Artykuł naukowy

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%
Układ
micro-CHP
Wytwarzanie energii
elektrycznej (10-40%)
Ciepło (80-50%)
Połączenie z siecią elektryczną
(kupno i sprzedaż energii
elektrycznej)
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)
Energia elektryczna
Elektrownia
kondensacyjna
45%
η=38%
Paliwo
(olej, gaz
lub
węgiel) 55%
Kocioł
grzewczy
η=80%
17%
Ciepło
użytkowe
44%
11%
Energia
elektryczna
Straty 28%
Paliwo
(olej, gaz
lub
węgiel)
100%
Turbina
gazowa
28%
Kocioł
odzysknicowy
68% η=65%
Silnik
Stirlinga
24%
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
mikrokogeneracyjnych
energii
w
wybranych
układach
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
Producent
Zasada działania
Maksymalna moc,
kWel
Maksymalna moc,
kW th
Pobór gazu (G20),
m3/h
Wymiary, m
Waga, kg
Poziom hałasu, dB
eVita
Dietrich, BDR Thermea
Silnik Stirlinga
1.0
5-24
0.5 – 2.7
0,49x0,92x0,47
138
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
3
w województwie lubelskim można produkować 68 mln m 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 00332097, 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