W artykule dokonano przeglądu silników cieplnych właśnie pod kątem zastosowania ich w gospodarce skojarzonej.

Przegląd silników wykorzystywanych w układach kogeneracyjnych rozpocznijmy od silników parowych.

* Silniki parowe

W energetyce zawodowej, w elektrociepłowniach komunalnych spotykamy – jako podstawowe silniki cieplne – turbiny parowe upustowo-kondensacyjne i upustowo-przeciwprężne. Są to na ogół jednostki o mocy elektrycznej do 150 MW współpracujące z zespołem wymienników ciepłowniczych i wspomagane kotłami wodnymi. Właśnie podczas realizacji klasycznego obiegu parowego siłowni parowej można zrealizować równoczesne, zespołowe wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej. Najprostszy obieg takiej siłowni tworzą cztery główne urządzenia: kocioł parowy, turbina parowa, skraplacz i pompa. Pierwsze z nich – kocioł wysokoprężny (wysokociśnienieniowy) – dostarcza wysoko przegrzaną parę wodną służącą do napędu turbiny parowej upustowo-przeciwprężnej. Następnie para wodna po ekspansji w turbinie do stanu zbliżonego do pary nasyconej suchej dopływa do zespołu skraplaczy (będących odbiornikami ciepła), gdzie ulega skropleniu. Powstałe skropliny kierowane są do zbiornika skroplin, skąd pompa podaje je do kotła, gdzie ponownie powstaje z nich przegrzana para wodna. W układzie takiej siłowni praca mechaniczna uzyskiwana w turbinie parowej służy do napędu generatora elektrycznego znajdującego się najczęściej na wspólnym wale z turbiną. Jednocześnie para odlotowa z turbiny, o ciśnieniu znacznie niższym niż w kotle, ale i znacznie wyższym od ciśnienia atmosferycznego, może zasilać odpowiednio dobrane wymienniki ciepła, tworzące skraplacze dla obiegu siłowni. W jednym z nich – zasilanym z upustu turbiny – na podstawowe potrzeby technologiczne może być wytwarzana para nasycona sucha o nieco niższym ciśnieniu niż opuszczająca upust turbiny. W innym wymienniku – na wylocie z turbiny – przygotowywana jest ciepła woda na pomocnicze potrzeby technologiczne. W pozostałych wymiennikach ciepła – zasilanych również parą upustową – stanowiących podgrzewacze wody sieciowej, przygotowywana jest woda na cele grzewcze odbiorców. W ten sposób w ramach realizacji tego samego obiegu termodynamicznego uzyskuje się dwa jego główne produkty: energię elektryczną i ciepło. Jednak, co oczywiste, by uzyskać wspomniany efekt energetyczny, obieg wymaga zasilania w energię. Zatem do kotła doprowadzana jest energia chemiczna w paliwie, zaś ponadto uzyskiwana w układzie energia elektryczna wykorzystywana jest do napędu pomp skroplin i do pokrycia innych niezbędnych potrzeb własnych obiektu. Sprawność energetyczna obiegu takiej siłowni, a ściślej mówiąc elektrociepłowni, wyrażona jest poprzez iloraz sumy łącznych efektów energetycznych, tzn. ciepła i energii elektrycznej, odniesionych do nakładu energii chemicznej w paliwie.

Zwykle w komunalnych elektrociepłowniach parowych turbiny wyposażone są w upusty ciepłownicze, z których para przegrzana zasila wymienniki ciepłownicze, przekazując w nich ciepło do wody sieciowej miejskiego systemu ciepłowniczego na pokrycie jego potrzeb grzewczych, czyli głównie centralnego ogrzewania (c.o.) i zaopatrzenia w ciepłą wodę użytkową (c.w.u.). W energetyce przemysłowej w oparciu o takie same turbiny i wymienniki ciepło odpadowe z produkcji energii elektrycznej wykorzystywane jest jako ciepło grzejne dla określonych procesów technologicznych.

Znane są również zastosowania, ale poza naszym krajem, silników parowych nowej generacji, w których zachodzi ekspansja przegrzanej pary wodnej, suchej nasyconej lub nawet pary mokrej.

* Silniki spalinowe

Ważnym rozwiązaniem technicznym, które znalazło zastosowanie w układach kogeneracyjnych dla energetyki zawodowej i ciepłownictwa, są silniki spalinowe, w tym wirnikowe, czyli turbiny gazowe oraz silniki tłokowe.

Silniki tłokowe są predysponowane w zakresie mocy elektrycznej od ok. 10 kW do ok. 5 MW. Na ogół przyjmuje się jako dolną granicę stosowania turbin właśnie od ok. 5 MW (do kilkuset MW), chociaż znane są również tzw. mikroturbiny o mocy od ok. 10 kW, przeznaczone do ogrzewnictwa, szczególnie indywidualnego.

Stosowane w kogeneracji silniki tłokowe mają zapłon iskrowy, bowiem ich ogólna sprawność energetyczna, czyli stosunek sumy efektów użytecznych w postaci energii elektrycznej i ciepła do nakładu energii chemicznej w paliwie, jest wyższa niż w przypadku silników z zapłonem samoczynnym. Natomiast silniki z zapłonem samoczynnym, współpracujące z generatorem energii elektrycznej, często stanowią rezerwowe źródło tej energii.

Układy gazowo-parowe

Dużymi jednostkami kogeneracyjnymi stosowanymi w energetyce zawodowej są tzw. układy gazowo-parowe. W takim układzie występuje sprzężenie cieplne poprzez wymiennik ciepła (wysokotemperaturowego) obiegu turbiny gazowej, z której spaliny wylotowe sięgają ok. 500-600oC, z odpowiednim (o niższym poziomie temperatury) obiegiem turbiny parowej, dla którego górnym źródłem ciepła są właśnie spaliny turbinowe.

* Obieg ORC

Obieg ORC (Organic Rankine Cycle) jest typowym obiegiem parowym realizowanym przez czynnik niskowrzący. Czynnikiem niskowrzącym nazywamy taki czynnik roboczy, którego przemiana ze stanu ciekłego w stan gazowy zachodzi przy podobnym ciśnieniu w o wiele niższej temperaturze niż klasyczny czynnik siłowniany – para wodna. Obieg parowy jest tutaj, podobnie jak w klasycznej energetyce, oparty na czterech niezbędnych urządzeniach, a są nimi:

– wytwornica pary czynnika niskowrzącego (odpowiednik kotła parowego), zasilana np. ciepłem odpadowym, ciepłem ze spalania np. biomasy, energią geotermalną lub promieniowania słonecznego,

– turbina parowa, w której ekspanduje czynnik roboczy,

– skraplacz pary opuszczającej turbinę,

– pompa cieczy podnosząca jej ciśnienie.

Możliwe są jeszcze dalsze urządzenia służące poprawie efektywności energetycznej takiego prostego obiegu. Mogą to być wymiennik regeneracyjny, który dochładza ciecz za skraplaczem, lub międzystopniowy przegrzewacz pary ekspandującej w turbinie.

W obiegu ORC można zatem niskotemperaturowe ciepło z zasobów odnawialnych lub odpadowych przekształcić w pracę użyteczną w turbinie, a dzięki generatorowi napędzanemu turbiną uzyskuje się energię elektryczną. W konsekwencji, podobnie jak w obiegu parowym realizowanym w klasycznej elektrociepłowni, realizuje się gospodarkę skojarzoną.

* Inne silniki

Dla realizacji gospodarki skojarzonej możliwe jest jeszcze zastosowanie ogniwa paliwowego lub silnika Stirlinga, ale te urządzenia, choć dostępne w handlu, nie są jeszcze stosowane w energetyce, ciepłownictwie czy ogrzewnictwie.

Ogniwo paliwowe jest urządzeniem generującym energię elektryczną i ciepło z reakcji utleniania paliwa gazowego, dostarczanego w sposób ciągły. Właśnie ciągły sposób dostarczania paliwa powoduje, że ogniwo paliwowe zasadniczo różni się od ogniw galwanicznych (baterie, akumulatory), które przekształcają energię chemiczną uprzednio zgromadzoną wewnątrz tych urządzeń. Ogniwa paliwowe są zasilane najczęściej wodorem, ale i gazem ziemnym. Podczas ich pracy nie ulegają chemicznej zmianie ani elektrody, ani elektrolit. W wyniku reakcji paliwa z tlenem lub powietrzem powstaje para wodna.

Z kolei silnik Stirlinga, opatentowany w 1816 r. przez szkockiego duchownego Roberta Stirlinga, jak każdy silnik cieplny zamienia ciepło, w tym przypadku doprowadzane z zewnątrz, w energię mechaniczną, a następnie w generatorze – w energię elektryczną. Dlatego też wewnątrz takiego silnika nie zachodzi proces spalania konwencjonalnego paliwa, lecz silnik może być zasilany zewnętrznym ciepłem z dowolnego źródła, wykorzystującego np. zasoby odnawialne lub odpadowe.

Trigeneracja

Specyfika ogrzewania obiektów budowlanych wymaga zmiennego w czasie strumienia ciepła grzewczego, uzależnionego wszak od zmiennej temperatury otoczenia. Przy zmniejszonym zapotrzebowaniu na ciepło grzejne w elektrociepłowni parowej z turbinami przeciwprężnymi odpowiednio spada produkcja energii elektrycznej. W okresie poza sezonem grzewczym elektrociepłownia parowa dostarcza jedynie ciepło na zaopatrzenie odbiorców w ciepłą wodę użytkową. A potrzeby te można pokryć zwykle kilkunastoma procentami zainstalowanej mocy cieplnej, przy czym pozostała część mocy jest niewykorzystywana, co właśnie istotnie ogranicza produkcję energii elektrycznej.

Znakomitym sposobem poprawy efektywności pracy układu skojarzonego, szczególnie w lecie, jest jeszcze możliwość odpowiedniego wykorzystania zainstalowanej mocy cieplnej do produkcji chłodu sieciowego, np. w postaci tzw. wody lodowej o temperaturze 6-12oC na potrzeby klimatyzacji. Chłód sieciowy mogą np. produkować absorpcyjne urządzenia chłodnicze, które wykorzystują ciepło napędowe w postaci wody o temperaturze zwykle ok. 80-90oC. Taki chłód można też uzyskać z podobnych agregatów chłodniczych, ale zasilanych np. gorącymi spalinami z silnika tłokowego.

Znane są nieliczne, i to o niewielkiej mocy, tego typu instalacje w kraju, np. przy Elektrociepłowni Poznań. Ponadto znane są autorowi niniejszego tekstu poważne rozważania koncepcji wykorzystania trigeneracji w oparciu o pracę silnika spalinowego w wielkogabarytowych obiektach handlowych.

Podsumowanie

Podkreślono, że skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej, czyli kogeneracja, jest dużo efektywniejsze energetycznie niż ich oddzielna produkcja. W dodatku odpowiednio do zmniejszonego zużycia energii pierwotnej gospodarka skojarzona chroni zarówno zasoby energii pierwotnej, jak i chroni środowisko zmniejszoną ilością stałych i gazowych produktów procesu spalania paliw. Dalszym udoskonaleniem energetycznym procesu wytwarzania ciepła i energii elektrycznej jest równoczesna z nimi produkcja chłodu, czy trigeneracja.

Elektrociepłownie parowe jako scentralizowane źródła o odpowiednio dużej mocy, są powszechnie stosowane w przypadku aglomeracji miejskich, jednak wysoki koszt budowy sieci ciepłowniczej ogranicza stosowanie takiego ogrzewania do odpowiednio gęsto zaludnionych obszarów. Dla mniejszej liczby odbiorców ciepła, np. na niewielkich obszarach bądź na obszarach peryferyjnych miast, i to z dala od sieci cieplnej, stosuje się również układy kogeneracyjne, ale oparte na pracy silników spalinowych, wirnikowych lub tłokowych. Ponadto zagospodarowanie dostępnego paliwa gazowego, np. biogazu, metanu z odmetanowienia kopalń, gazu wysypiskowego lub innego paliwa odpadowego, powinno się odbywać wyłącznie przy stosowaniu gospodarki skojarzonej.

Możliwością pełniejszego wykorzystania zainstalowanej mocy cieplnej, szczególnie poza okresem grzewczym, jest produkcja chłodu sieciowego w oparciu o absorpcyjne urządzenia chłodnicze. Oczywiście, przy odpowiednio wysokim poziomie temperatury wody grzejnej zasilającej właściwie dobrane urządzenie chłodnicze, przy dobrej efektywności energetycznej, można uzyskać nośnik chłodu o dostatecznie niskiej temperaturze niezbędnej np. w przechowalnictwie żywności.

dr inż. Piotr Kubski

Fot. z archiwum Viessmann.

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