parametry układu evita firmy Dietrich zasilany silnikiem Stirlinga. Układ nie jest dostępny komercyjnie w Polsce, ze względu na aspekty prawne dotyczące wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej przez indywidualnego użytkownika. Tabela 1. Parametry układu evita [5] Typ evita Producent Dietrich, BDR Thermea Zasada działania Silnik Stirlinga Maksymalna moc, kw el 1.0 Maksymalna moc, kw th 5-24 Pobór gazu (G20), m 3 /h 0.5 2.7 Wymiary, m 0,49x0,92x0,47 Waga, kg 138 Poziom hałasu, db 46 (±2dB) Układ pracuje w oparciu o silnik Stirlinga o mocy 1 kw mierzonej na zaciskach generatora, zasilany gazem ziemnym. Zakres wartości ciepła uzyskiwanego wynosi: (5 24) kw. Sprawność całkowita urządzenia szacowana jest na ok. 90% [6]. Obieg Stirlinga można zrealizować w układzie otwartym i zamkniętym. Z termodynamicznego punktu widzenia układ otwarty nie jest konkurencyjny dla klasycznych silników spalinowych [6]. Aktualnie znane rozwiązania konstrukcyjne silników Stirlinga należą do jednej z dwóch kategorii: jednostronnego (ang. Free-piston Stirling engines) oraz podwójnego działania (ang. Kinematic Stirling engines). Układ mikro-chp evita firmy Dietrich wyposażony jest w jedno-cylindrowy silnik Stirlinga Microgen. Gaz w tym silniku ogrzewany jest w górnej części cylindra oraz chłodzony wodą u podstaw cylindra. Utworzona w ten sposób różnica ciśnień napędza tłok, który pracuje na płaszczyźnie: góra dół. Tłok wyposażony jest w magnesy, które są napędzane za pośrednictwem

stałej cewki, generują prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz. Dla pozyskiwania ciepłej wody użytkowej zastosowany został zintegrowany wymiennik ciepła. 4. Podsumowanie W artykule przedstawiono zagadnienia związane z jednoczesnym wytworzeniem ciepła i energii elektrycznej przy wykorzystaniu silnika wewnętrznego spalania Diesla oraz zewnętrznego spalania cieplnego Stirlinga evita. Wzrastające wymogi ochrony środowiska i wynikający z nich staranny dobór typu źródła energii sprawiają, że wzrasta zainteresowanie nowymi technologiami, których zastosowanie na duża skalę w przedsiębiorstwach energetycznych jest nieuzasadnione ekonomicznie. Jednocześnie w polityce państw przyjęto nowe priorytety energetyczne promujące efektywne zużycie energii z wykorzystaniem odnawialnych źródeł oraz wysokie normy dotyczące emisji zanieczyszczeń. Podstawowym celem pracy jest przebadanie układu kogeneracyjnego w skali mikro pod kątem wpływu najistotniejszych parametrów na jego własności energetyczne, możliwość wykorzystania biomasy w układzie oraz określenie korzyści ekologicznych wynikających z zastosowania układu Stirlinga w energetyce. Przedstawione rozważnia nad możliwością rozwoju mikrokogeneracji domowej w Polsce w warunkach Województwa Lubelskiego pokazały, że układ evita może znaleźć zastosowanie w krajach o rozbudowanej infrastrukturze gazu ziemnego, jednak przy sprzyjających warunkach ekonomicznych. Na terenach bez rozbudowanej sieci elektrycznej proporcja energii elektrycznej i ciepła wynika z zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną. Z uwagi na warunki klimatyczne i geograficzne w Polsce, należy przyjąć, że w okresie letnim, kiedy nie potrzebna jest energia cieplna na ogrzewanie mieszkania system ukierunkowany jest na wytwarzanie energii elektrycznej, natomiast w okresach wzmożonego zapotrzebowania na ciepło (okres zimowy) wzrasta udział procentowy wytwarzanego ciepła w stosunku do energii elektrycznej. Istnieje więc możliwość sprzedaży nadwyżki energii elektrycznej do sytemu energetycznego lub wyłączenia niektórych elementów systemu i zakupu energii elektrycznej z sieci w okresach większego zapotrzebowania na energię elektryczną Tematyka pracy wpisuje się w strategię przyjętą przez państwo polskie, jest zgodna z wytycznymi Unii Europejskiej oraz z Regionalną Strategią Innowacji Województwa Lubelskiego, a także realizowanym Wojewódzkim Programem Rozwoju Alternatywnych Źródeł Energii dla Województwa Lubelskiego, który tworzy warunki do wykorzystania energii odnawialnych na poziomie do 7,5% w 2010 roku oraz do 14% w 2020 roku przyjęty w 2004 roku. Województwo Lubelskie potrzebuje wsparcia przy realizacji budowy biogazowni rolniczych w każdej gminie do 2020 r. Układy microchp mogłyby zachęcić mieszkańców do wytwarzania i wykorzystania surowców energetycznych, zwłaszcza zasobów biomasy, wspierając realizację zrównoważonego rozwoju polityki energetycznej. Z analiz wykonanych przez władze województwa lubelskiego wynika, że Lubelszczyzna jest doskonałym regionem do rozwoju biogazowni. Potencjał biomasy rolniczej

szacowany jest na 1,6 mln ton rocznie. Natomiast z produktów ubocznych przemysłu rolno-spożywczego, gospodarki komunalnej oraz odchodów zwierzęcych w województwie lubelskim można produkować 68 mln m 3 biogazu rocznie. Szacuje się, że w najbliższych latach powstanie ok. 20 nowych układów biogazowych w województwie lubelskim. Zgodnie z programem biogazownia w każdej gminie do 2020 r. należy wybudować biogazowni o mocy zainstalowanej do 3000 MW. W dalszej perspektywie, istnieją również obawy dotyczące dostępności gazu ziemnego lub innych paliw kopalnych wykorzystywanych w silnikach Stirlinga. Układy wytwarzania energii elektrycznej i ciepła mogą spowodować znaczący wzrost zainteresowania różnych podmiotów gospodarką (m. in. przedsiębiorstwa, gospodarstwa rolne) inwestycjami w jednostki mikrokogeneracyjne. Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w kogeneracji jest istotnym zagadnieniem, zgodnym z aktualnymi tendencjami zrównoważonego rozwoju w zakresie energetyki. Oferowane komercyjnie instalacje mikrokogeneracyjne są zasilane gazem ziemnym. Wysoka sprawność (90%) mikrokogeneracji domowej zapewnia mniejsze zużycie zasobów gazu naturalnego czym wpisuje się w tendencje zrównoważonego rozwoju. Podstawowych źródłem energii odnawialnych w Polsce jest biomasa w postaci stałej, biogazu i biopaliw. Wytwarzanie ciepła z biomasy jest stosowane w naszym klimacie od zarania dziejów, natomiast konwersja ciepła w energię elektryczną jest rozwinięta w dużych elektrowniach i elektrociepłowniach. Powyższe wnioski są wynikiem wstępnej analizy teoretycznej, natomiast przy przydatność dostępnych w regionie lubelskim postaci biomasy do mikrokogeneracji wymagają szczegółowych badań eksperymentalnych. Takie badania zostaną przeprowadzone w ramach pracy doktorskiej mgr inż. Mariusza Holuk pt. Analiza możliwości wykorzystania biomasy w kogeneracji energii elektrycznej i cieplnej w gospodarstwach rolnych. 5. Literatura 1) Baxi, Baxi Ecogen user manual, Warwick, 2010 2) Beith R., Small and Micro Combined Heat and Power (CHP) Systems, Woodhead Publishing Limited, 2011 3) Janowski Tadeusz, Mariusz Holuk, Renewable energy sources to supply home power plants, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033-2097, nr 7a, 2012 4) Paska J., Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w źródłach rozproszonych, Materiały autora, Politechnika Warszawska 5) Technischer Prospekt Rehema, 2011 6) Żmudzki S., Silnik Stirlinga, WNT, Warszawa,1993