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
ηpump,ηturb 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
Oszczędność energii pierwotnej
Sprawność elektryczna CHP
page 84
Oszczędność energii pierwotnej - CCP
-250%
Oszczędność 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
Oszczędność 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