AKTUALNY STAN MIKRO-KOGENERACJI DOMOWEJ

Mariusz HOLUK AKTUALNY STAN MIKRO-KOGENERACJI DOMOWEJ STRESZCZENIE W artykule opisano zagadnienia związane z układami skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w budynkach użyteczności publicznej. Przedstawiono podział tych układów ze względu na budowę. Szczególną uwagę zwrócono na zastosowanie w układach mikro-kogeneracyjnych silnika Stirlinga oraz organicznego obiegu Rankine a. Scharakteryzowano produkty dostępne na rynku, porównano je ze względu na rodzaj paliwa pierwotnego, a także ze względu na ich sprawność. Omówiono podstawowe problemy oraz czynniki powalające na rozwijanie tej tematyki w najbliższych latach. Słowa kluczowe: kogeneracja, skojarzone wytwarzanie ciepła i ener- -gii elektrycznej, mikro-kogeneracja, odnawialne źródła energii, silnik Stirlinga, organiczny obieg Rankine a, 1. WSTĘP Rozwój przemysłu, komunikacji oraz transportu w ostatnich dziesięcioleciach wymusił wzrost zapotrzebowania na moc i energię elektryczną. Szybki rozwój terenów zurbanizowanych spowodował natomiast, że ochrona środowiska naturalnego stała się priorytetową tematyką dyskusji oraz analiz naukowców nad alternatywnymi źródłami energii. mgr inż. Mariusz HOLUK e-mail: mholuk@pwsz.chelm.pl Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Chełmie PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 242, 2009

24 M. Holuk W poszukiwaniu efektywnych metod powstrzymania dalszej degradacji środowiska naturalnego, zwrócono uwagę na odnawialne źródła energii, a dokładniej na układy kogeneracyjne. Realizacja założeń określająca znaczne zwiększenie produkcji oraz zużycia energii elektrycznej w Polsce w najbliższych latach, będzie wymagać zastosowania nowoczesnych technologii w sektorze energetyki. Projekt dokumentu Polityka energetyczna Polski do 2030 roku przewiduje zwiększenie całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną z poziomu 146 TWh/rok w 2005 roku do 280 TWh/rok w 2030 roku [2]. Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej (ang. Combined Heat and Power) najczęściej definiuje się jako proces, w którym energia pierwotna zawarta w paliwie jest jednocześnie zamieniana na dwa produkty: ciepło i energię elektryczną. Źródłem energii pierwotnej do wytworzenia ciepła i energii elektrycznej może być gaz pochodzący ze spalania zasobów naturalnych lub odnawialnych. Rys. 1. Idea działania mikro-chp [11] Ze względu na istotne aspekty technologiczne oraz energetyczne, technologia ta posiada wiele korzyści. Istotną cechą układów mikro-kogeneracyjnych jest niezależność pracy urządzenia. Oznacza to, że możliwe jest wytwarzanie energii elektrycznej przy całkowitym braku zapotrzebowania na ciepło, bez zmiany sprawności wytwarzania energii elektrycznej. Wspieranie skojarzonego wytwarzania ciepła oraz energii elektrycznej jest i będzie jednym z priorytetowych przedsięwzięć polityki energetycznej wszystkich krajów europejskich. W tym celu stworzono Dyrektywę 2004/8/EC, której zadaniem ma być promocja kogeneracji, opartej na zapotrzebowaniu na ciepło użytkowe na wewnętrznym rynku energii. Dyrektywa ta została opublikowana w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej 11 lutego 2004 r. W Polsce

Aktualny stan mikro-kogeneracji domowej 25 została wdrożona przez ustawę z dnia 12 stycznia 2007 r., zmieniając ustawę: Prawo energetyczne, Prawo ochrony środowiska oraz ustawę o systemie zgodności. Podstawowym jej celem jest wzrost sprawności energetycznej oraz umocnienie bezpieczeństwa energetycznego poprzez promowanie i rozwijanie wysokosprawnego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w skojarzeniu. Wyrażenie wysokosprawna kogeneracja ma na celu określenie podstawowego kryterium odróżniającego kogenerację zwykłą od wysokosprawnej. Zgodnie z tą definicją, oszczędność w zużyciu paliw pierwotnych w porównaniu z rozdzielonym wytwarzaniem ciepła i energii elektrycznej, powinna wynosić przynajmniej 10%. Jako kryterium przyjmowano całkowitą sprawność wykorzystania energii chemicznej paliwa [1]. Z technicznego punktu widzenia energię elektryczną i ciepło można produkować w układach rozdzielonych (w elektrowniach oraz ciepłowniach) oraz układach skojarzonych (głównie w elektrociepłowniach). Energetyka zawodowa i przemysłowa w Polsce oraz na świecie produkuje energię elektryczną i ciepło od bardzo dawna głównie w oparciu o paliwa kopalne, tj.: węgiel, gaz ziemny oraz inne paliwa [6]. Rys. 2. Bilans energetyczny wybranych krajów Unii Europejskiej w elektrociepłowniach wyposażonych w tradycyjne układy węglowo-parowe [8] Rys. 3. Planowana liczba urządzeń mikro-kogeneracyjnych w poszczególnych państwach europejskich

26 M. Holuk Udział energetyki skojarzonej w elektrociepłowniach zawodowych i przemysłowych poszczególnych krajów Unii Europejskiej został przedstawiony w bilansie energetycznym (rys. 2). Produkcja w skojarzeniu w Polsce plasuje się na 5. miejscu po państwach takich jak: Niemcy, Holandia, Finlandia, Austria. Udział Polski w układach mikro-kogeneracyjnych do 1 kw, niestety, jest minimalny. W chwili obecnej największe zainteresowanie układami mikro-kogeneracyjnymi jest w Wielkiej Brytanii, Niemczech, Holandii, Włoszech, Hiszpanii oraz w Austrii. Rysunek 3 przedstawia prognozę planowanych instalacji urządzeń mikro-kogeneracyjnych. Wypromowanie układów kogeneracyjnych ma szansę rozwinąć się przy spekulacjach o atakach terrorystycznych, a także w trudnej sytuacji gospodarczej na świecie. Ewentualne ataki na centralne źródła ciepła i energii elektrycznej mogą mieć katastrofalne skutki dla państw szczególnie narażonych, m.in. Stanów Zjednoczonych czy Wielkiej Brytanii. Główną zaletą tych układów jest zwiększenie efektywności działania przy zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego dla użytkownika. 2. DEFINICJA MICRO-CHP Nazwa skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej (ang. Combined Heat and Power) jest opisywana skrótem CHP, a także jest nazywana jako kogeneracja (ang. Cogeneration). Proces CHP opisujemy jako jednoczesne wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej. W literaturze zagranicznej pojawiają się różne określenia Dotyczące mikro-kogeneracji. Ostatecznie niejasności te wyjaśniła wspomniana we wstępie Dyrektywa 2004/8/EC. W myśl tej dyrektywy określono następujące definicje kogeneracji: mikro-kogeneracja oznaczać powinna produkcję skojarzoną z maksymalną wydajnością poniżej 50 kw el, small scale kogeneracja oznaczać powinna produkcję skojarzoną z mocą zainstalowaną poniżej 1 MW el. W porównaniu z konwencjonalnym kotłem grzewczym, urządzenia kogeneracyjne zostały wyposażone w elektryczny generator z dodatkowym wymiennikiem ciepła, który odzyskuje poniesione straty podczas pracy. Głównie dla tego efektywność urządzenia wzrasta do co najmniej 80%. Dodatkowa energia elektryczna wygenerowana może zostać wykorzystana na cele prywatne lub zostać dostarczona do zakładu energetycznego.

Aktualny stan mikro-kogeneracji domowej 27 Rys. 4. Przedstawienie schematu działania układów mikro-kogeneracyjnych [10] Często autorzy w wielu publikacjach, pisząc o mikro-kogeneracji, odnoszą się głównie do urządzeń z mocą zainstalowaną do 15 kw el. W celu racjonalnego zastosowania tej mocy, należy poprzeć to następującymi argumentami: skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej mniejszej od 15 kw El stosowane jest w pojedynczych budynkach użyteczności publicznej, takich, jak: małe hotele, małe budynki przedsiębiorcze, apartamenty, które mogą zaopatrywać najbliższe otoczenie budynków w ciepło i energię elektryczną, systemy do 15 kw el różnią się znacznie od tych większych, stosowanych przez elektrociepłownie. Systemy poniżej 15 kw el mogą być podłączone bezpośrednio do sieci trójfazowej. W centralnej Europie układy mikro-kogeneracyjne mają zastosowanie w budynkach: użyteczności publicznej, podmiejskich oraz wiejskich, dostarczając ciepło, podobnie jak konwencjonalny kocioł. Układy kogeneracyjne pracują równolegle, czyli jednocześnie mogą pobierać energię pierwotną z zakładu energetycznego, a także eksportować jej nadwyżkę do zakładu. Zapewnia to wysoką sprawność oraz oszczędność w zapotrzebowaniu na paliwo pierwotne [1]. Paliwem tych układów mikro-kogeneracyjnych mogą być: gaz naturalny, lekki gaz olejowy, biomasa, olej rzepakowy czy odpady komunalne. 3. RODZAJE TECHNOLOGII MICRO-CHP W perspektywie potrzeby poszukiwania alternatywnych rozwiązań powstały lub nadal trwają prace nad coraz nowszymi systemami, stosowanymi w układach skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. Istotną

28 M. Holuk cechą układów mikro-kogeneracyjnych jest niezależność pracy urządzenia. Oznacza to, że jest możliwe wytwarzanie energii elektrycznej przy całkowitym braku zapotrzebowania na ciepło, bez zmiany sprawności wytwarzania energii elektrycznej. Obecnie możemy wyróżnić kilka głównych systemów, w oparciu o ich budowę: silniki tłokowe, mikro-gazowe turbiny, układy z silnikami Stirlinga, organiczny obieg Rankine a, ogniwa paliwowe. 3.1. Silniki tłokowe Tłokowe silniki spalinowe są często stosowanymi urządzeniami w układach skojarzonych małej mocy. Zostało to podyktowane parametrami technicznymi, które posiadają dobrą sprawność, dość niskie wskaźniki jednostkowego nakładu inwestycyjnego. Układy te są stosowane najczęściej do produkcji gorącej wody, ciepło to odzyskuje się na kilku różnych poziomach temperatury, natomiast znaczna część tego ciepła (ok. 50%) odzyskiwana jest wyłącznie w zakresie niskich temperatur. Silniki tłokowe mają duże zastosowanie w instalacjach indywidualnych w budynkach. Są one często wykorzystywane do utylizacji, m.in. biogazu lub odpadowych gazów technologicznych. Ze względu na konstrukcję oraz różne paliwa pierwotne, silniki tłokowe można podzielić na grupy: silniki wysokoprężne oraz silniki gazowe z zapłonem iskrowym. 3.2. Mikro-gazowe turbiny Termin mikro-gazowe turbiny wprowadzono stosunkowo niedawno. Doświadczenia w tej technice zostały zdobyte przy budowie gazowych turbin do: napędów samochodów, turbodoładowarek, małych silników do napędu modeli latających, silników wspomagających w technice lotniczej. Obecnie wysiłki prac badawczo-rozwojowych są skupione na konstrukcji mikro-turbiny o mocy wyjściowej kilku kilowatów. Dotychczas turbiny gazowe

Aktualny stan mikro-kogeneracji domowej 29 pracują zazwyczaj w układzie otwartym i ze spalaniem wewnętrznym, jednak brane są także pod uwagę instalacje otwarte ze spalaniem wewnętrznym. Koszty inwestycji turbin mikro-gazowych w porównaniu z silnikami tłokowymi są wciąż wyższe. Spowodowane jest to przez: kosztowne ruchome części urządzenia, a także ich utrzymanie bądź ewentualną regenerację [3]. Jednak z uwagi na wiele zalet: niezawodność, niewielkie rozmiary, mały ciężar, czy niską emisję hałasu, mogą znaleźć zastosowanie w budynkach użyteczności publicznej. 3.3. Układy z silnikami Stirlinga Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej można realizować w układach z silnikiem Stirlinga. Zastosowanie ich w układach mikro-kogeneracyjnych o mocy 1 kw el pozwala na uzyskanie dobrych parametrów, tj.: wysokiej wydajności, niewielkiego poboru paliwa pierwotnego oraz małego hałasu. Silnik Stirlinga (rys. 5) to silnik cieplny, pracujący w obiegu zamkniętym z regeneracją ciepła. W jego skład wchodzą: dwa tłoki (zimny i ciepły), regeneracyjny wymiennik ciepła, a także wymienniki, dostarczające ciepło pomiędzy czynnikiem roboczym, a zewnętrznymi źródłami. Silnik ten jest urządzeniem zewnętrznego spalania, gdzie ośrodek obiegu nie jest wymieniany podczas każdego cyklu, lecz pozostaje w pracy z obiegiem. Palnik dostarczający ciepło do procesu może pracować korzystając z różnych paliw (m.in. benzyny, alkoholu, naturalnego gazu czy butanu). Zewnętrzne spalanie ułatwia kontrolę procesu spalania i powoduje że proces ten jest czystszy i wydajniejszy. Rys. 5. Schemat silnika Stirlinga [8]: R regeneracyjny wymiennik ciepła; T h T c temperatura gorącego i zimnego źródła ciepła; Q d Q w ciepło doprowadzone i odprowadzone Silnik Stirlinga pracuje w układzie stałego połączenia z zewnętrznym źródłem ciepła o temperaturze T h, co zapewnia doprowadzenie energii napędowej na wiele sposobów. W układach tych źródłem ciepła są głównie spaliny wytworzone w procesach spalania paliw. Natomiast ciepło z obiegu odprowa-

30 M. Holuk dzane jest do źródła o niskiej temperaturze T c. Ostatecznie sprawność obiegu zależy od różnicy temperatury między źródłami (T h T c ). Jednym z istotniejszych elementów pracujących w obiegu jest regenerator, który przejmuje ciepło od czynnika roboczego w czasie jego przepływu z przestrzeni ogrzewanej do chłodzonej. Technologia silnika Stirlinga jest bardzo obiecująca. Zalety, jakie posiada silnik, można przedstawić następująco: wysoka sprawność wytwarzania energii elektrycznej, niski poziom hałasu, możliwość różnej konfiguracji silników, wysoka trwałość oraz bardzo istotna zaleta ze względu na aspekty ekologiczne niskie wskaźniki emisji. Oczywiście nie można zapomnieć o wadach tych silników, a są to: niski poziom rozwoju technologii oraz wysoki jednostkowy nakład inwestycyjny. Warto wspomnieć również, że rozwój silnika Stirlinga w przemyśle samochodowym w latach 70-tych nie mógł przebić konwencjonalnego Diesla oraz silników Otto. Jednak argumenty takie jak: wskaźniki emisji, hałasu, drgania, czy wydajność stwarzają dalsze możliwości badawczych, zastosowanych w układach mikro- -kogeneracyjnych, w celu uzyskania lepszych perspektyw na przyszłość. 3.4. Organiczny obieg Rankine a Zastosowanie instalacji organicznego obiegu Rankine a ORC (ang. Organic Ranking Cycle) pozwala przetworzyć ponad 70% energii odpadowej, a przy pełnym skojarzeniu produkcji energii elektrycznej i ciepła wytworzyć znaczne ilości energii elektrycznej i ciepła użytkowego. Na rysunku 6 przedstawiono działanie procesu ORC. Rys. 6. Działanie procesu organicznego obiegu Rankine a [6]

Aktualny stan mikro-kogeneracji domowej 31 Układy ORC są podobne do obiegu konwencjonalnej turbiny parowej, z wyjątkiem płynu napędzającego tą turbinę. Wyselekcjonowane płyny pozwalają na wydajną eksploatację źródeł niskiej temperatury ciepła w celu produkowania energii elektrycznej w szerokim zakresie mocy wyjściowej (od kilku kw el. do 3 MW el na jednostkę). Działanie układów ORC przebiega następująco: płyn organiczny jest odparowywany poprzez zastosowanie źródła ciepła w parowniku. Para tego płynu organicznego rozszerza się w turbinie, jest kondensowana poprzez przepływ wody w płaszczowo rurowym wymienniku ciepła, a następnie z powrotem wpompowywana jest do parownika, zamykając termodynamiczny obieg. Główne techniczne zalety obiegu Rankine a, to: wysoka wydajność obiegu; bardzo wysoka wydajność turbiny (do 85%); mały mechaniczny nacisk turbiny z powodu małej obrzeżnej prędkości; małe obroty turbiny na minutę, umożliwiające bezpośredni napęd elektrycznego generatora; długa żywotność; brak konieczności czuwania przy systemie, a także proste procedury start stop; ciche działanie, minimalne zapotrzebowanie bytowe oraz dobre osiągi częściowe [5]. Układy ORC można zastosować we wszystkich procesach technologicznych, w których występują straty ciepła, jednak realizacja ich w budynkach użyteczności publicznej ze względu na zbyt dużą moc zainstalowaną jest obecnie nieopłacalna. 3.5. Ogniwa paliwowe Systemy mikro-kogeneracyjne z wykorzystaniem ogniw paliwowych są obecnie w fazie badawczo rozwojowych i wymagają dalszych udoskonaleń. Warto wspomnieć o dwóch technologiach: Baxi Innotech (firmy Baxi Group) oraz BlueGen (Ceramic Fuel Cells Ltd.). Obydwa systemy są wyposażone od 1,0 kw el. do 2 kw el.. Układ Baxi Innotech oparty jest na ogniwach paliwowych typu PEM i został wprowadzony w 2009 roku, natomiast debiut układu CFCL SOFC na rynku komercyjnym planowany jest na 2010 rok. 4. ANALIZA UKŁADÓW MIKRO-KOGENERACYJNYCH Od kilku lat na całym świecie można zaobserwować wzrost zainteresowania układami kogeneracyjnymi. Spowodowało to, że obecnie na rynku dostępnych jest kilka układów skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej. Najbardziej znane to: WhisperGen (firmy Whisper Tech), Baxi Ecogen (Baxi Group), Deluxe (Honda), Aisin (Toyota), SenerTech (Dachs), Ecopower (Vaillant).

32 M. Holuk 4.1. Analiza ze względu na budowę układu Przedstawiając analizę poszczególnych systemów należałoby rozpocząć od najnowszego urządzenia firmy Baxi Group Baxi Ecogen, które 21 sierpnia 2009 r. otrzymało od Construction Products Association's nagrodę w kategorii innowacja i osiągnięcie, przyznawaną corocznie w Wielkiej Brytanii. Jest to urządzenie pracujące w oparciu o silnik Stirlinga zasilany gazem. Zakres energii wyjściowej waha się od 0,2 kw do 1,0 kw, natomiast wartość ciepła uzyskiwanego wynosi: 25,4 kw, co powoduje, że sprawność całkowita urządzenia osiąga ponad 90%. Firma Baxi Group współpracuje z SenerTech, a ich wspólne urządzenie to DACHS, które dostępne jest na rynku od kilku lat. Warto zaznaczyć, że od chwili wprowadzenia już ponad 18 000 użytkowników zaufało tej technologii. System ten oferuje 5,5 kw energii elektrycznej oraz 12,5 kw energii cieplnej, zasilanej: LPG lub ciekłym naturalnym gazem. Sprawność całkowita wynosi ok. 88%. Rys. 7. Porównanie sprawności energetycznych w układach różnego typu Firma Baxi Group wciąż pracuje nad istniejącym już urządzeniem kogeneracyjnym opartym na ogniwach paliwowych. Aktualnie wykonywane są testy tych urządzeń w Wielkiej Brytanii oraz Europie. Na rysunku 7 zostały przedstawione trzy systemy firmy Baxi Group ze względu na różną budowę. Z wykresu można zauważyć, że urządzenia do 1 kw są bardzo interesujące, głównie ze względu na ich sprawność. Oczywiście urządzenie o większej mocy, rzędu 5 6 kw jest porównywalne, jednak wykorzystanie tych urządzeń znajduje zastosowanie w większych budynkach, tj. budynkach przemysłowych czy biurowcach. W układach mikro-kogeneracyjnych opartych na ogniwach paliwowych można zauważyć minimalnie niższą sprawność całkowitą układu. Jed-

Aktualny stan mikro-kogeneracji domowej 33 nak warto zwrócić uwagę, że sprawność elektryczna jest najwyższa (ok. 32%). Dzięki takiemu rozwiązaniu można uzyskać większe oszczędności energii pierwotnej potrzebnej do zasilania układów (ok. 58%). Na rysunku 8 można zaobserwować szacunkową oszczędność energii pierwotnej dla tych układów. Rys. 8. Porównanie układów według oszczędności energii pierwotnej Pod tym względem najbardziej interesujące są układy w oparciu o ogniwa paliwowe. W następnej kolejności układy o większych mocach, rzędu 5 kw, a na końcu układy do 1 kw. Warto zaznaczyć, że w obecnej chwili układy związane z ogniwami paliwowymi są bardzo drogie oraz mało opłacalne, a to stanowi główną barierę w ich stosowaniu. 4.2. Analiza ze względu na moc układu W analizie systemów ze względu na ich moce oraz zastosowanie, warto zwrócić uwagę na układy Baxi Ecogen i WhisperGen (do 1 kw) oraz systemy Aisin i Dachs (powyżej 5 kw). Najważniejsze parametry układów Ecogen i Dachs zostały zaprezentowane w podrozdziale 4.1. Systemem, na który warto zwrócić uwagę, jest WhisperGen firmy Whispergen Ltd., który został zwycięzcą konkursu Winner of New Zealand Engineering Innovator of the Year 2008. System ten oferuje 1 kw energii elektrycznej, natomiast zakres energii cieplnej jest regulowany w przedziale od 7,5 do 14 kw. Sprawność elektryczna wynosi 12%, cieplna 78%, natomiast całkowita 90%.

34 M. Holuk Warto zauważyć, że koncerny japońskie, m.in. Toyota czy Honda, bardzo często prowadzą badania nad nowoczesnymi technologiami. W układach mikro- -kogeneracyjnych koncerny te mają również własne odpowiedniki: Aisin firmy Toyota oraz Deluxe firmy Honda. Urządzenie Aisin posiada czterosuwowy trzycylindrowy silnik spalinowy o łącznej pojemności 953 cm 3 oraz wymiennik ciepła. Paliwem pierwotnym mogą być gaz ziemny oraz gaz ciekły LPG. Moc urządzenia waha się: od 1 do 6 kw energii elektrycznej oraz 11,7 kw energii cieplnej. Na minutę potrafi podgrzać 33,5 litra wody w temperaturze ponad 60 C. Sprawność produkcji energii elektrycznej wynosi 26,5%, ciepła 58,5%, co daje wynik 85% sprawności całkowitej. Gwarantowany okres bezawaryjnej pracy wynosi 35 000 motogodzin, przy przeglądach co 10 000 godzin. Rys. 9. Porównanie sprawności w układach mikro-kogeneracyjnych W porównaniu zostały przedstawione dwie grupy systemów: pierwsza do 1 kw, natomiast druga od 5,5 do 6 kw. Obie charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością całkowitą w granicy 90%. Ze względu na mniejszy zakres mocy (do 1 kw) układy: WhisperGen oraz Ecogen charakteryzują się niższą sprawnością elektryczną (12 14%), niż urządzenia z drugiej grupy (5,5 6 kw), których sprawność wynosi ok. 27%. Warto zauważyć, że układy do 1 kw mają zastosowanie w budynkach jednorodzinnych, natomiast rzędu 5 6 kw - w przedsiębiorstwach, biurowcach itp. W tabeli 1 zostało przedstawione porównanie wspomnianych modeli.

Aktualny stan mikro-kogeneracji domowej 35 TABELA 1 Porównanie układów mikro-kogeneracyjnych ze względu na moc oraz zastosowanie Typ WhisperGen Ecogen Aisin Dachs Producent Zasada działania Maksymalna en. el, kw Maksymalna energia cieplna, kw Sprawność elektryczna, % Sprawność całkowita, % WhisperGen Ltd Baxi Group Toyota Senertec GmbH Silnik Sterlinga Silnik Stirlinga Silnik tłokowy Silnik Otto 1,0 1,0 6,0 5,5 7,5 14,0 3,5 24 13,5 12,5 20,5 12 14 26,5% 27% 90 91 85% 88% Wymiary, m 0,48x0,64x0,56 0,95x0,45x0,43 0,66x1,1x1,5 0,72x1,0x1,07 Waga, kg 150 110 465 530 Poziom hałasu, db <55 45 55 52 56 Urządzenia z pierwszej grupy mają niewielką wagę oraz wymiary, co sprawia, że można zainstalować je w kuchni. Z kolei dla urządzeń z drugiej grupy należy zaplanować instalację w oddzielnym pomieszczeniu gospodarczym. 5. PODSUMOWANIE Rozwój gospodarki skojarzonej w Polsce przez długi okres był hamowany prawnymi regulacjami w dziedzinie gazownictwa i elektroenergetyki. Taka sytuacja spowodowała, że do dnia dzisiejszego powstało jedynie kilkadziesiąt elektrociepłowni wykorzystujących technologię kogeneracji CHP. Optymalna konfiguracja układu skojarzonego jest bardzo istotna i zależy od różnych czynników, tj.: cen paliwa, energii elektrycznej oraz możliwości sprzedaży nadwyżek energii elektrycznej do sieci. Opłacalność inwestycji w dużym stopniu zależy od mocy dobranych urządzeń oraz odpowiedniej struktury cen energii elektrycznej i gazu ziemnego. Efektywność wykorzystania energii paliwa określana jest jako sprawność energetyczna. Podczas przeprowadzania analizy opłacalności inwestycji istotnymi czynnikami są: małe zużycie paliwa, krótki czas zwrotu nakładów poniesionych na inwestycję oraz zysk podczas eksploatacji. Okres zwrotu ponie-

36 M. Holuk sionych kosztów (ok. 40 000 zł) szacowany jest na około 5 lat, co sprawia, że efektywność finansowa jest wysoka. Dlatego zastosowanie układów w skali mikro jest bardzo interesujące pod względem ekonomicznym. Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii jest jednym z kluczowych działań realizacyjnych polityki horyzontalnej Unii Europejskiej w zakresie ochrony klimatu, bezpieczeństwa energetycznego i ochrony środowiska. Ograniczenie emisji szkodliwych substancji (głównie gazów cieplarnianych), pozytywny wpływ na bezpieczeństwo dostaw energii oraz efektywne użytkowanie energii to czynniki istotne dla rozwoju domowych systemów energetycznych. W krajach Europy Zachodniej planuje się, że w 2020 roku udział energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu znacznie wzrośnie, natomiast 1/5 zapotrzebowania energii w Europie będzie wykorzystywana z biomasy [4], co sprawi, że będzie idealną alternatywą dla gazu ziemnego. Układy skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej są technologią atrakcyjną ekonomicznie, która według analiz i badań ma szansę rozwinąć się na większą skalę w niedalekiej przyszłości. LITERATURA 1. Alhakeem S. A. M., Al.-Tai M. A.: Utilisation of micro combined heat and power system using alternative fuels, UPEC 2007. IEEE Explore. 2. Cierpiał J., Gola S., Kucharczyk P.: Możliwości realizacyjne budowy gazowych źródeł kogeneracyjnych. Prezentacja przypadku elektrociepłowni Tuchów. 3. Chmielniak T.: Technologie energetyczne, WNT, Warszawa, 2008. 4. Podziemska A.: Technologiczno ekonomiczne aspekty gazowej gospodarki skojarzonej cz. 1, Nowoczesne Gazownictwo nr 4/2005. 5. Połecki Z.: Możliwości wykorzystania organicznego obiegu Rankine a dla odzysku ciepła z procesów technologicznych. Rynek Energii, str. 50, Nr 2 (75) 2008. 6. Simader G. R., Krawinkler R., Trnka G. : Micro CHP systems: state of the art, Vienna, 2006. 7. Skorek G., Skorek J., Kalina J.: Ekologiczny park energetyczny. 8. Skorek J., Kalina J.: Gazowe układy kogeneracyjne, WNT, Warszawa, 2005. 9. Smit R.: Cogeneration, Distributed Generation and Renewables, KEMA Nederland BV, 2006. 10. Materiały promocyjne firmy Baxi Group., www.baxi.co.uk. 11. Materiały promocyjne firmy WhisperGen Ltd., www.whispergen.com. 12. Materiały szkoleniowe firmy RetScreen International, www.retscreen.net. Rękopis dostarczono dnia 15.09.2009 r. Opiniował: dr hab. inż. Wojciech Jarzyna

Aktualny stan mikro-kogeneracji domowej 37 THE PRESENT STATE OF DOMESTIC MICRO-COGENERATION M. HOLUK ABSTRACT In the article the issues connected with micro combined heatand power systems in the public usefulness buildings were described. The division of such systems as to the structure was presented. The special attention was focused in micro-cogeneration systems on: Stirling engine and organic Rankine s cycle application. The products available on the market were characterized. They were compared as to the kind of primary fuel and their efficiency. The basic problems were discussed and factors enabling development of such subject in the following years. Mgr inż. Mariusz HOLUK studia na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej ukończył w 2007 r. Od września 2007 r. jest doktorantem Politechniki Lubelskiej. W lutym 2008 r. rozpoczął pracę w Państwowej Wyższej Szkole Zawodowej w Chełmie na stanowisku asystenta. Jego zainteresowania naukowe związane są z mikro-kogeneracją, odnawialnymi źródłami energii oraz automatyką budynkową.