Mikrokogeneračné jednotky na báze Stirlingovho motora

Kogenerácia predstavuje združenú výrobu elektrickej energie a tepla v jednom technologickom zariadení. V súčasnosti nachádzajú kogeneračné jednotky uplatnenie aj v inštaláciách s požiadavkou na nízky elektrický a tepelný výkon, napríklad v rodinných domoch alebo menších objektoch. V týchto oblastiach sa uplatňuje mikrokogenerácia - kogenerácia s maximálnym elektrickým výkonom do 50 kWe.

Okrem tradičných motorov s vnútorným spaľovaním sa pre kogeneračné jednotky využívajú aj nové technológie, ako napríklad palivový článok, Stirlingov motor, parný stroj či mikrospaľovacie turbíny. Tieto jednotky sú schopné dosahovať elektrický výkon od 0,6 kWe a tepelný výkon od 1,0 kWt (v prípade použitia palivových článkov). Filozofia ich použitia spočíva vo výrobe tepla na pokrytie tepelných strát objektu a na ohrev teplej vody, pričom užívateľ získava ako bonus elektrickú energiu. Vyrobená elektrická energia nie je primárne určená na predaj, ale spotrebúva sa priamo v mieste výroby. Z tohto dôvodu musí elektrický výkon mikrokogeneračnej jednotky čo najlepšie kopírovať spotrebu elektrickej energie objektu.

Hlavným dôvodom využívania kogeneračných zariadení je výrazná úspora primárneho paliva a z toho vyplývajúca nižšia produkcia plynných emisií pri prevádzke v porovnaní s oddelenou výrobou tepla a elektrickej energie. Každý zdroj tepla a elektrickej energie, a teda aj mikrokogeneračné jednotky, musia spĺňať emisné limity dané normou.

Stirlingov motor: princíp a konštrukcia

Stirlingov motor je piestový tepelný stroj, v ktorom sa energia na pracovný cyklus privádza prestupom tepla z externého zdroja. Bratia Robert a James Stirlingovci zostrojili v roku 1816 tepelný stroj, ktorý bol bezpečný, jednoduchý a hospodárny. V tom čase sa využíval predovšetkým na odčerpávanie vody z baní. Účinnosť Stirlingovho motora bola vtedy porovnateľná s účinnosťou parného stroja. Jedná sa o druhý stroj v histórii, ktorý mení tepelnú energiu na mechanickú prácu.

Na prelome devätnásteho a dvadsiateho storočia, keď hlavné požiadavky na motor boli výkon, jeho regulovateľnosť a rýchly nábeh, podľahol Stirlingov motor tlaku spaľovacích motorov s vnútorným spaľovaním (zážihový a vznetový motor). Až v posledných rokoch sa začali využívať nové pracovné látky (napr. hélium), druhy tesnení, zdokonalené výmenníky tepla a vedomosti v oblasti prúdenia, až do tej miery, že sa Stirlingov motor začalo vyplatiť opätovne používať, napríklad ako súčasť kogeneračných zariadení. Dá sa vo všeobecnosti nazvať ekologickým motorom 21. storočia.

Ideálny Stirlingov cyklus pozostáva zo štyroch termodynamických vratných dejov: dvoch izochorických zmien (zmeny pri konštantnom objeme) a dvoch izotermických zmien (zmeny pri konštantnej teplote). Teoretická termická účinnosť ideálneho Stirlingovho cyklu má pri daných teplotách rovnakú hodnotu ako termická účinnosť Carnotovho cyklu. Závisí len od pracovných teplôt: maximálnej teploty Th (závisí od zdroja tepla a vlastností konštrukčných materiálov) a minimálnej teploty Tk (závisí od účinnosti chladenia).

Uzavretý cyklus vykonáva pracovné médium (najčastejšie vzduch, dusík alebo hélium), ktoré je pod stálym pretlakom. Veľkosť pretlaku vplýva na výkon motora. Pracovný priestor Stirlingovho motora pozostáva z dvoch pracovných častí (kompresný a expanzný) a z troch výmenníkov tepla (ohrievač, regenerátor a chladič).

Existujú tri základné konštrukčné typy Stirlingových motorov:

• Typ α: Má dva piesty v oddelených valcoch, ktoré sú v sérii spojené s ohrievačom, regenerátorom a chladičom. Jeho výhodou je možnosť použitia ako viacvalcového motora, čo umožňuje aj jeho vysoký výkon.
• Typ β: Má výtlačný piest a pracovný piest v spoločnom valci. Výtlačný piest preháňa pracovný plyn medzi ohrievačom a chladičom.
• Typ γ: Je podobnej konštrukcie ako typ β, rozdiel je len v tom, že typ γ má samostatné valce. Motor s týmto usporiadaním dosahuje nižší špecifický výkon ako predchádzajúce typy, a to kvôli väčšiemu mŕtvemu priestoru.

Stirlingov motor je robustné zariadenie, ktoré sa ľahko obsluhuje a nie je komplikované ako spaľovacie motory. Z dôvodu jednoduchej konštrukcie, pomalých otáčok, robustnosti a malého množstva pohyblivých častí má tichý chod. Zariadenie je celé zapuzdrené, tesné, bezpečné a spoľahlivé - je ho možné použiť napríklad vo výbušnom prostredí, vie pracovať pod vodou, vo vákuu.

Vonkajšie spaľovanie, ktoré je charakteristické pre Stirlingov motor, je dokonalejšie (lepšie využitie paliva) s menším množstvom škodlivých splodín. Ide o uzatvorený termodynamický systém, žiadna látka do motora nevstupuje, ani z neho nevystupuje, teda je možné použiť najvhodnejšiu pracovnú látku ako náplň do valca.

Pri návrhu a výrobe Stirlingovho motora môžu nastať konštrukčné a technické problémy. Napríklad, pri potrebe navrhnúť a vyrobiť motor malých rozmerov a hmotnosti je potrebné, aby tlak pracovného plynu v motore bol cca 15 MPa a relatívne vysoké pracovné otáčky (3000 - 4000 ot/min.). Možné je zostrojiť motor o relatívne malom výkone - iba niekoľko wattov (demonštračné funkčné zariadenie, kde rozdiel teplôt, ktorý uvedie motor do pohybu, je niekoľko stupňov Celzia - rádovo (5-6) °C). Toto ponúka určité možnosti nasadenia Stirlingovho motora práve v tzv. mikrokogenerácii.

Aplikácia Stirlingovho motora v mikrokogenerácii

Modelový príklad predpokladá nasadenie mikrokogeneračnej jednotky na báze Stirlingovho motora malého výkonu v rodinnom dome. Pre rodinný dom je potrebné zabezpečiť tepelný zdroj na krytie tepelných strát budovy a zabezpečiť zvýšenú potrebu teplej úžitkovej vody (TÚV). Na základe vypočítaných tepelných strát a ziskov domu je navrhnutý výkon tepelného zdroja 20 kW. Zároveň je potrebné zabezpečiť zvýšenú potrebu TÚV. Predpokladaná potreba tepelnej energie je 24 000 kWh, čo zodpovedá približne 4 000 prevádzkovým hodinám ročne.

Kompaktná, kombinovaná jednotka, ktorej súčasťou je Stirlingov motor a vysokoúčinný kondenzačný kotol, slúži na prípravu tepelnej energie na krytie tepelných strát rodinného domu a prípravu TÚV. Tepelný výkon Stirlingovho motora zodpovedá základnej potrebe rodinného domu a elektrický výkon základnej potrebe elektrickej energie v rodinnom dome. Na pokrytie špičiek počas vykurovacieho obdobia slúži kondenzačný kotol.

Montáž kompaktného zdroja (Stirlingov motor a kondenzačný kotol) je jednoduchá a porovnateľná s montážou a inštaláciou bežného plynového kotla. Odvod spalín pre Stirlingov motor je spoločný s odvodom pre kondenzačný kotol. Údržba horákov v kondenzačnom kotle pre špičkovú záťaž je zhodná s údržbou bežného kondenzačného kotla. Stirlingov motor je zapuzdrený a bezúdržbový, nepotrebuje filtre ani mazivá.

Výkon zariadenia (elektrický / tepelný) je zvolený tak, aby sa energia spotrebovala v rámci objektu, bez jej predaja do verejnej elektrickej, resp. tepelnej siete alebo jej marenia. Princíp Stirlingovho motora umožňuje jeho výbornú súčinnosť s bežným plynovým kotlom, čo zaisťuje dobrú regulovateľnosť pomocou plynových horákov.

Použitá mikrokogeneračná jednotka využíva dvojvalcový Stirlingov motor s usporiadaním valcov do V. Ako pracovné médium používa hélium, ktoré je schopná kontinuálne dopĺňať z externej tlakovej fľaše. Zdrojom tepla je plynový horák umiestnený v špeciálnej valcovej spaľovacej komore. Ako palivo môže byť použitý zemný plyn, LPG alebo upravený bioplyn. Pri spaľovaní plynu sa využíva technológia FLOX - technológia bezplamennej oxidácie. Dosahovaný elektrický výkon je od 2 do 9 kWe (v závislosti od nastaveného tlaku pracovného média, maximálny pracovný tlak je 150 barov). Ako chladiace médium Stirlingovho motora je použitá zmes glykolu s vodou a cez doskový výmenník sa teplo odovzdáva do vykurovacieho systému.

Základné technické parametre mikrokogeneračnej jednotky sú zhrnuté v tabuľke.

Mikrokogeneračná jednotka bola zapojená na výmenníkovú regulačnú stanicu a elektrickú energiu odovzdávala do univerzitnej siete. Keďže mikrokogeneračná jednotka dosahuje na inštaláciu v rodinnom dome pomerne vysoký elektrický a tepelný výkon, jej zapojenie bolo navrhnuté pre modelovú administratívnu budovu, kde je predpoklad vyššej spotreby energií a tým aj dlhšieho času využitia maxima jednotky.

Prevádzka mikrokogeneračnej jednotky:

1. Spúšťanie: Tvorí ho testovacia sekvencia jednotlivých prvkov systému, automatické nastavenie tlaku pracovného plynu podľa požiadavky obsluhy a následné zapálenie zemného plynu v horáku. Stirlingov motor je roztočený trojfázovým elektromotorom napájaným z vonkajšej elektrickej siete, po dosiahnutí stabilných otáčok je elektromotor prepólovaný do režimu generátora. Generovanie elektrickej energie nastáva po 5 minútach od spustenia, ustálená výroba elektrickej energie po 14 minútach.
2. Regulácia výkonu: Zmenou tlaku pracovného plynu možno priamo ovplyvňovať dosahovaný elektrický výkon Stirlingovho motora. Zvýšenie tlaku pracovného plynu spôsobuje pri konštantnom objeme pracovného priestoru motora nárast hmotnosti pracovného plynu, a tým aj zvýšenie vykonanej práce.
3. Ukončenie prevádzky: Uskutočňuje sa uzatvorením plynovej armatúry a následným ochladzovaním spaľovacej komory vháňaním studeného vzduchu pomocou ventilátora pre spaľovací vzduch. Produkcia elektrického výkonu postupne klesá, následne je elektrický generátor prepólovaný do polohy trojfázového elektromotora, čo brzdí Stirlingov motor a prejaví sa odoberaním elektrickej energie z vonkajšej siete. Tepelný výkon klesá pomaly. Pozvoľné spomaľovanie a brzdenie Stirlingovho motora sa prejavuje zvýšeným hlukom a vibráciami.

Dlhodobá prevádzka mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom ukázala možnosti jej nasadenia v technickej praxi na zabezpečenie potrieb tepla a elektrickej energie pri menších objektoch (administratívne budovy, bytové domy, menšie prevádzky a pod.). Jednotka dosahuje priemernú elektrickú účinnosť 0,23 a celkovú účinnosť 0,91.

Porovnanie s inými technológiami a emisie

V súčasnosti sa okrem Stirlingových motorov v mikrokogeneračných jednotkách využívajú aj palivové články. Použitie Stirlingovho motora a palivových článkov v mikrokogeneračných jednotkách zatiaľ nie je veľmi rozšírené, preto na pôde Žilinskej univerzity boli takéto zariadenia v dlhodobej skúšobnej prevádzke.

Štandardné riešenie pre rodinný dom spočíva v nákupe elektrickej energie pre základné zaťaženie z verejnej siete, pričom príprava tepla na krytie tepelných strát a TÚV prebieha v plynovom kotle.

Alternatívne riešenie využíva mikrokogeneračnú jednotku so Stirlingovým motorom na výrobu elektrickej energie pre základné zaťaženie, pričom zvyšná elektrická energia sa nakúpi z verejnej siete. Na návratnosť investície nemá významný vplyv ani doba prevádzky zariadenia.

Cena vygenerovanej elektrickej energie v mikrokogeneračných jednotkách je viac ako o 50% nižšia ako cena elektrickej energie nakupovanej z distribučnej siete.

Článok je zameraný na porovnanie produkovaných plynných emisií pri prevádzke mikrokogeneračných jednotiek so Stirlingovým motorom a s palivovými článkami v porovnaní s konvenčnými mikrokogeneračnými jednotkami a zdrojmi tepla. Cieľom je aj popularizácia zariadení takýchto typov medzi širokou odbornou verejnosťou.

Meranie plynných emisií bolo vykonávané analyzátorom spalín na princípe NDIR senzorov, umožňujúcim meranie koncentrácií plynov CO, CO2, CH4, NOx a SOx. Merania prebiehali kontinuálne a pokrývali výkonový rozsah 5 až 70 % nominálneho výkonu mikrokogeneračnej jednotky.

Emisie mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom

Graf na obr. 5 ukazuje hodnoty emisií NOx, CO a nespálených podielov CxHy, ako aj elektrickú, tepelnú a celkovú účinnosť mikrokogeneračnej jednotky ako funkciu zaťaženia generátora. Priebeh účinností má v podstate priamkový charakter s miernym nárastom so zvyšujúcim sa výkonom na svorkách generátora. Kontinuálna bezplamenná oxidácia zemného plynu v špeciálnej valcovej spaľovacej komore sa prejavuje minimálnym množstvom nespálených podielov CxHy. Koncentrácia NOx je vyššia pri nízkom zaťažení, ale stále v hraniciach stanovených normou.

Prepočítaním koncentrácie škodlivín v spalinách na hmotnostné koncentrácie v normovanom metry kubickom suchých spalín možno mikrokogeneračnú jednotku so Stirlingovým motorom porovnať s konvenčnými mikrokogeneračnými jednotkami (s motorom s vnútorným spaľovaním a neriadeným katalyzátorom a s motorom s vnútorným spaľovaním a riadeným katalyzátorom).

Merania emisií konvenčných mikrokogeneračných jednotiek so spaľovacími motormi boli vykonané pri riešení inej výskumnej úlohy. Merania prebiehali kontinuálne a pokrývali celý výkonový rozsah mikrokogeneračnej jednotky.

Prevádzka mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom je niekoľkonásobne ekologickejšia ako prevádzka mikrokogeneračných jednotiek s klasickými motormi s vnútorným spaľovaním.

Emisie mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami

Graf na obr. 7 ukazuje príklad nameraných hodnôt emisií NOx, SOx, CO a nespálených podielov CxHy v režime palivového článku. Priebeh hodnôt má konštantný charakter len s miernymi výchylkami. V spalinách neboli zaznamenané hodnoty SOx a nespálených podielov. Nulové hodnoty koncentrácie SOx sú v dôsledku použitia odsírovacieho filtra na vstupe zemného plynu do palivového článku.

Graf na obr. 8 ukazuje priebeh hodnôt emisií pri prechode z režimu palivového článku do kombinovaného režimu (palivový článok spolu s kondenzačným kotlom) a následnú prevádzku v kombinovanom režime. Prepínanie sa prejavuje kolísaním inak konštantných hodnôt v dôsledku zmeny pracovnej a komínovej teploty, miernym nárastom za bežných podmienok nulových nespálených podielov CxHy a nárastom koncentrácie SOx. Nárast SOx je spôsobený tým, že zemný plyn pre kondenzačný kotol neprechádza odsírovacím filtrom a výsledné malé hodnoty sírnych zlúčenín sú spôsobené prítomnosťou odorantu v zemnom plyne.

Prevádzka mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami v režime palivového článku po prepočítaní objemovej koncentrácie CO dosahovala priemernú hodnotu 0,0095 %, čo spĺňa platnú normu (dovolená hranica koncentrácie CO v suchých spalinách daná normou je 0,10 %). Hmotnostná koncentrácia NOx dosahovala priemernú hodnotu 87,77 mg.kWh−1, čo zodpovedá podľa normy triede 4 s dovolenou hranicou 100 mg.kWh−1.

Prevádzka mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami v kombinovanom režime po prepočítaní objemovej koncentrácie CO dosahovala priemernú hodnotu 0,0056 %, čo spĺňa požiadavku platnej normy (dovolená hranica koncentrácie CO v suchých spalinách daná normou je 0,10 %).

Merania emisií netradičných a málo rozšírených mikrokogeneračných jednotiek so Stirlingovým motorom a s palivovými článkami poukázali na ich ekologickú prevádzku.

Použitie Stirlingovho motora a palivových článkov v mikrokogeneračných jednotkách:

• Nie je zatiaľ veľmi rozšírené.
• Uplatňujú sa v inštaláciách s nízkym elektrickým a tepelným výkonom (rodinné domy, menšie objekty).
• Filozofia ich použitia je vo výrobe tepla na pokrytie tepelných strát a na prípravu teplej vody, s bonusom elektrickej energie.
• Vyrobená elektrická energia sa spotrebúva priamo v mieste výroby.
• Výrazná úspora primárneho paliva a nižšia produkcia emisií.

tags: #mikrokogeneracny #kotol #stirlingov #motor