• Nie Znaleziono Wyników

biomasą, biopaliwami). Można tu również wykorzystać ciepło uzyskane z kolektorów

słonecznych, a nawet (w małych modelach,

zabawkach) ciepło ludzkiej dłoni.

page 50

Der Flachplatten-Stirlingmotor nach Kolin

Płaski silnik Stirlinga według Kolin’a

Silniki Stirlinga

Paliwa: dowolne.

Temperatura odzyskiwanego ciepła: 70-90°C

Sprawność: elektryczna 20-40%, cieplna 40-60%, całkowita 65-95%

paliwo

ciepło

energia elektryczna

page 52

Cykl cieplny Stirlinga

Animiertes Stirlingdiagramm vom BHKW-Infozentrum

page 54

Stan zaawansowania technologii

Obszary zastosowań

silniki modelowe i edukacyjne chłodziarki

sztuczne serce

proste silniki dla krajów rozwijających się pompy ciepła typu Vuilleumier

napęd generatorów górnictwo

lokomotywy

do 200 kW napęd okrętów i łodzi podwodnych

napęd ciężarówek i autobusów

od 15 kW do 15 kW od 5 kW od 250 kW do 250 kW

podróże kosmiczne do 5 kW

prototypy, instalacje pilotażowe

Poziom zaawansowania technologii

serie próbne

badania teoretyczne prace studyjne

produkcja seryjna badania praktyczne

X

Systemy kogeneracyjne z silnikami Stirlinga

Na obecnym etapie technologia jest ciągle rozwijana, dlatego jej

niezawodność jest bardzo

ograniczona. Na rynku dostępnych jest jedynie kilka (5 – 6 typów

urządzeń.

Moc [MWe] 0.003-0.1

Wskaźnik mocy elektrycznej do mocy cieplnej 0.2 - 0.6

Sprawność elektryczna [%] 10-28

Sprawność cieplna [%] 40-80

Sprawność całkowita [%] >90

WhispergenTMmicroCHP Sunmachine® Pellets 3kW/10.5kW

Flexgen G38 38kW

HRe®Boiler: 1kW free piston Stirling (microgen + Dutch consortium)

page 56

Systemy kogeneracyjne z układami ORC (Organic Rankine Cycle)

Systemy kogeneracyjne oparte na procesie ORC działają na tej samej zasadzie co klasyczne obiegi parowe.

Różnica polega na zastosowaniu innego czynnika roboczego, którym zamiast pary wodnej jest czynnik organiczny (węglowodory, czynniki chłodnicze lub olej silikonowy)

charakteryzujące się niższą temperaturą parowania.

Enefcogen HT scroll turbine and prototype

Enefcogen 30kW System ElectraTherm GreenMachine 50kW

Moc [MWe] 0.001- pow. 0.4

Wskaźnik mocy elektrycznej do mocy cieplnej 0.2 -0.4

Sprawność elektryczna [%] 6 - 20

Sprawność cieplna [%] 20-70

Sprawność całkowita [%] 75-85

Rodzaj paliwa Bez ograniczeń

Jako maszyny robocze mogą być używane turbiny osiowe lub odśrodkowe, silniki śrubowe

i tłokowe oraz

rozprężacze spiralne.

Klasyczny cykl Rankine’a

Cykl Rankine’a składa się z 4 procesów:

Proces 1-2: Czynnik roboczy

pompowany jest z niskiego do wysokiego ciśnienia przy małym nakładzie energii.

Proces 2-3: Czynnik pod wysokim ciśnieniem jest ogrzewany w kotle do stanu pary suchej nasyconej.

Proces 3-4: Para sucha nasycona jest rozprężana w turbinie generując energię elektryczną. Powoduje to obniżenie

temperatury i ciśnienia pary oraz częściowa kondensację.

Proces 4-1: Para mokra kierowana jest do skraplacza, gdzie jest schładzana pod stałym ciśnieniem i skroplona do stanu cieczy.

page 58

Równania

Q Strumień ciepła

m Strumien masy

W Moc mechaniczna

ηtherm Sprawność termodynamiczna

ηpumpturb Sprawność izentropowa sprężania (pompa) i rozprężania (turbina) h1,h2,h3,h4 Entalpia właściwa w punktach wskazanych na wykresie T-s

h4s Końcowa entalpia właściwa cieczy, jeżeli rozprężanie było izentropowe p1,p2 Ciśnienie przed i po procesie pompowania (sprężania)

Gdzie:

Cykl Organiczny Rankine’a - ORC

ORC realizuje klasyczny cykl Rankine’a przy wykorzystaniu zamiast wody organicznych czynników roboczych (czynniki chłodnicze, węglowodory, oleje termiczne itp…) przy niskim poziomie temperatury.

Zakres wydajności: 1 kW – 25 Mwel

Nie wymaga dużej pojemności do odparowania czynnika

page 60

ORC a konkurencja

Sprawność ogólna procesu

Teoretyczna sprawność (Carnota)

Główne zastosowania:

Odzysk ciepła odpadowego z innych procesów;

Wykorzystanie ciepła geotermalnego

Systemy CHP opalane biomasą

Wykorzystanie energii słonecznej w układach CHP

Niska sprawność systemu:

Niska temperatura zasilania → niska sprawność procesu

Temperatura ciepła usuwanego jest krytyczna dla sprawności procesu

page 62

Czynniki robocze

Zastosowania

różnych czynników roboczych – dane źródłowe

page 64

Usprawnienie procesu

Regeneracja ciepła:

Mniejsze straty egzergetyczne dzięki wyższej temperaturze w parowaczu

Mniejszy stopień rozprężania w turbinie – brak kondensacji

Para po turbinie wciąż przegrzana

Schładzanie pary 5→6 przy jednoczesnym wstępnym podgrzewaniu płynu przed parowaczem

Silnik tłokowy / Mikroturbina

Brak Paliwa

WYMIENNIK CIEPŁA

Paliwo SPALANIAKOMORA

GAZ

EMISJA GENE

RATOR

ORC

page 66

page 68

ZASTOSOWANIA

Energia odnawialna Zero-emisyjny generator energii

elektrycznej

Silniki stacjonarne

Wykorzystanie ciepła odpadowego do produkcji energii:

• na własne potrzeby,

• na eksport do sieci.

Gaz wysypiskowy

Wykorzystanie ciepła odpadowego z silników, lub

• Odzysk ciepła z pochodni.

Pochodnie petrochemia

Małe systemy do napowietrzania

• Większe systemy do zasilania sieci.

Procesy przemysłowe

Petrochemiczny

• Farmaceutyczny

• Wytwórczy (szklarski, cementowy. Ceramiczny,..)

Energia słoneczna

Małe systemy z zasobnikami ciepła

• Większe systemy do zasilania sieci.

TURBINY

Podniesienie sprawności elektrycznej poprzez

zastąpienie kotła odzysknicowego.

KOGENERACJA - CHP

Małe systemy (50-200 kW) dla biurowców, hoteli …

• Większe systemy dla centów handlowych, sportowych…

Kuchnie i piekarnie

Fast food – pracujące w trybie ciągłym

• Piekarnie i wytwórnie gotowych dań do podgrzania.

Zastosowania a media zasilające

page 70

Podstawowe schematy systemów ORC

Podstawowe schematy systemów ORC

page 72

ORC zasilane biomasą

Dane techniczne systemów TURBODEN

page 75

Przegląd dostępnych technologii - chłodziarki absorpcyjne

Sprężarka mechaniczna jest tu zastąpiona sprężaniem termo-chemicznym (układ absorber-warnik)

Zamiast energii elektrycznej chłodziarkę napędza ciepło

Możliwość wykorzystania ciepła odpadowego o niskiej temperaturze

Możliwość współpracy z siecią ciepłowniczą

Niewielka ilość części ruchomych:

niezawodność

Naturalne czynniki chłodnicze: woda, amoniak

Wydajność chłodnicza

COP = 0,5-0,8

Dwustopniowe COP = 1,1-1,2 (wyższa temperatura zasilania)

Chłodziarki sprężarkowe COP = 2,5-4,5

Chłodziarki małej mocy zasilane ciepłem – absorpcyjne

Bromolitowe (czynnik roboczy - woda)

Duży wybór urządzeń pow. 100 kW

Większość urządzeń jednostopniowych

Poniżej 30 kW dostępnych 4 – 5 urządzeń

Niestety Sonnenklima i Rotartica zakończyły produkcję

Moc nominalna 4,5 - 6000 kW Współczynnik wydajności

chłodniczej

0,70 - 0,8 Temperatura wody zasilającej 85 - 130°C Temperatura wody powrotnej > 70°C

Woda chłodząca 30 - 35°C

Woda lodowa zasilenie 6 - 7°C

Czynnik chłodniczy Woda

Czynnik roboczy Bromek Litu

Yazaki WFC-SC5

17.5 kW EAW 15kW

Sonnenklima Suninverse 10kW

Rotartica 4.5kW

Broad BCT 16kW

page 78

Chłodziarki małej mocy zasilane ciepłem – absorpcyjne

Amoniakalne (czynnik roboczy - amoniak).

Brak ryzyka krystalizacji

Wysokie ciśnienie pracy (8 - 15 bar)

Możliwe schłodzenie poniżej O °C przy wysokiej temperaturze zasilania

Rozpowszechnione duże systemy zasilane bezpośrednio gazem

Małe urządzenia w fazie prototypów

Pink /SolarNext 12kW

Robur 17kW

AoSol 8kW (prototype)

Moc nominalna 15 - 2500 kW

Współczynnik wydajności

chłodniczej 0.6 - 0.7

Woda chłodząca 30 - 35°C

Woda lodowa zasilenie -60 - 0°C Temperatura wody zasilającej 120 - 135°C

Czynnik chłodniczy Amoniak

Czynnik roboczy Woda

Chłodziarki małej mocy zasilane ciepłem – adsorpcyjne

Cykliczna praca

Brak ryzyka krystalizacji

4 produkty i 2 prototypy

obecne na rynku SorTech 8&15kW

Invensor 7&10kW

China 10kW

ECN 2.5kW (prototype) Moc nominalna 2 - 450 kW

Współczynnik wydajności chłodniczej

0.2 - 0.7 Temperatura czynnika gorącego 60 - 90°C

Woda chłodząca 30 - 35°C Woda lodowa zasilenie 6 - 7°C

Czynnik chłodniczy Woda

Adsorbent Silikażel

page 80

Nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacji

Koszty inwestycyjne

3 1

*

2

)

( P k P k

I = k +

Koszt k1 k2 k3 Moc P Koszt jedn. Zakres CHP - inwestycyjny 4361 -0,33 0 kWel EUR/ kWel 5 – 2000 kWel TDC - inwestycyjny 7435 -0,459 47,5 kWC EUR/ kWC 7,5 – 1600 kWC CHP - eksploatacja 5,88 -0,27 0 kWel Cent/ kWel 5 – 2000 kWel

Dla wyznaczenia jednostkowych kosztów inwestycyjny można posłużyć się równaniem:

gdzie:

page 82

Oszczędność energii pierwotnej

Oszczędność energii pierwotnej została zdefiniowana jako:

Gdzie: PES – oszczędność energii pierwotnej, PE – energia pierwotna, Indeksy: ref – system referencyjny, CHCP – skojarzona produkcja

ciepła, energii elektrycznej i chłodu, CHP – skojarzona produkcja energii elektrycznej i ciepła, CCP – skojarzona produkcja energii elektrycznej i chłodu.

Przyjęto następujące założenia: COP dla chłodziarki absorpcyjnej – 0,4 - 0,8, EER

= 3,5 dla chłodziarki sprężarkowej, sprawność elektryczna układu CHP – 0,1 - 0,4, sprawność całkowita układu CHP – 0,85, sprawność kotła gazowego – 0,92, straty na układzie odprowadzenia ciepła – 0,02, współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla energii elektrycznej z systemu - 3,0, dla gazu 1,1.

ref

Oszczędność energii pierwotnej - CHP

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

Oszczędnć energii pierwotnej

Sprawność elektryczna CHP

page 84

Oszczędność energii pierwotnej - CCP

-250%

Oszczędnć energii pierwotnej

Sprawność elektryczna CHP

COP = 0,4 COP = 0,5 COP = 0,6 COP = 0,7 COP = 0,8

Oszczędność energii pierwotnej - CHCP

-150%

-100%

-50%

0%

50%

100%

0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

Oszczędnć energii pierwotnej

Sprawność elektryczna CHP

COP = 0,4 COP = 0,5 COP = 0,6 COP = 0,7 COP = 0,8

page 86

Korzyści ekonomiczne

Potencjał oszczędności CHCP

page 88

Podsumowanie

Poważną barierą powszechnego stosowania systemów kogeneracji w budynkach w Polsce są skomplikowane procedury związane ze sprzedażą nadmiaru wyprodukowanej energii elektrycznej do sieci i uzyskaniem świadectw pochodzenia energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji.

Technologie trigeneracyjne małej skali są już dostępne na rynku. Jednak ze względu na niewielkie doświadczenia związane przede

wszystkim z integracja poszczególnych elementów systemów ich rozpowszechnianie jest ciągle

utrudnione.

Zastosowanie układów trigeneracyjnych w budynkach biurowych -studium przypadku.

Nowoczesne budynki biurowe wymagają utrzymania komfortu cieplnego w ich wnętrzach w okresie całego roku - konieczna klimatyzacja.

Wymagania zrównoważonego rozwoju to minimalizacja zużycia energii i wykorzystanie energii odnawialnych.

Konkurencja na rynku nieruchomości wymaga

minimalizacji łącznych kosztów wszystkich nośników energii

dostarczanych do tych budynków.

page 90

Symulacja komputerowa - podstawowe narzędzie przy projektowaniu nowoczesnych systemów zaopatrzenia w energię

Podejście tradycyjne - ograniczenie strat energii zimą i zysków latem przez

zastosowanie możliwie dobrej izolacji i energooszczędnych urządzeń. Obliczenia statyczne dla warunków ekstremalnych.

Podejście nowoczesne - całoroczna analiza energetyczna uwzględniająca dynamikę

budynku oraz zmienność temperatury zewnętrznej oraz zyski wewnętrzne.

Budynek Tulipan

Budynek składa się z 8 stref, w tym 6 stref o kontrolowanych parametrach wewnętrznych (temperatura i wilgotność).

Łączna powierzchnia - 10 059 m2

Kubatura - 46 000 m3

Zapotrzebowanie na :

ciepło - 1240 kW

chłód - 980 kW

energię elektryczną - 650 kW

page 92

System zaopatrzenia w energię

Tradycyjny:

Ciepło - sieć miejska lub kotłownia gazowa

Chłód - agregaty sprężarkowe

Energia el. - zakład energetyczny.

Proponowany:

Ciepło - odzysk z silnika gazowego 230 kW, kotłownia gazowa szczytowa, odzysk ciepła z wentylacji, wymiennik gruntowy dla

powietrza wentylacyjnego.

Chłód - chłodziarka absorbcyjna 140 kW + agregaty sprężarkowe szczytowe

Energia el. - generator elektryczny 150 kW + zakład energetyczny.

System zaopatrzenia w energię - schemat

Silnik gazowy

Kotły gazowe szczytowe

Chłodnia wentylatorowa

Chłodziarka

absorpcyjna Chłodziarki

sprężarkowe Zasobnik chłodu

Instalacja ogrzewcza

Instalacja chłodnicza Zasobnik

ciepła

Wymiennik i zasobnik

c.w.u.

Czerpnia

Wyrzutnia powietrza

Chłodnia

wentylatorowa Chłodnia wentylatorowa

Sieć gazowa Sieć elektro-energetyczna

Zimna woda Generator

energii elektrycznej

page 94

Symulacja programem ESPr

Powiązane dokumenty