Mikrokogeneracja gazowa oparta na silniku Stirlinga - stabilna energetyka prosumencka?

Podobne dokumenty
KONWERGENCJA ELEKTROENERGETYKI I GAZOWNICTWA vs INTELIGENTNE SIECI ENERGETYCZNE WALDEMAR KAMRAT POLITECHNIKA GDAŃSKA

Wypieranie CO 2 z obszaru energetyki WEK za pomocą technologii OZE/URE. Paweł Kucharczyk Pawel.Kucharczyk@polsl.pl. Gliwice, 28 czerwca 2011 r.

GWARANCJA OBNIŻENIA KOSZTÓW

Nowoczesna produkcja ciepła w kogeneracji. Opracował: Józef Cieśla PGNiG Termika Energetyka Przemysłowa

Informatyka w PME Między wymuszonąprodukcjąw źródłach OZE i jakościowązmianąużytkowania energii elektrycznej w PME

Analiza efektywności zastosowania alternatywnych źródeł energii w budynkach

Możliwości wykorzystania małych układów kogeneracyjnych w instalacjach prosumenckich

ANALIZA UWARUNKOWAŃ TECHNICZNO-EKONOMICZNYCH BUDOWY GAZOWYCH UKŁADÓW KOGENERACYJNYCH MAŁEJ MOCY W POLSCE. Janusz SKOREK

ELASTYCZNY SYSTEM PRZETWARZANIA I PRZEKSZTAŁCANIA ENERGII MAŁEJ MOCY DLA MASOWEGO WYKORZYSTANIA W GOSPODARCE ENERGETYCZNEJ KRAJU

PATRYK CHAJA SEBASTIAN BYKUĆ

Realizacja koncepcji Smart Grid w PSE Operator S.A.

PROSUMENT WYKORZYSTUJĄCY SAMOCHÓD ELEKTRYCZNY W SIECI TYPU SMART GRID

PERSPEKTYWY ROZWOJU ENERGETYKI W WOJ. POMORSKIM

Polityka energetyczna Polski do 2050 roku rola sektora ciepłownictwa i kogeneracji

Modelowe ISE dla Resortu Turystyki SPA

Założenia do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe miasta Kościerzyna. Projekt. Prezentacja r.

EFEKTYWNOŚĆ WYTWARZANIA ENERGII. I Międzynarodowe Forum Efektywności Energetycznej. Marian Babiuch Prezes Zarządu PTEZ. Warszawa, 27 października 2009

Kołobrzeg

Prawo Energetyczne I Inne Ustawy Dotyczące Energetyki Kogeneracja Skuteczność Nowelizacji I Konieczność

Ustawa o promocji kogeneracji

Efektywność ekonomiczna elektrociepłowni opalanych gazem ziemnym

Gmina niezależna energetycznie Józef Gawron - Przewodniczący Rady Nadzorczej KCSP SA

Marek Kulesa dyrektor biura TOE

Jerzy Żurawski Wrocław, ul. Pełczyńska 11, tel ,

Technologia gazowej mikrokogeneracji MCHP 6-20 kwe

MIKRO KOGEMERACJA Po co?

Doświadczenia audytora efektywności energetycznej w procesach optymalizacji gospodarki energetycznej w przedsiębiorstwach

Wyznaczanie sprawności diabatycznych instalacji CAES

Krok 1 Dane ogólne Rys. 1 Dane ogólne

PERSPEKTYWY ROZWOJU ENERGETYKI W WOJ. POMORSKIM

Innowacyjna technika grzewcza

Bezpieczeństwo energetyczne w Państwa gminie. KLASTRY ENERGII. Katarzyna Tarnopolska Specjalista ds. pozyskiwania funduszy r.

Rynek&urządzeń&grzewczych&w&Polsce& wobec&nowych&wymogów&ekologicznych& i&wymogów&etykietowania&energetycznego&

Energetyka przemysłowa.

Energetyka obywatelska. Magazyny energii w rozwoju transportu elektrycznego

Analiza wpływu źródeł PV i akumulatorów na zdolności integracyjne sieci nn dr inż. Krzysztof Bodzek

Element budowy bezpieczeństwa energetycznego Elbląga i rozwoju rozproszonej Kogeneracji na ziemi elbląskiej

Zwiększenie efektywności energetycznej i ekonomicznej skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej przez zastosowanie zasobnika ciepła

Energetyka rozproszona Szanse i korzyści dla wszystkich samorządów przedsiębiorców mieszkańców

Analiza rynku energii elektrycznej wydzielonego obszaru bilansowania (WME) projekt NMG 1

Prace badawcze w tematyce współczesnych systemów energetycznych

13.1. Definicje Wsparcie kogeneracji Realizacja wsparcia kogeneracji Oszczędność energii pierwotnej Obowiązek zakupu energii

100% niezależności Niezależność energetyczna budynku

Kompleksowe podejście do rozwoju systemów ciepłowniczych

Innowacje na Pomorzu. Projekt pn.: Energetyka obywatelska systemy kogeneracyjne. Zarządzamy energią od 33 lat. 2 luty 2017 r.

M.o~. l/i. Liceum Ogólnokształcące im. Jana Kochanowskiego w Olecku ul. Kościuszki 29, Olecko

Klastry energii. Andrzej Kaźmierski Dyrektor Departament Energii Odnawialnej

Metodyka budowy strategii

Zarządzanie systemem rozproszonych źródeł i magazynów energii na przykładzie Centrum Energii Odnawialnej w Sulechowie

IV. PREFEROWANE TECHNOLOGIE GENERACJI ROZPROSZONEJ

Nowe (planowane) uwarunkowania funkcjonowania rynku energii elektrycznej w Polsce krok ku przyszłości

PLAN DZIAŁANIA KT 137. ds. Urządzeń Cieplno-Mechanicznych w Energetyce

Autor. Szymon Pająk, Daniel Roch ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Techniki Cieplnej

Stan zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego

Odnawialne źródła energii w dokumentach strategicznych regionu

Gospodarka niskoemisyjna a gaz

Plan Gospodarki Niskoemisyjnej

Strategia GK "Energetyka" na lata

Skojarzona gospodarka cieplno-elektryczna. Energia, ciepło i chłód

Wykorzystanie gazu pozasystemowego do produkcji energii elektrycznej i cieplnej na przykładzie PGNiG SA Oddział w Zielonej Górze

Innowacyjne technologie a energetyka rozproszona.

Doświadczenia PEC Lubań z rozwoju i modernizacji średniej wielkości instalacji ciepłowniczej. Krzysztof Kowalczyk

8 sposobów integracji OZE Joanna Maćkowiak Pandera Lewiatan,

Rozwój przedsiębiorstw ciepłowniczych w Polsce

Program Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej

Energetyka komunalna teraźniejszość i wyzwania przyszłości Jak obniżyć koszty energii w przedsiębiorstwie i energetyce komunalnej

Jak zaoszczędzić energię w domu? Budynek plus-energetyczny w Polsce

Integracja PV z innymi systemami dom plus energetyczny

Prosumenci na rynku energii w Polsce- idea, ramy prawne, szanse i bariery rozwoju

G S O P S O P D O A D R A K R I K NI N SK S O K E O M

Odnawialne MikroźródłaEnergii jako szansa na rozwój postaw prosumenckichw społeczeństwie

Elektroenergetyka polska wybrane zagadnienia

Rynek ciepła ze źródeł odnawialnych w Polsce stan i tendencje rozwojowe

Pilotażowe klastry energii jako narzędzie budowy energetyki obywatelskiej

gospodarki energetycznej Cele polityki energetycznej Polski Działania wspierające rozwój energetyki odnawialnej w Polsce...

Wojciech Grządzielski, Adam Jaśkowski, Grzegorz Wielgus

PLAN GOSPODARKI NISKOEMISYJNEJ FINANSOWANIE DZIAŁAŃ ZAWARTYCH W PGN

Program priorytetowy Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Inteligentne Sieci Energetyczne. (Smart Grid)

Podsumowanie i wnioski

Odnawialne Źródła Energii w ogrzewnictwie. Konferencja SAPE

KOGENERACJA ENERGII CIEPLNEJ I ELEKTRYCZNEJ W INSTALACJACH ŚREDNIEJ WIELKOŚCI

Przyszłość ciepłownictwa systemowego w Polsce

TEHACO Sp. z o.o. ul. Barniewicka 66A Gdańsk. Ryszard Dawid

Kierunek zmian dla energetyki rozproszonej

Wykorzystanie potencjału źródeł kogeneracyjnych w bilansie energetycznym i w podniesieniu bezpieczeństwa energetycznego Polski

Wsparcie dla badań i rozwoju na rzecz innowacyjnej energetyki. Gerard Lipiński

STRATEGIA WOJ. POMORSKIEGO BEZPIECZEŃSTWO I EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA

Sprężarkowo czy adsorpcyjnie? Metody produkcji chłodu przy pomocy ciepła sieciowego

Energetyka prosumencka - co to jest i możliwości jej wsparcia Janusz Starościk PREZES ZARZĄDU SPIUG

KOGENERACJA Rozwiązanie podnoszące efektywność energetyczną Prezentacja TÜV Rheinland

Pompy ciepła - układy hybrydowe

Układy kogeneracyjne - studium przypadku

Karol Szejn Viessmann Sp. z o.o.

EKONOMIA ALTERNATYWNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII

PANEL EKONOMICZNY Zakres prac i wyniki dotychczasowych analiz. Jan Pyka. Grudzień 2009

Konkurencja wewnątrz OZE - perspektywa inwestora branżowego. Krzysztof Müller RWE Polska NEUF 2010

WDRAŻANIE BUDYNKÓW NIEMAL ZERO-ENERGETYCZNYCH W POLSCE

Innowacje dla wytwarzania energii

Inteligentny dom plus-energetyczny. Ryszard Mocha Marta Mastalerska Michał Zakrzewski

Transkrypt:

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

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.

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 20-26 kw. Wizualizacje urządzeń trzech producentów przedstaw rysunek 3.

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.

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:

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.

Podziękowania Praca finansowana przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu badawczego nr 2014/13/B/ST8/01869. 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), 41-46. [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, 194-203. [3] Majchrzak H.: Smart Grid w Polsce, Energetyka" 2017, 1 618-620. [4] Żmudzki S., Silniki Stirlinga. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1993. [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 2011. [6] viessmann.pl [7] remeha.nl [8] renewableenergyhub.co.uk [9] Paska J., Generacja rozproszona z wykorzystaniem hybrydowych układów wytwórczych. Energetyka" 2013, 6, 457-462. [10] Kotowicz J., Uchman W., Janusz-Szymańska K., Stanowił badawcze układu mikrokogeneracyjnego opartego na silniku Stirlinga, Rynek Energii" 2016, 6(127), 70-75.