Domowe minielektrownie

W obecnej sytuacji ekonomicznej na świecie, w obliczu wysokich cen paliw i ich ograniczonych zasobów oraz związanej ze spalaniem emisji gazów i pyłów, kładzie się nacisk na energooszczędność i energoefektywność oraz wykorzystanie odnawialnych źródeł energii.

Nowe technologie wprowadzane na rynek wskazują na duży potencjał redukcji strat w energetyce. Coraz popularniejsze stają się alternatywne źródła energii, które pozwalają obniżyć koszty przy wysokiej sprawności jej wytwarzania, ale decyzja o ich zastosowaniu musi zostać dokładnie przemyślana.

Na przykład pompy ciepła umożliwiają sprawne ogrzewanie budynków, a także zaopatrywanie w c.w.u., jednak nie dla każdej strefy klimatycznej jest to rozwiązanie korzystne. Z kolei wykorzystanie kolektorów słonecznych związane jest ze zmiennym, sezonowym natężeniem promieniowania.

Rozwiązanie w skali mikro

Mikrokogeneracja to produkcja energii elektrycznej i cieplnej w skojarzeniu oparta na małych jednostkach wytwórczych o mocy od kilkunastu do kilkuset kW. Przy zastosowaniu chłodziarek absorpcyjnych możliwe jest również wytwarzanie chłodu. Urządzenia te wykorzystują lokalnie dostępne paliwa, takie jak biopaliwa lub gaz [6].

Najważniejszą zaletą mikrokogeneracji jest wysoka efektywność produkcji energii cieplnej i elektrycznej przy zachowaniu ciągłości dostaw. Jest to dobre rozwiązanie dla budynków jedno- i wielorodzinnych, podmiejskich i wiejskich obiektów użyteczności publicznej i rekreacyjnych oraz gospodarstw, a także zakładów przemysłowych.

Obecna sieć energetyczna wymaga modernizacji i dostosowania do nowych wymagań i funkcji, w tym do standardu tzw. sieci inteligentnej, dlatego najlepiej zużywać energię w miejscu jej powstawania.

Co można wykorzystać?

Do napędu urządzeń wytwarzających energię elektryczną w skali mikro stosowane są m.in. silniki spalinowe iskrowe oraz wysokoprężne. Takie generatory prądu elektrycznego są zsynchronizowane z siecią elektryczną. Urządzenia wyposażone są również w wymiennik ciepła, który pozwala na wykorzystanie powstającego podczas spalania ciepła i tym samym zwiększa efektywność wytwarzania energii.

W takich urządzeniach automatyka regulacyjna i pomiarowa umożliwia stałą kontrolę zużycia paliwa oraz pracy układu [1]. Ze względu na osiąganą sprawność całkowitą 80–90% i wytwarzania energii elektrycznej sięgającą 40% oraz niskie nakłady inwestycyjne mogą one znaleźć zastosowanie w systemach o małej mocy.

Są już dostępne urządzenia odpowiednie dla domów jednorodzinnych. Na przykład urządzenie kogeneracyjne XRGI 6 (rys. 1) zasilane gazem ziemnym lub LPG umożliwia pozyskanie od 8 do 13,5 kW mocy cieplnej oraz od 2,5 do 6 kW energii elektrycznej [8]. Ogólna sprawność to 92% przy sprawności elektrycznej 28%.

Silniki spalinowe są szeroko stosowane w urządzeniach kogeneracyjnych. Przykładem jest hotel Split w Czechach, gdzie taki układ wytwarza rocznie 400 GJ ciepła wykorzystywanego na potrzeby c.o. i c.w.u. oraz do ogrzania basenu, a także 30 kW energii elektrycznej (fot. 1) [3].

Innym rodzajem urządzeń wykorzystywanych w mikrokogeneracji są mikroturbiny. Zasada ich działania opiera się na obiegu Braytona-Joule’a. Paliwo spalane jest w komorze w obecności dostarczonego sprężonego powietrza. Gorące gazy napędzają turbinę pracującą na jednym wale ze sprężarką. Nadwyżki energii z turbiny wykorzystywane są do produkcji elektryczności.

Ciepło odpadowe zużywane jest do podgrzewania wody na cele c.o. oraz c.w.u., a wymiennik regeneracyjny pozwala ogrzać powietrze do spalania, zwiększając tym samym wydajność procesu (rys. 2). Do głównych zalet tego rozwiązania należą bezobsługowa praca oraz automatyczny rozruch. Dodatkowo prosta konstrukcja zmniejsza ryzyko awarii.

Mikroturbiny mogą być zasilane gazem ziemnym lub płynnym, olejem napędowym, a także biogazem [6]. Znajdują zastosowanie szczególnie w pobliżu składowisk śmieci, oczyszczalni ścieków czy zakładów produkcji spożywczej.

Na polskim rynku pojawiły się niedawno mikroturbiny Capstone (rys. 3) pracujące bezolejowo dzięki technologii łożyskowania powietrznego. Łożysko nie ma kontaktu z wałem, jest izolowane warstwą powietrza wytwarzaną przez turbinę. Takie urządzenie zasilane gazem ziemnym ma sprawność wytwarzania energii elektrycznej na poziomie 25% przy maksymalnej mocy 28 kW [2].

W jednym z centrów rekreacji w Londynie zastosowanie tej formy mikrokogeneracji pozwoliło uzyskać 150 kW mocy przeznaczonej na c.o. i c.w.u., a także 80 kWe energii elektrycznej. Inwestycja zwróciła się po 4 latach [5].

Kolejną technologią stosowaną w mikrokogeneracji jest silnik Stirlinga. Jest to silnik cieplny ze spalaniem zewnętrznym. Dostarczane ciepło powoduje rozprężanie krążącego wewnątrz układu gazu i ruch tłoka. Po przejściu do strefy zimnej gaz oddaje ciepło i zmniejsza swoją objętość. Praca tłoka „zimnego” i „gorącego” napędza generator.

Przeczytaj także: Współczesne zastosowania maszyn Stirlinga >>

Temperatury spalin mieszczą się w zakresie 250–300°C, co wpływa na niską emisję zanieczyszczeń [11]. Ze względu na wykorzystanie zewnętrznego źródła ciepła może być on zasilany dowolnym paliwem, zapewnia cichą pracę oraz stałą kontrolę procesu spalania, a także redukcję kosztów energii przy wysokiej sprawności jej wytwarzania. Dzięki kompaktowym wymiarom silniki te sprawdzają się w budownictwie jedno- i wielorodzinnym, można je zamontować nawet w kuchni.

Przykładem urządzenia mikrokogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga jest Vitotwin 350-F (rys. 4) zasilany gazem ziemnym lub płynnym. Moc agregatu mikrokogeneracyjnego waha się od 3,5 do 5,3 kWth, przy łącznej mocy od 3,6 do 26 kW.

Czytaj dalej: Przyszłość mikrokogeneracji >>

W obecnej sytuacji ekonomicznej na świecie, w obliczu wysokich cen paliw i ich ograniczonych zasobów oraz związanej ze spalaniem emisji gazów i pyłów, kładzie się nacisk na energooszczędność i energoefektywność oraz wykorzystanie odnawialnych źródeł energii.

Nowe technologie wprowadzane na rynek wskazują na duży potencjał redukcji strat w energetyce. Coraz popularniejsze stają się alternatywne źródła energii, które pozwalają obniżyć koszty przy wysokiej sprawności jej wytwarzania, ale decyzja o ich zastosowaniu musi zostać dokładnie przemyślana.

Na przykład pompy ciepła umożliwiają sprawne ogrzewanie budynków, a także zaopatrywanie w c.w.u., jednak nie dla każdej strefy klimatycznej jest to rozwiązanie korzystne. Z kolei wykorzystanie kolektorów słonecznych związane jest ze zmiennym, sezonowym natężeniem promieniowania.

Rozwiązanie w skali mikro

Mikrokogeneracja to produkcja energii elektrycznej i cieplnej w skojarzeniu oparta na małych jednostkach wytwórczych o mocy od kilkunastu do kilkuset kW. Przy zastosowaniu chłodziarek absorpcyjnych możliwe jest również wytwarzanie chłodu. Urządzenia te wykorzystują lokalnie dostępne paliwa, takie jak biopaliwa lub gaz [6].

Najważniejszą zaletą mikrokogeneracji jest wysoka efektywność produkcji energii cieplnej i elektrycznej przy zachowaniu ciągłości dostaw. Jest to dobre rozwiązanie dla budynków jedno- i wielorodzinnych, podmiejskich i wiejskich obiektów użyteczności publicznej i rekreacyjnych oraz gospodarstw, a także zakładów przemysłowych.

Obecna sieć energetyczna wymaga modernizacji i dostosowania do nowych wymagań i funkcji, w tym do standardu tzw. sieci inteligentnej, dlatego najlepiej zużywać energię w miejscu jej powstawania.

Co można wykorzystać?

Do napędu urządzeń wytwarzających energię elektryczną w skali mikro stosowane są m.in. silniki spalinowe iskrowe oraz wysokoprężne. Takie generatory prądu elektrycznego są zsynchronizowane z siecią elektryczną. Urządzenia wyposażone są również w wymiennik ciepła, który pozwala na wykorzystanie powstającego podczas spalania ciepła i tym samym zwiększa efektywność wytwarzania energii.

W takich urządzeniach automatyka regulacyjna i pomiarowa umożliwia stałą kontrolę zużycia paliwa oraz pracy układu [1]. Ze względu na osiąganą sprawność całkowitą 80–90% i wytwarzania energii elektrycznej sięgającą 40% oraz niskie nakłady inwestycyjne mogą one znaleźć zastosowanie w systemach o małej mocy.

Są już dostępne urządzenia odpowiednie dla domów jednorodzinnych. Na przykład urządzenie kogeneracyjne XRGI 6 (rys. 1) zasilane gazem ziemnym lub LPG umożliwia pozyskanie od 8 do 13,5 kW mocy cieplnej oraz od 2,5 do 6 kW energii elektrycznej [8]. Ogólna sprawność to 92% przy sprawności elektrycznej 28%.

Silniki spalinowe są szeroko stosowane w urządzeniach kogeneracyjnych. Przykładem jest hotel Split w Czechach, gdzie taki układ wytwarza rocznie 400 GJ ciepła wykorzystywanego na potrzeby c.o. i c.w.u. oraz do ogrzania basenu, a także 30 kW energii elektrycznej (fot. 1) [3].

Innym rodzajem urządzeń wykorzystywanych w mikrokogeneracji są mikroturbiny. Zasada ich działania opiera się na obiegu Braytona-Joule’a. Paliwo spalane jest w komorze w obecności dostarczonego sprężonego powietrza. Gorące gazy napędzają turbinę pracującą na jednym wale ze sprężarką. Nadwyżki energii z turbiny wykorzystywane są do produkcji elektryczności.

Ciepło odpadowe zużywane jest do podgrzewania wody na cele c.o. oraz c.w.u., a wymiennik regeneracyjny pozwala ogrzać powietrze do spalania, zwiększając tym samym wydajność procesu (rys. 2). Do głównych zalet tego rozwiązania należą bezobsługowa praca oraz automatyczny rozruch. Dodatkowo prosta konstrukcja zmniejsza ryzyko awarii.

Mikroturbiny mogą być zasilane gazem ziemnym lub płynnym, olejem napędowym, a także biogazem [6]. Znajdują zastosowanie szczególnie w pobliżu składowisk śmieci, oczyszczalni ścieków czy zakładów produkcji spożywczej.

Na polskim rynku pojawiły się niedawno mikroturbiny Capstone (rys. 3) pracujące bezolejowo dzięki technologii łożyskowania powietrznego. Łożysko nie ma kontaktu z wałem, jest izolowane warstwą powietrza wytwarzaną przez turbinę. Takie urządzenie zasilane gazem ziemnym ma sprawność wytwarzania energii elektrycznej na poziomie 25% przy maksymalnej mocy 28 kW [2].

W jednym z centrów rekreacji w Londynie zastosowanie tej formy mikrokogeneracji pozwoliło uzyskać 150 kW mocy przeznaczonej na c.o. i c.w.u., a także 80 kWe energii elektrycznej. Inwestycja zwróciła się po 4 latach [5].

Kolejną technologią stosowaną w mikrokogeneracji jest silnik Stirlinga. Jest to silnik cieplny ze spalaniem zewnętrznym. Dostarczane ciepło powoduje rozprężanie krążącego wewnątrz układu gazu i ruch tłoka. Po przejściu do strefy zimnej gaz oddaje ciepło i zmniejsza swoją objętość. Praca tłoka „zimnego” i „gorącego” napędza generator.

Przeczytaj także: Współczesne zastosowania maszyn Stirlinga >>

Temperatury spalin mieszczą się w zakresie 250–300°C, co wpływa na niską emisję zanieczyszczeń [11]. Ze względu na wykorzystanie zewnętrznego źródła ciepła może być on zasilany dowolnym paliwem, zapewnia cichą pracę oraz stałą kontrolę procesu spalania, a także redukcję kosztów energii przy wysokiej sprawności jej wytwarzania. Dzięki kompaktowym wymiarom silniki te sprawdzają się w budownictwie jedno- i wielorodzinnym, można je zamontować nawet w kuchni.

Przykładem urządzenia mikrokogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga jest Vitotwin 350-F (rys. 4) zasilany gazem ziemnym lub płynnym. Moc agregatu mikrokogeneracyjnego waha się od 3,5 do 5,3 kWth, przy łącznej mocy od 3,6 do 26 kW.

Czytaj dalej: Przyszłość mikrokogeneracji >>

Z urządzeniem zintegrowany jest zasobnik wody grzewczej o pojemności 175 l. Modulacja pracy w zakresie 1:3 pozwala przedłużyć cykl pracy silnika. Urządzenia te osiągają sprawność 96% [9]. Przykład instalacji z ich zastosowaniem pokazano na rys. 5.

Innym oferowanym na rynku rozwiązaniem są ogniwa paliwowe (rys. 6). Działają one na zasadzie konwersji energii wyzwolonej z reakcji chemicznej w cieplną oraz w prąd elektryczny. Głównym pierwiastkiem wykorzystywanym w tym procesie jest wodór [1].

W zależności od zastosowania wyróżnia się różne rodzaje ogniw. Przykładowo ogniwo składające się z polimeru, elektrolitu i membrany (PEM) umożliwia zastosowanie biogazu, a temperatura pracy 80ºC pozwala na zasilanie bezpośrednio instalacji c.w.u. [11].

Podstawową zaletą ogniw jest niska emisja zanieczyszczeń. Możliwa do uzyskania moc waha się w zależności od jednostki od 1 do 20 kW, przez co znajdują one zastosowanie w małych i średnich obiektach. Jednak wysokie koszty urządzeń nie zachęcają do zakupu ogniw paliwowych. Sprawdzają się one bardzo dobrze jako zasilenie awaryjne, zwłaszcza w telekomunikacji.

Na przykład jedno z urządzeń oferowanych na rynku wytwarza 1–4,6 kW mocy elektrycznej i 1,5–7 kW termicznej. Całkowita sprawność wynosi 80%, z czego elektryczna 35%. Paliwem może być zarówno gaz ziemny, jak i ciepło odpadowe, a producent deklaruje 15-letnią trwałość.

Nadzieje i obawy

Mikrokogeneracja to m.in. jeden ze środków służących uniezależnieniu się od monopolistycznych dostawców energii. Jednak wciąż zbyt mało producentów ma w swojej ofercie tego typu urządzenia, co bezpośrednio wpływa na ich ceny i koszty inwestycyjne. Sytuację mogłyby zmienić odpowiednie zachęty i dofinansowania projektów pilotażowych, które pobudzą ten rynek.

Rozproszona forma dostarczania energii niesie za sobą oszczędność kosztów, niższe zużycie paliwa, a przy tym wyższą sprawność, co w efekcie obniża emisję zanieczyszczeń do atmosfery. Uniezależnienie się od jednego dostawcy jest gwarantem stałego zaopatrywania w energię i tym samym bezpieczeństwa energetycznego.

Szansę rozwoju mikrokogeneracji upatruje się w podjętej przez Polskę próbie ograniczenia emisji CO2 do roku 2030. Stawia to nasz kraj przed koniecznością wprowadzenia odpowiedniej polityki podatkowej i mechanizmów wsparcia dla rozwijających się technologii.

Mikrokogeneracja wpływa na większą dynamikę w sektorze energetycznym, co bezpośrednio przekłada się na rozwój gospodarki i PKB. Należy zatem zwrócić uwagę na ten sposób pozyskiwania energii, ponieważ przy odpowiednich środkach mógłby się on stać motorem napędowym Polski.

Chociaż mikrokogeneracja jest w naszym kraju mało popularna, podejmowane są próby wdrożenia takich rozwiązań. Na przykład firma Gaspol uruchomiła pierwszą w Polsce instalację produkującą energię cieplną i elektryczną w skojarzeniu w skali mikro. Wykorzystano w niej silniki spalinowe napędzane gazem płynnym, które osiągają sprawność ogólną 96% [4].

Literatura

1. Żmijewski K., Bańkowski T., Analiza możliwości i zasadności wprowadzenia mechanizmów wsparcia gazowych mikroinstalacji kogeneracyjnych – wsparcie energetyki rozproszonej – energetyka społeczna, grudzień 2012, www.cire.pl.2. www.capstoneturbine.com.3. www.cogeneration.tedom.com.4. www.gaspol.pl.5. www.bowmanpower.com.6. Joniec W., Mikro- i minigeneracja – idea i urządzenia, „Rynek Instalacyjny”nr 9/2008.7. www.ogniwa-paliwowe.com.8. www.ecpower.eu.9. www.viessmann.pl.10. Zmuda A., Rachtan W., Systemy mikrogeneracyjne oparte na turbinach, „elektro info” nr 7–8/2012.11. www.peosa.pl.