Mała siłownia kogeneracyjna zamiast domowego kotła

Przed 11 laty w IMP PAN w Gdańsku narodził się pomysł zamiany domowych kotłów grzewczych na małe elektrownie składające się z kotła, turbiny i prądnicy (siłownia kogeneracyjna). Dziś wydaje się, że pomysł udało się urzeczywistnić…

W niedalekiej przyszłości gdzieś w Polsce… Firma Jakuba Nowaka skończyła montaż kolejnej mikrosiłowni (mała siłownia kogeneracyjna). Tym razem jest to mniejsza jednostka o mocy elektrycznej 40 kW i mocy cieplnej 120 kW. Właśnie odbywa się pierwszy rozruch instalacji. Jakub widzi, jak drewniane zrębki są automatycznie podawane do kotła z przesuwnym rusztem schodkowym, a w kotle gorące spaliny ogrzewają ciecz, która zamienia się w parę. Już po kilku minutach prawie bezgłośnie pracuje turbina z prędkością 12 tys. obrotów na minutę.

Prace montażowe trwały dwa tygodnie, kontener z kotłem był na czas, dostawa układu parowego z turbiną trwała nieco dłużej. To już trzecie zrealizowane zamówienie w tym kwartale. Jakub widzi, że liczba zamówień rośnie lawinowo. Każdy, kto ma dostęp do większej ilości drewna, słomy albo węgla, chce mieć u siebie mikrosiłownię, bo to znaczne i stałe dochody. Producenci turbin do mikrosiłowni mają portfele pełne zamówień. Turbiny polskiej konstrukcji są wytwarzane w Gdyni, Sędziszowie Małopolskim i Dzierzgoniu.

Ostatnio nowe turbiny o wyższej sprawności oferuje dotychczasowy producent sprężarek z Zabrza i dostawca układów na ciepło odpadowe z Poznania. Na początku mało osób wierzyło, że technologia, jaką na serio zaczęto rozwijać w Gdańsku, przebije się wśród wiatraków, paneli fotowoltaicznych i biogazowni. Jakub pamięta, że kiedy wiosną 2017 roku pierwszy raz usłyszał o mikrosiłowniach, wydawało mu się, że takie zaawansowane urządzenia mogą zbudować Niemcy albo Amerykanie, bał się, że rynek mikrosiłowni będzie bardzo płytki.

Obawiał się, że sprawność produkcji prądu jest za niska, koszty instalacji za wysokie, żeby mikrosiłownia była opłacalna. Od tego czasu tak dużo się zmieniło, że trudno w to uwierzyć. Czy ktoś to przewidział? O polskie mikrosiłownie pytają także na rynku afrykańskim i azjatyckim. Otwierają się wielkie możliwości ekspansji na obu kontynentach. Jakub martwi się tylko, czy jego firma wytrzyma konkurencję, która jest coraz silniejsza.

Mała siłownia kogeneracyjna – rzeczywistość…

Opisany powyżej scenariusz jest możliwy, choć oczywiście nie jest przesądzony. Są jednak podstawy, które czynią go dość prawdopodobnym. Po pierwsze, w Polsce istnieje zaplecze naukowo-techniczne dla rozwoju małoskalowych technologii energetyki cieplnej, czyli domowej energetyki opartej o paliwa stałe, takie jak drewno, węgiel oraz odpady leśne i rolne. Po drugie, nie jesteśmy skazani na import technologii z zagranicy, ponieważ sami ją tworzymy.

Jednostki naukowe w naszym kraju dają solidne zaplecze producentom. Przykładem może być Instytut Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku, gdzie przed 11 laty narodził się pomysł zamiany domowych kotłów grzewczych na małe elektrownie składające się z kotła, turbiny i prądnicy. Od samego początku prof. J. Mikielewicz – twórca koncepcji domowych mikrosiłowni – pracował nad termodynamiczną analizą i zastosowaniem innych, niż para wodna, czynników roboczych. Jego ideę mikrosiłowni rozwijał zespół kierowany przez dyrektora IMP PAN prof. J. Kicińskiego.

Efektem kilkuletnich prac tego zespołu jest prototyp małej siłowni cieplnej wytwarzającej jednocześnie prąd elektryczny o mocy 2,5 KWe i ciepło o mocy 25 kW. Podstawę mikrosiłowni stanowią: chłodzony olejem kocioł na drewno, wymiennik ciepła typu olej-ciecz niskowrząca, wysokoobrotowa turbina parowa na czynnik niskowrzący, generator prądu elektrycznego, skraplacz i pompa obiegowa. Czynnik roboczy pracuje według tzw. organicznego obiegu Rankine’a (ORC).

Przymiotnik organiczny w nazwie obiegu odnosi się do płynu o wysokiej masie molowej pochodzenia organicznego, którego temperatura i ciśnienie parowania są dużo niższe od wody. Z powodu niższych parametrów pracy – temperatury i ciśnienia – wymagania wytrzymałościowe oraz kwestie bezpieczeństwa układów ORC nie są tak krytyczne podczas projektowania i w eksploatacji.

Pierwsza polska mała siłownia kogeneracyjna ORC o mocy 2,5 kWe w IMP PAN

Na fot. 1 przedstawiono mikrosiłownię kogeneracyjną ORC powstałą w IMP PAN. W porównaniu z komercyjnym urządzeniem mikrosiłownia badawcza wyposażona jest w wiele urządzeń pomiarowych służących do zbierania danych pracy całego układu. Pomimo tego, że mikrosiłownia służy do badań, jest w pełni operacyjna i produkuje energię elektryczną i ciepło. Cały układ składa się z kotła na biomasę (prawa strona fotografii 1, niebiesko-srebrny prostopadłościan) oraz modułu kogeneracyjnego zbudowanego z turbiny, generatora prądu, wymienników ciepła i pompy zamontowanych na wspólnej ramie (lewa część fotografii 1).

Wymiary modułu kogeneracyjnego wytwarzającego energię elektryczną są zbliżone do lodówki średniej wielkości (160 x 74 x 74 cm), kocioł jest nieznacznie większy. Pierwotnym źródłem energii mikrosiłowni są pelety drewniane spalane w kotle. Gorące spaliny ogrzewają najpierw olej termalny, który w wymienniku ciepła przekazuje energię do czynnika roboczego napędzającego bezpośrednio turbinę. Olej termalny stosuje się ze względów bezpieczeństwa, gdyż bezpośrednie ogrzewane czynnika roboczego wymagałoby specjalnych zabezpieczeń.

Mała siłownia kogeneracyjna - wysokoobrotowe turbogeneratory

Cechą charakterystyczną mikrosiłowni powstałej w IMP jest zastosowanie wysokoobrotowych turbogeneratorów (fot. 2), które są budowane w tzw. technologii bezolejowej. Pozwala to na integrację mikroturbiny i generatora prądu w jednym korpusie oraz miniaturyzację całej konstrukcji. Do podparcia wirnika stosowane są innowacyjne systemy łożyskowania. Takie turbogeneratory charakteryzują się również niskim poziomem drgań oraz dużą trwałością. Miarą zaawansowania technologicznego mikrosiłowni jest w pełni zautomatyzowany system sterowania, który zapewnia bezobsługową pracę.

Mała siłownia kogeneracyjna – rozwój technologii

Wraz z końcem badań i publikacją wyników prac w kilku czasopismach do IMP PAN przybywały grupy przedsiębiorców zainteresowanych kupnem mikrosiłowni bądź licencji. W wyniku analiz negocjacji z przedsiębiorcami za najlepsze rozwiązanie Instytut uznał ofertę komercjalizacji technologii zaproponowaną przez firmę z Sark z Gdyni. Przedsiębiorstwo to związane jest z energetyką od kilku lat i zajmuje się sprzedażą węgla oraz biomasy pochodzenia drzewnego i rolnego. Istotnym czynnikiem podjęcia współpracy z tą firmą była jej aktywność w sektorze energetycznym, posiadanie kontaktów z odbiorcami hurtowymi paliw oraz szerokie pole działalności obejmujące praktycznie całą Polskę.

Od samego początku współwłaściciele z wielką energią przystąpili do tworzenia podstaw finansowych projektu na budowę komercyjnej mikrosiłowni ORC. Na początku 2017 roku przedsięwzięcie to uzyskało wsparcie z Polskiej Agencji Rozwoju Przedsiębiorczości w ramach programu Bony na Innowacje. Obecnie IMP PAN wraz z firmą prowadzi prace projektowe nad kluczowymi podzespołami komercyjnej mikrosiłowni kogeneracyjnej ORC, która będzie przeznaczona do powszechnego użytku.

Zasadniczo celem w projekcie jest dostarczenie tysiącom odbiorców efektywnego i niezawodnego urządzenia. Będzie to oferta skierowana zarówno do odbiorców indywidualnych oraz małych i średnich przedsiębiorstw, a także instytucji. Wstępne kalkulacje mówią, że cena mikrosiłowni ORC powinna być w przedziale 30 – 40 tys. złotych. Taka cena będzie akceptowalna dla dużej grupy odbiorców.

Mała siłownia kogeneracyjna – potencjał rozwoju

Przedstawiona we wstępie wizja przyszłości ma szansę realizacji, ponieważ technologia projektowania małych układów do koprodukcji energii elektrycznej i prądu została stworzona i jest rozwijana w Polsce. Oprócz Instytutu Maszyn Przepływowych PAN postęp techniczny w tej dziedzinie budują naukowcy z politechnik w Gdańsku, Łodzi, Gliwicach i w Szczecinie.

Dla rozwoju technologii małych siłowni kogeneracyjnych i ekspansji małoskalowej energetyki w Polsce ogromne znaczenie mają czynniki ekonomiczne i środowiskowe. Wszystkie one zmuszają naszych przedsiębiorców i konsumentów do zmiany przyzwyczajeń i wyboru mikrosiłowni jako naturalnego następcy tradycyjnego kotła. W naszym kraju ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych, gospodarczych, budynków użyteczności publicznej jest konieczne przez większą część roku. Liczbę gospodarstw domowych, które mogą wykorzystywać mikrosiłownie kogeneracyjne, szacuje się na około 2 mln. Świadczy to o ogromnym potencjale mikroenergetyki.

Ciepłownictwo w Polsce jest bardzo rozwiniętą i dużą gałęzią gospodarki narodowej, która wykorzystuje rocznie ogromne ilości węgla i biomasy. W obecnie stosowanych instalacjach kotłowych z paliw tych produkuje się ciepło. Z energetycznego punktu widzenia zamiana wysokokalorycznej energii chemicznej zawartej w węglu i drewnie na niskotemperaturowe ciepło jest ewidentnym marnotrawstwem. Niestety tak dzieje się na wielką skalę, ponieważ w Polsce rocznie na cele ciepłownicze, bez kogeneracji energii elektrycznej, spala się dziesiątki milionów ton węgla i drewna.

Kolejnym czynnikiem sprzyjającym idei i technologii kogeneracji prądu i ciepła w mikroskali stał się paradoksalnie smog. Jego niwelowanie – przez powszechne zastosowanie nowoczesnych mikrosiłowni wyposażonych w systemy oczyszczania spalin – na dłuższą metę jawi się jako bardziej skuteczna i realna metoda niż postulowane zakazy spalania miału.

Na koniec warto wymienić jeszcze jeden powód, który będzie sprzyjał rozwojowi mikrosiłowni kogeneracyjnych oraz ekspansji polskich firm na rynki zagraniczne. Jest nim potrzeba sukcesu, potrzeba posiadania polskiej, rozpoznawalnej na całym świecie marki.

dr hab. inż. Dariusz Kardaś

dr hab. inż. Piotr Lampart

dr inż. Grzegorz Żywica

Fot. 1. Pierwsza polska mikrosiłownia ORC o mocy 2,5 kWe w IMP PAN.

Fot. 2. Wysokoobrotowa mikroturbina do układu ORC.

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