TADEUSZ JANOWSKI MARIUSZ HOLUK

ZASTOSOWANIE SILNIKA STIRLINGA W MIKROKOGENERACJI DOMOWEJ

STRESZCZENIE W artykule opisano zagadnienia zwizane z ukadami skojarzonego wytwarzania ciepa i energii elektrycznej. Przedstawiono ukady mikrokogeneracyjne wykorzystujce silnik Stirlinga. Omwiono przesanki rozwoju mikrokogeneracji domowej w Polsce w tematyki w najbliszych latach.

Sowa kluczowe: mikrokogeneracja, energetyka skojarzona, silnik Stirlinga, odnawialne rda energii.

1. WSTP

Ograniczone zasoby energii pierwotnej, zagroenia wywoane emisj gazw cieplarnianych, niska sprawno systemw przesyowych energii cieplnej, wymagania wysokiej jakoci energii elektrycznej przez zaawansowane tech-nologie przemysowe i informatyczne wymagaj poszukiwania innych sposobw

prof. dr hab. in. Tadeusz JANOWSKI e-mail: t.janowski@pollub.pl

Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii,

Politechnika Lubelska

mgr in. Mariusz HOLUK e-mail: mholuk@pwsz.chelm.pl

Instytut Nauk Technicznych,

Pastwowa Wysza Szkoa Zawodowa w Chemie

PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 249, 2011

118 T. Janowski, M. Holuk

wytwarzania, przesyania i uytkowania energii elektrycznej i cieplnej. Jednym z rozwiza jest idea generowania energii elektrycznej i ciepa bezporednio w mieszkaniu, a szczeglnie w domu jednorodzinnym, pod nazw elektro-ciepownie domowe ( ang. Power plant for Home, Combined Heat and Power for the Home CHPH).

Koncepcja wytwarzania ciepa i energii elektrycznej w skojarzeniu zos-taa przyjta pierwotnie w 1880 roku, gdy para bya najwaniejszym rdem energii w przemyle. Obecne powszechnie stosowane s napdy elektryczne. W XX wieku mechanizmy parowe zostay zastpione napdami elektrycznymi. Ocenia si, e na pocztku lat dziewidziesitych XX wieku okoo 58% cako-witej mocy zainstalowanej w Stanach Zjednoczonych w elektrociepowniach bya moc produkowan w skojarzeniu.

Ewentualne ataki terrorystyczne na centralne rda ciepa i energii elek-trycznej w krajach mog spowodowa chaos oraz kryzys gospodarczy. W celu eliminacji tego zagroenia w latach 2003 2006 podjto prac nad urzdze-niami, ktre zapewniayby uytkownikowi bezpieczestwo, komfort oraz funkcjo-nalno (Japonia, Stany Zjednoczone, Niemcy). Zastosowanie CHPH podnosi stopie wykorzystania energii cieplnej oraz eliminuje straty przesyu energii cieplnej i elektrycznej. Mimo mniejszej sprawnoci generacji energii elektrycznej cakowita sprawno CHPH jest wiksza od duych systemw elektroenerge-tycznych. Taki system podnosi bezpieczestwo energetyczne, zmniejsza zapo-trzebowanie na energi elektryczn wysokiej jakoci konieczn dla zaawanso-wanych technologii przemysowych, a take uatwia wykorzystanie energii ze rde odnawialnych. rdem energii pierwotnej moe tu by gaz naturalny, gaz cieky, paliwa ropopochodne, wodr (ogniwa paliwowe), biogaz lub biomasa.

2. PODSTAWOWE POJCIE MIKROKOGENERACJI

Poszukiwania nowych rozwiza dla zapewnienia zasilania elektrycz-nego i ogrzewania maych obiektw doprowadziy do rozwoju technologii zwi-zanych ze skojarzon produkcj energii cieplnej i elektrycznej (ang. Micro Combined Heat and Power microCHP) w oparciu o rda maej mocy z wykorzystaniem rde odnawialnych [1]. Tak produkcj rda ciepa i energii elektrycznej nazwa-no mikrokogeneracj (ang. Micro-cogeneration) lub minikogeneracj (ang. small scale) w zalenoci od mocy urzdze.

Idea dziaania systemu microCHP polega na jednoczesnej produkcji dwch lub wicej typw energii uytkowej z jednego rda energii pierwot- nej i wykorzystaniu ciepa odpadowego z urzdze wytwarzajcych energi elektryczn (rys. 1).

Zastosowanie silnika Stirlinga w mikrokogeneracji domowej 119

Rys. 1. Idea dziaania mikro-CHP [4]

Zalet takich ukadw jest uniwersalno przy planowaniu umiejsco-wienia inwestycji. Technologie skojarzonego wytwarzania mona zastosowa wszdzie tam, gdzie:

wystpuje jednoczesne zapotrzebowanie na ciepo i energi elektryczn, inwestowanie w duy ukad elektrociepowni jest niemoliwy lub nieopacalny.

W tych miejscach instalowanie maych ukadw skojarzonych jest racjo-

nalne, gdzie przez du liczb godzin w roku wystpuje znaczne zapotrze-bowanie na ciepo grzejne i energi elektryczn.

Rys. 2. Schemat dziaania ukadw mikrokogeneracyjnych [8]

W systemie microCHP energia pierwotna w postaci gazu ziemnego

i pynnego, oleju napdowego, biomasy i innych, jest przetwarzana na energi elektryczn i ciepln. Sprawno cakowita ukadu wynosi ok. 90%. Energia elektryczna wytwarzana jest w alternatorze napdzanym silnikiem cieplnym, ktrego sprawno zawiera si w przedziale (10 40)%. Ciepo uzyskiwane w efekcie spalania paliw jest odzyskiwane w systemie wymiennikw ciepa i sta-nowi (50 80)% energii pierwotnej. Schemat dziaania takiego ukadu pokazano na rysunku 2.

120 T. Janowski, M. Holuk

Systemy maej mocy (microCHP) o mocy cieplnej poniej 10 kW i mo- cy elektrycznej (1 5) kW stosowane s gwnie dla pojedynczego gospo- darstwa domowego. Idea dziaania takiej mikroelektrociepowni domowej polega na umiejscowieniu zarwno rda energii elektrycznej, jak i cieplnej wewntrz zasilanego budynku. Najlepszym miejscem, gdzie mona zastosowa taki ukad to pomieszczenie gospodarcze. Wytwarzana energia elektryczna zasila urz-dzenia elektryczne, natomiast ciepo wykorzystywane jest do ogrzania wody uytkowej oraz w systemie centralnego ogrzewania pomieszcze. Takie rozwi-zanie ogranicza straty ciepa do strat kominowych.

Na terenach bez rozbudowanej sieci elektrycznej proporcja energii elektrycznej i ciepa wynika z zapotrzebowania na ciepo i energi elektryczn. Z uwagi na warunki klimatyczne i geograficzne w Polsce, naley przyj, e w okre-sie letnim, kiedy nie potrzebna jest energia na ogrzewanie mieszkania system ukierunkowany jest na wytwarzanie energii elektrycznej, natomiast w okresach wzmoonego zapotrzebowania na ciepo (okres zimowy) wzrasta udzia procen-towy wytwarzanego ciepa w stosunku do energii elektrycznej. Istnieje wic moli-wo sprzeday nadwyki energii elektrycznej do sytemu energetycznego lub wyczenia niektrych elementw systemu i zakupu energii elektrycznej z sieci w okresach wikszego zapotrzebowania na energi elektryczn.

3. SILNIK STIRLINGA

Obecnie coraz szersze zastosowanie znajduj mae skojarzone rda energii, zwane mini- lub mikroelektrociepowniami, w ktrych do wytwarzania ciepa i energii elektrycznej wykorzystuje si mikroturbiny gazowe oraz silniki spalinowe. Ze wzgldu na aspekty ekologiczne i ekonomiczne s to najczciej silniki zasilane gazem ziemnym. Wynika to m.in. ze zwikszonej poday tego gazu na rynku energii oraz mniejszej emisji substancji szkodliwych w porw-naniu z systemami na paliwa cieke i stae.

3.1. Zasada dziaania silnika Stirlinga Ukady skojarzone z gazowymi silnikami spalinowymi maj najczciej

posta gotowych moduw, obejmujcych silnik, generator, zesp wymiennikw ciepa, ukad odprowadzania spalin i ukad wyciszania haasu. Bardzo duym zainteresowaniem ciesz si ukady skojarzone maej mocy, w ktrych rol napdu dla generatora peni silnik Stirlinga.

Zastosowanie silnika Stirlinga w mikrokogeneracji domowej 121

Rys. 3. Schemat dziaania Silnika Stirlinga w ukadzie mikroCHP

Silnik Stirlinga przetwarza ciepo na energi mechaniczn bez wybucho-

wego procesu spalania. Ciepo doprowadzane jest do czynnika roboczego, ktrym jest gaz, poprzez nagrzewanie zewntrznej cianki nagrzewnicy. Wsku-tek dostarczania ciepa z zewntrz moliwe jest zasilanie silnika energi pierwotn praktycznie z dowolnego rda: zwizki ropopochodne, wgiel, drewno, wszel-kiego rodzaju paliwa gazowe, biomasa, a nawet energia soneczna. Silnik Stirlinga doskonale nadaje si do napdzania generatorw w ukadach kogeneracyjnych zasilajcych mae obiekty.

Zasada dziaania silnika Stirlinga zostaa ilustrowana na rysunku 4. W jego skad wchodz: dwa toki (zimny i ciepy), regeneracyjny wymiennik ciepa, a take wymienniki ciepa pomidzy czynnikiem roboczym, a zewntrznymi

Wymiennik ciepa

G~

QdQw

ThTc

Ciepo doprowadzone

Ciepo odprowadzone

Temp. gorcego rda ciepa

Temp. zimnego rda ciepa

Rys. 4. Schemat silnika Stirlinga [5]

122 T. Janowski, M. Holuk

rdami. Palnik (piec) dostarczajcy ciepo do procesu moe pracowa korzys-tajc z rnych paliw (m.in. naturalny gaz, biogaz, butan, torf, benzyna, alkohol). Zewntrzne spalanie uatwia kontrol procesu spalania i powoduje, e proces ten jest czystszy i wydajniejszy. Jednym z istotniejszych elementw pracujcych w obiegu jest regenerator, ktry przejmuje ciepo od czynnika roboczego w czasie jego przepywu z przestrzeni ogrzewanej do chodzonej.

Silnik Stirlinga pracuje w ukadzie staego poczenia z zewntrznym rdem ciepa o temperaturze Th, co zapewnia doprowadzenie energii nap-dowej na wiele sposobw. W ukadach tych rdem ciepa s gwnie spaliny wytworzone w procesach spalania paliw. Natomiast ciepo z obiegu odprowa-dzane jest do rda o niskiej temperaturze Tc. Ostatecznie sprawno obiegu zaley od rnicy temperatury midzy rdami (Th Tc).

Obecnie na rynku znajduje si szereg agregatw kogeneracyjnych z wyko-rzystaniem silnika Stirlinga. Ukady te charakteryzuj si wysok sprawnoci zarwno elektryczn (2030)% jak i ciepln (6070)% co sprawia, e ich spraw-no cakowita szacowana jest w ok. 90%. Czynnikiem roboczym tych silnikw jest hel, wodr lub powietrze.

Do zalet stosowania ukadw CHPH mona zaliczy: wysok sprawno cakowit ukadu, niski poziom haasu (moliwo montau urzdzenia w domu), zmniejszenie emisji CO2 (aspekty ekologiczne), moliwo wytwarzania energii elektrycznej przy braku zapotrzebowania na ciepo, oszczdno paliwa w po-rwnaniu z ukadami rozdzielonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepa, nadwyki energii mog by sprzedane do sieci oraz wzrost bezpieczestwa energetycznego (dodatkowe rdo zasilania), niskie obroty (kompensowane w duym stopniu z moliwoci dokadnej kontroli procesu spalania paliwa), co umoliwia utrzymanie niskiej toksycznoci spalin.

Oczywicie nie mona zapomnie o wadach tych silnikw. Aktualnie niski poziom rozwoju technologii oraz wysoki jednostkowy nakad inwestycyjny, powstrzymuj od seryjnej produkcji.

3.2. Obieg cieplny silnika Stirlinga Charakterystyczn cech pracy silnika Stirlinga jest wykorzystanie ciepa

do podgrzewania gazu roboczego w cylindrze. Silnik pracuje w zamknitej przestrzeni roboczej, gdzie nastpuj regeneracja ciepa przy staej objtoci gazu. Obieg teoretyczny dziaania silnika Stirlinga zosta przedstawiony na ry-sunku 5. Ciepo odzyskiwane w wymienniku ciepa i wykorzystywane w gospo-darstwie domowym do grzania wody uytkowej i pomieszcze.

Zastosowanie silnika Stirlinga w mikrokogeneracji domowej 123

Obieg ten zosta utworzony z kilku prostych przemian termodyna-micznych z wiksz iloci zaoe upraszczajcych. W czasie trwania obiegu Stirlinga czynnik termodynamiczny bdcy gazem doskonaym podlega kolejno czterem przemianom, podczas ktrych nastpuje wymiana ciepa midzy ga-zem, a otoczeniem.

Rys. 5. Obieg teoretyczny silnika Stirlinga w funkcji: a) cinienia i objtoci, b) temperatury i entropii [2]

W czasie przemiany 1 2 odbywa si spranie izotermiczne przy tem-

peraturze Tk rwnej temperaturze dolnego rda ciepa. Przemiana 2 3 to izo-choryczne ogrzewanie gazu, a do uzyskania temperatury Th rwnej tem-peraturze grnego rda ciepa. Izotermiczne rozpranie w temperaturze Th w czasie przemiany 3 4 sprowadza gaz do objtoci pocztkowej V1, przy ktrej objtoci izochoryczne s rozprane 4 1 (nastpuje chodzenie) [6].

Ciepo doprowadzone Qr1 i ciepo odprowadzone Qr2 podczas przemian izochorycznych s sobie rwne. Dziki temu powstaje konstrukcyjna moliwo naprzemiennego doprowadzania i odprowadzania tej samej iloci ciepa od gazu bez angaowania zewntrznych rde ciepa. Elementem technicznym realizu-jcym to zadanie jest regenerator, ktry w czasie przemiany 4 1 odbiera ciepo od gazu i akumuluje w swoich elementach. Podczas przemiany 2 3, ta sama ilo ciepa zostaje przekazana powrotem do gazu.

Wymiana ciepa ze rdami zewntrznymi odbywa si tylko podczas izotermicznych przemian sprania i rozprania. W rezultacie sprawno ter-miczna t obiegu Stirlinga z doskona regeneracj wynosi [6]:

d

wt Q

Q= 1 (1)

a) b)

124 T. Janowski, M. Holuk

W rzeczywistoci skuteczno dziaania regeneratora nie jest doskonaa i pewna ilo ciepa Qr2 pobieranego przez regenerator jest tracona, dlatego ciepo oddane z powrotem do gazu wystarcza na realizacj jedynie czci przemiany izochorycznej 2 3. Aby gaz mg osign punkt 3 naley dostar-czy dodatkow ilo ciepa z grnego rda. Ta ilo ciepa z kolei zaley od sprawnoci regeneratora r, ktra rwna si [6]:

2

1

r

rr Q

Q= (2)

Praca obiegu Stirlinga zarwno z regeneracj jak i bez regeneracji nie

zaley od sprawnoci regeneratora r. Wynika jedynie z rnicy ciepa lt dopro-wadzanego i odprowadzanego podczas przemian izotermicznych

wdt QQl = (3)

Z kolei t i lt zale od stopnia sprania i wspczynnika temperatur ,

gdzie:

2

1

VV

= (4)

natomiast

h

k

TT

= (5)

Zwikszenie stopnia sprania , sprawnoci regeneracji r i temperatury

gorcego rda ciepa Th powoduje wzrost sprawnoci termicznej obiegu Stirlinga t. Wraz ze wzrostem stopnia sprania i temperatury gorcego rda ciepa Th ronie rwnie praca obiegu teoretycznego. Z przedstawionych danych wynika, e w celu uzyskania moliwie jak najwikszej sprawnoci teoretycznego obiegu Stirlinga naley zapewni jak najdoskonalsz regeneracj ciepa oraz jak najwysz temperatur gorcego rda ciepa Th. Stopie sprania w wikszym stopniu wpywa na wielko pracy obiegu i powinien by dobierany gwnie pod ktem wskanikw konstrukcyjnych i eksploata-cyjnych silnika [6].

Zastosowanie silnika Stirlinga w mikrokogeneracji domowej 125

Rys. 6. Rzeczywisty obieg indukowany silnika Stirlinga [2] Rzeczywisty obieg indukowany pracy silnika Stirlinga rni si od obiegu teo-

retycznego. Ma bardzo agodne przejcie z jednej przemieniany do drugiej (rys. 6).

4. OCENA SPRAWNOCI UKADW

Rozpoczcie analizy opacalnoci inwestycji naley rozpocz od okrelenia zapotrzebowania na moc ciepln i ciepo. Zapotrzebowanie na moc ciepln suy do doboru urzdze, a zapotrzebowanie na ciepo wykorzystywane jest w celu okrelenia zuycia paliwa w ukadzie [2]. Cakowite zapotrzebowanie na ciepo Q jest sum zapotrzebowania na ciepo grzejne Qg oraz ciepo potrzebne do przy-gotowania ciepej wody uytkowej QCWU.

gCWU QQQ += (1)

Sprawno ukadu moemy zapisa poniszym wzorem:

Qelgas

gCWU

gas

el

gas

gCWUelsystem Q

QQQQ

QQQQ

+=+

+=++

= (2)

Jest to stosunek produkowanej energii elektrycznej Qel, ciepa potrzeb-

nego do przygotowania ciepej wody uytkowej oraz Qg ciepo grzejne, przez ilo paliwa pierwotnego, wymaganego do poprawnego funkcjonowania urz-dzenia [3].

W celu waciwego doboru urzdze energetycznych naley okreli rednie i maksymalne zapotrzebowanie na moc ciepln w sezonie grzewczym.

126 T. Janowski, M. Holuk

5. PRZYKADY UKADW MIKRO-CHP Od kilku lat mona zaobserwowa wzrost zainteresowania tematyk zwi-

zan z odnawialnymi rdami energii, m.in. ukadami kogeneracyjnymi. Aktual-nie prowadzone s zaawansowane badania nad ukadami skojarzonej produkcji ciepa i energii elektrycznej.

W tabeli 1 zostay przedstawione systemy mikro-CHP: WhisperGen (firmy Whisper Tech), Ecogen (Baxi Group), Rehema oraz Disenco. Dwa pierwsze systemy s dostpne na rynku niemieckim, brytyjskim, holenderskim lub belgijskim. Aktualnie prowadzone s prace nad dwoma systemami (Rehema oraz Disenco), dlatego informacje tych ukadw s jeszcze niekompletne. TABELA 1 Przykady ukadw mikro-kogeneracyjnych z silnikiem Stirlinga

Moc elektryczna, kW 1,0 1,0 1,0 3,0

Moc cieplna, kW 7,5-14,0 3,5-24 24 12-18

Sprawno elektryczna, % 12 14 26,5 brak danych

Sprawno cakowita, % 90 91 90 90

Wymiary, m 0,48x0,64x0,56 0,95x0,45x0,43 0,91x0,49x0,47 brak danych

Masa, kg 150 110 brak danych brak danych

Poziom haasu, dB

Zastosowanie silnika Stirlinga w mikrokogeneracji domowej 127

6. PODSUMOWANIE

Wykorzystanie odnawialnych rde energii w kogeneracji jest istotnym zagadnieniem, zgodnym z aktualnymi tendencjami zrwnowaonego rozwoju w zakresie energetyki.

Oferowane komercyjnie instalacje mikrokogeneracyjne s zasilane gazem ziemnym. Wysoka sprawno (90%) mikrokogeneracji domowej zapewnia mniejsze zuycie zasobw gazu naturalnego czym wpisuje si w tendencje zrwnowaonego rozwoju. Podstawowych rdem energii odnawialnych w Polsce jest biomasa w postaci staej, biogazu i biopaliw. Wytwarzanie ciepa z biomasy jest stosowane w naszym klimacie od zarania dziejw, natomiast konwersja ciepa w energi elektryczn jest rozwinita w duych elektrowniach i elektro-ciepowniach.

W mikroelektrociepowniach domowych (CHPH) wykorzystujcych bio-mas do przetworzenia ciepa w energi mechaniczn najbardziej predyspo-nowany jest silnik z zewntrznym spalaniem typu Stirlinga poniewa:

jest cichy i moe by umieszczony w mieszkaniu, moe by zasilony dowolnym paliwem odnawialnym biogazem, biopali-

wami ciekymi, drewnem, som, brykietami jak rwnie nieodnawialnym gazem ziemnym, paliwo ropopochodne, wgiel, torf.

Powysze wnioski s wynikiem wstpnej analizy teoretycznej, natomiast

przydatno dostpnych w regionie lubelskim postaci biomasy do mikrokogene-racji wymagaj szczegowych bada eksperymentalnych. Takie badania zostan przeprowadzone w ramach pracy doktorskiej mgr in. Mariusza Holuk pt. Analiza moliwoci wykorzystania biomasy w kogeneracji energii elektrycznej i cieplnej w gospodarstwach rolnych. LITERATURA 1. Alhakeem S.A.M., Al.-Tai M.A.: IUtilisation of micro combined heat and Power system using

alternative fuels, UPEC 2007, IEEE Explore.

2. Gronowicz J.: Niekonwencjonalne rda energii, Wyd. Instytutu Technologii Eksploatacji PIB, Radom - Pozna, 2008.

3. Kuindersma M.: Dynamic Modeling for Control of a Kinematic Stirling Engine, University of Groningen, 2009.

4. Simader G.R., Krawinkler R., Trnka G. : Micro CHP systems: state of the art, Vienna, 2006.

5. Skorek J., Kalina J.: Gazowe ukady kogeneracyjne, WNT, Warszawa, 2005.

6. mudzki S.: Silniki Stirlinga, WNT, Warszawa, 1993.

128 T. Janowski, M. Holuk

7. Materiay promocyjne firmy Baxi Group., www.baxi.co.uk.

8. Materiay promocyjne firmy WhisperGen Ltd., www.whispergen.com.

Rkopis dostarczono dnia 19.10.2010 r.

THE MICROCOGENERATION SYSTEM ON STIRLING ENGINE

Tadeusz JANOWSKI, Mariusz HOLUK ABSTRACT In the article the issues connected with micro combined heat and power systems. The special attention was focused in micro-cogeneration systems on: Stirling engine. The premise of development were discussed of microchip in Poland in the following years.

Prof. dr hab. in. Tadeusz JANOWSKI ukoczy studia na Wydziale Elektrycznym Politechniki dzkiej w latach 1955 1960. W latach 1960 1967 pracowa w Instytucie Maszyn Elektrycznych Poli-techniki dzkiej. Od 1967 r. pracuje w Politechnice Lubelskiej. Od 1980 r. rwnie w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie. Stopie doktora i dok-tora habilitowanego uzyska w Politechnice dzkiej, tytu profesora w Politechnice Warszawskiej. Obszar dziaalnoci naukowej: Specjalne transformatory, ukady zasilania reaktorw plazmowych, elektryczne urz-dzenia nadprzewodnikowe.

Mgr in. Mariusz HOLUK ukoczy studia na Wydziale Elektro-

techniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej w latach 2002 2007. Od wrzenia 2007 roku jest doktorantem Politechniki Lubelskiej. W lutym 2008 r. roz-pocz prac w Pastwowej Wyszej Szkole Zawodowej w Chemie na stanowisku asystenta. Obszar dziaalnoci naukowej: mikrokogeneracja, odnawialne rda energii, automatyka budynkowa.