Kogeneracja – prąd i ciepło z jednego źródła. Praca dobrze skojarzona.

Umożliwia to zasilanie go ciepłem z dowolnego źródła, np. źródła ciepła odpadowego lub z niekonwencjonalnych zasobów energii. W szczególności może to być również proces spalania dowolnego paliwa organicznego lub biomasy. Teoretyczny obieg Stirlinga, składa się naprzemiennie z dwóch przemian izochorycznych oraz dwóch przemian izotermicznych. Różnica w stosunku do obiegu Carnota polega więc na tym, że przemiany izentropowe (sprężania i rozprężania czynnika) z obiegu Carnota zastąpiono przemianami izochorycznymi. Podczas jednej z przemian izotermicznych do czynnika roboczego jest doprowadzane ciepło z górnego źródła, zaś podczas drugiej odprowadzane jest ciepło od czynnika roboczego do otoczenia. Natomiast podczas przemian izochorycznych wzajemnie wymieniane jest ciepło tzw. regeneracji wewnętrznej. Praca (bezwzględna) górnej przemiany izotermicznej (doprowadzania ciepła) jest większa od pracy uzyskiwanej podczas odprowadzania ciepła. Różnica tych prac stanowi właśnie pracę obiegu Stirlinga. Łatwo więc wykazać, że obieg porównawczy Stirlinga, realizowany pomiędzy takimi samymi temperaturami zewnętrznych źródeł ciepła, charakteryzuje się sprawnością identyczną jak obieg Carnota. W przeciwieństwie do obiegu Carnota obieg Stirlinga może być realizowany przy pomocy dowolnego czynnika gazowego. A zatem realizacja techniczna tego obiegu wydaje się łatwiejsza. Silnik Stirlinga Początkowo czynnikiem roboczym w tym silniku było wyłącznie powietrze. Jednak w spotykanych już, w XIX i następnie w XX w., rozwiązaniach technicznych używanych dotychczas do napędu stosunkowo niewielkich maszyn, o mocy nieprzekraczającej (aktualnie) ok. 350 kW (ok. 500 KM), stosowano również inne czynniki robocze (wodór, hel, neon), szczególnie, że czynnik roboczy pracuje w obiegu zamkniętym. Silniki Stirlinga ze względu na konstrukcję podzielone zostały na 3 typy, przy czym w silniku każdego typu mechanizm korbowodowy zamienia ruch posuwisto-zwrotny obu tłoków w cylindrach (pracujących z przesunięciem fazowym 90o) na obroty wału korbowego:
* typ alfa – najbardziej zaawansowany rozwojowo – obejmuje dwa zamknięte tłokami cylindry połączone przewodem, który służy do przekazywania między nimi czynnika roboczego. Każdy z cylindrów współpracuje z odpowiednim źródłem ciepła. Cylindry są ustawione szeregowo w jednej płaszczyźnie i mają jednakową średnicę tłoka, lecz różnią się skokiem. Cylinder z tłokiem o krótszym skoku stanowi wymiennik do współpracy z dolnym źródłem ciepła, zaś ten z dłuższym skokiem jest wymiennikiem ciepła przewidzianym do współpracy z górnym źródłem ciepła;
* typ beta – obejmuje silniki o jednym cylindrze, w którym pracują współosiowo dwa tłoki o różnych średnicach i skokach. Cylinder o mniejszej średnicy nie jest szczelnie dopasowany do wymiaru cylindra i przepuszcza czynnik roboczy do przestrzeni między obydwoma cylindrami. Tłok o mniejszej średnicy jest bardziej oddalony od osi wału korbowego i zamyka tę część cylindra, która współpracuje z górnym źródłem ciepła obiegu. Tłok o większej średnicy współpracuje z tą częścią cylindra, która współpracuje z dolnym źródłem ciepła;
* typ gamma – najprostszy w konstrukcji (jego model możliwy jest do wykonania domowego). Ma właściwie tylko jeden cylinder, z którym współpracuje odpowiednio dobrany tłok. Ekscentrycznie dobudowany jest drugi cylinder o równoległej osi, który różni się znacznie średnicą i zamknięty jest dobranym szczelnie tłokiem. Powierzchnia odkorbowa cylindra przewidziana jest do współpracy z górnym źródłem ciepła. Reszta powierzchni zewnętrznej cylindra oddaje ciepło do dolnego źródła. A zatem silnik wykorzystuje znane prawo Gay-Lussaca (1802 r.), wg którego wzrost temperatury nośnika powoduje przyrost jego objętości. Gdy czynnik roboczy przemieszcza się pomiędzy komorą o wysokiej temperaturze a komorą o niskiej temperaturze, to możliwe staje się działanie silnika, bowiem wywiązuje się wówczas praca mechaniczna. W XIX i XX wieku silnik Stirlinga używano do napędu niewielkich maszyn. Silnik emituje bardzo mało zanieczyszczeń i jest bardzo wydajny. Zbudowane dotychczas prototypy silnika osiągały moc do 350 kW (ok. 500 KM) i dobre współczynniki sprawności 35-40%. Silnik Stirlinga nie posiada rozrządu, nie korzysta ze spalania wybuchowego i nie ma wydechu, czyli nie ma źródeł hałasu – dzięki temu jest niemal bezgłośny. Wadą są natomiast na ogół niskie obroty kompensowane w dużym stopniu możliwością dokładnej kontroli procesu spalania paliwa (znacznie lepszej niż w przypadku klasycznego silnika tłokowego), co umożliwia utrzymanie niskiej toksyczności spalin. Szereg zalet, jakie charakteryzują pracę silników Stirlinga, niezawodność uruchamiania oraz wspomniane już uprzednio: wysoka sprawność energetyczna, niski poziom hałasu, bardzo niski poziom emisji szkodliwych składników spalin (ze względu na ciągłość procesu spalania), a także możliwość wykorzystania różnorodnych źródeł ciepła, stwarzają obiecujące perspektywy dla zastosowania tych silników w różnych gałęziach przemysłu. Ponadto odwracalność obiegu Stirlinga pozwala na pracę tych maszyn, praktycznie bez żadnych zmian konstrukcyjnych, jako pomp ciepła lub urządzeń chłodniczych (maszyna Philipsa). Wszystkie te elementy powodują, że w wielu ośrodkach badawczych całego świata na szeroką skalę prowadzone są prace badawcze, zmierzające do opracowania i komercyjnego zastosowania maszyn i silników Stirlinga, które w najbliższej przyszłości mogą stać się bardzo konkurencyjne dla tłokowych silników spalinowych oraz tradycyjnych urządzeń chłodniczych. Aktualnie najpowszechniejszym zastosowaniem silnika Stirlinga są profesjonalne układy skojarzone (do równoczesnej produkcji ciepła i energii elektrycznej), czyli układy CHP, w małych aplikacjach (do ok. 75 kW mocy elektrycznej). Rozważa się także stosowanie tego silnika do wytwarzania energii elektrycznej przy wykorzystaniu geotermalnych źródeł energii. Wobec względnie niskiego poziomu temperatury wody geotermalnej nie można oczekiwać znacznej sprawności elektrycznej, ale dochodzi jeszcze dodatkowe wykorzystanie ciepłownicze wody geotermalnej. Chociaż głównym obszarem praktycznego stosowania silników Sterlinga wydaje się być energetyka (stacjonarne i przenośne generatory energii elektrycznej, zespoły skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej, systemy przetwarzania energii słonecznej), to jednak są również prowadzone prace nad zastosowaniem tych silników w przemyśle motoryzacyjnym oraz w transporcie morskim, a także w chłodnictwie (pompy ciepła i urządzenia chłodnicze). Silnie wydają się być zaawansowane prace nad zastosowaniem tych silników jako pomocniczych źródeł energii w systemach elektroenergetycznych pojazdów kosmicznych w oparciu o procesy rozpadu promieniotwórczego. Przykładowo można podać wartość sprawności obiegu Carnota (Stirlinga). Dla dwóch wybranych wartości temperatury górnego źródła 325 oraz 650oC oraz przy jednej i tej samej wartości temperatury dolnego źródła 30oC sprawność obiegu Carnota wynosi odpowiednio 0,5 oraz 0,67. Wartość 650oC jest zwykle skrajną wartością dla górnego źródła. Jednak dla konkretnych realizacji technicznych silników Stirlinga sprawność jest odpowiednio niższa. Zwykle jako górne źródło ciepła wykorzystuje się nośnik (np. spaliny) o temperaturze 250-300oC, przy której sprawność elektryczna (przy konwersji na energię elektryczną) sięga ok. 25-30%, zaś sprawność energetyczna (przy konwersji na energię elektryczną i ciepło) wynosi ok. 80-85%. Wskaźnikiem charakterystycznym dla tego silnika jest również ciężar jednostkowy wyrażony masą silnika odniesioną do jednostki mocy elektrycznej: 1,2-3,0 kg/kW. Jednak silnik ten posiada podstawową wadę, którą jest jednostkowy nakład inwestycyjny. Aktualna cena silnika Stirlinga jest ponad dwukrotnie wyższa od ceny stacjonarnego silnika tłokowego spalinowego o podobnej mocy. Decydującym argumentem jest tu przede wszystkim konieczność zastosowania odpowiednich wymienników ciepła, dzięki którym jest możliwa współpraca silnika z zewnętrznymi źródłami ciepła. W dodatku, by uzyskać odpowiedni poziom sprawności konieczne jest zastosowanie wysokiej temperatury źródła górnego, a zatem w konsekwencji wprowadzenie drogich materiałów konstrukcyjnych. Innym istotnym czynnikiem zwiększającym koszt jest fakt, że w silniku Stirlinga wymagana moc chłodnicza układu odprowadzania ciepła jest średnio dwukrotnie większa niż w konwencjonalnych tłokowych silnikach spalinowych, w których ta część energii jest odprowadzana za pośrednictwem strumienia gorących spalin. Warto podkreślić, że górnym źródłem ciepła dla silnika Stirlinga może być fizyczna energia odpadowa w postaci ciepła odpadowego lub ciepło pochodzące z odnawialnych zasobów energii. Może być nim także ciepło pochodzące ze spalania np. biomasy lub biogazu. W tym ostatnim przypadku istnieje możliwość wykorzystania, jako paliwa, nawet takiego biogazu, który ze względu na niewielką zawartość metanu nie nadaje się jako paliwo do silnika tłokowego. Dlatego obecnie obserwuje się poważne zainteresowanie tego typu silnikami, szczególnie pod kątem wykorzystania ich w rozproszonych układach kogeneracyjnych (CHP), czyli dostarczających ciepło i energię elektryczną. Przykład zastosowania Poniżej prezentowany przykład zastosowania silnika Stirlinga został dobrany dla zagospodarowania fizycznej energii odpadowej zawartej w strumieniu ciekłego nośnika.
Będąca do dyspozycji energia odpadowa scharakteryzowana jest strumieniem masy nośnika o temperaturze 300oC. Energia nośnika określona strumieniem entalpii wynosi 1,5 MW, przy czym wartość entalpii właściwej nośnika określono ponad temperaturę 0oC. Podczas kontaktu nośnika z wymiennikiem grzejnym silnika założono niezmienność temperatury nośnika realizującego wyłącznie przemianę fazową – skraplanie. Strumień ciepła wywiązywany podczas zmiany fazowej wynosi 1,25 MW i jest całkowicie wykorzystywany w górnym źródle ciepła do zasilania silnika. Przyjęto również, że silnik współpracuje z otoczeniem, w postaci powietrza atmosferycznego, jako dolnym źródłem ciepła. Temperatura otoczenia wynosi 15oC i jest niezmienna. W zakresie temperatury źródeł ciepła 300oC i 15oC sprawność obiegu Stirlinga wynosi (300-15)/(273+300) = 0,497. Jako sprawność elektryczną zespołu: silnik Stirlinga wraz generatorem energii elektrycznej, przyjęto zatem realną wartość wynoszącą 0,30. Pozwala ona ocenić strumień energii elektrycznej uzyskiwanej z energii odpadowej na poziomie 375 kW. Przyjmując koszt jednostkowy silnika na (wygórowanym) poziomie ok. 2500 Euro/kW, prowadzi to do nakładu inwestycyjnego w wysokości ok. 940 000 Euro. Z takiego nakładu można otrzymać rocznie ok. 8000 * 375 = 3 000 000 kWh = 3000 MWh. Przy średniej cenie sprzedaży jednostki energii elektrycznej, wynoszącej aktualnie 175 zł/MW, prowadzi to do kwoty 3000 * 175 = 525 000 zł = 131 000 Eu. Prosty czas zwrotu nakładu inwestycyjnego wynosi więc ok. 6 lat. Jest więc dobrym wskaźnikiem jak na inwestycję w dziedzinie energetyki. Jako alternatywne rozwiązanie przy zagospodarowaniu tego samego zasobu energii odpadowej można wskazać zastosowanie obiegu Clausiusa-Rankine’a na organiczny czynnik, tzw. ORC. W tym obiegu znajduje się turbina na czynnik nisko wrzący, napędzająca generator energii elektrycznej. Można oczekiwać, że sprawność elektryczna obiegu ORC jest porównywalna ze sprawnością zespołu silnik Stirlinga – generator, bowiem pracują w tym samym zakresie temperatury źródeł. Wydaje się, że jednostkowy koszt inwestycyjny takiego obiegu jest niższy od wprowadzenia silnika Stirlinga i wynosi ok. 2000 Euro/kW. Przy powyższych założeniach prowadzi to do krótszego, prostego czasu zwrotu, czyli do ok. 5 lat. Zastosowanie obu tych rozwiązań zagospodarowania zasobu strumienia energii odpadowej prowadzi do wprowadzenia tzw. generacji rozproszonej, czyli wytwarzania energii elektrycznej w źródle położonym w bezpośrednim sąsiedztwie odbiorców energii. Jest ona przeciwieństwem systemu zaopatrzenia w energię elektryczną z jednego centralnego źródła. Możliwe jest tu również stosowanie kogeneracji rozproszonej, czyli skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej, które zastępuje działanie centralnej elektrociepłowni. Wprowadzenie gospodarki skojarzonej poprzez podniesienie temperatury dolnego źródła ciepła (np. do poziomu temperatury nośnika niezbędnego do przygotowania c.w.u.) prowadzi do zmniejszenia mocy elektrycznej. Zaletą generacji lub kogeneracji rozproszonej jest zatem uniknięcie kosztów rozbudowy sieci elektroenergetycznej lub cieplnej i związanych z eksploatacją takiej sieci strat energii. Rozproszenie źródeł energii (dywersyfikacja) zwiększa bezpieczeństwo energetyczne na obszarze jej stosowania.
Piotr Kubski
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf

 

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij