Emisie pri prevádzke mikrokogeneračnej jednotky so stirlingovým motorom a s palivovými článkami
Použitie Stirlingovho motora a palivových článkov v mikrokogeneračných jednotkách zatiaľ nie je veľmi rozšírené, preto na pôde Žilinskej univerzity boli takéto zariadenia v dlhodobej skúšobnej prevádzke. Článok je zameraný na porovnanie produkovaných plynných emisií pri prevádzke daných mikrokogeneračných jednotiek v porovnaní s konvenčnými mikrokogeneračnými jednotkami a zdrojmi tepla a najmä na popularizáciu zariadení takýchto typov medzi širokou odbornou verejnosťou.
1. Úvod
Kogenerácia je združená výroba elektrickej energie a tepla v jednom technologickom zariadení. V dnešnej dobe si nachádzajú kogeneračné jednotky svoje uplatnenie aj v inštaláciách, kde je požadovaný nízky elektrický a tepelný výkon, napríklad v rodinných domoch alebo menších objektoch. V týchto oblastiach sa uplatňuje mikrokogenerácia – kogenerácia s maximálnym elektrickým výkonom do 50 kWe. Okrem tradičných motorov s vnútorným spaľovaním sa využívajú aj nové technológie pre kogeneračné jednotky ako napríklad palivový článok, Stirlingov motor, parný stroj, mikrospaľovacie turbíny a pod. Tieto jednotky sú schopné dosahovať elektrický výkon od 0,6 kWe a tepelný výkon od 1,0 kWt (napríklad v prípade použitia palivových článkov). Filozofia ich použitia je vo výrobe tepla pre pokrytie tepelných strát objektu a na ohrev teplej vody a ako bonus užívateľ získava elektrickú energiu. Vyrobená elektrická energia nie je primárne určená na predaj, ale spotrebováva sa priamo v mieste výroby, napr. v rodinnom dome, a preto elektrický a tepelný výkon mikrokogeneračnej jednotky musia čo najlepšie kopírovať spotreby objektu.
Hlavným dôvodom využívania kogeneračných zariadení je výrazná úspora primárneho paliva a z toho vyplývajúca aj nižšia produkcia plynných emisií pri prevádzke v porovnaní s oddelenou výrobou tepla a elektrickej energie. Každý zdroj tepla a elektrickej energie a teda aj mikrokogeneračné jednotky musia spĺňať emisné limity dané normou. Keďže sú v daných mikrokogeneračných jednotkách používané nové technológie, je zaujímavé porovnanie produkcie plynných emisií v porovnaní s konvenčnými kogeneračnými zariadeniami a bežnými zdrojmi tepla.
1.1 Mikrokogeneračná jednotka so Stirlingovým motorom typu α
V dnešnej dobe zažíva Stirlingov teplovzdušný motor znovuobjavenie a nachádza uplatnenie v kogenerácii založenej na kontinuálnom vonkajšom spaľovaní rôznych druhov palív, alebo vo výrobe elektrickej energie založenej na solárnom ohreve. Perspektívne použitie Stirlingovho motora v kogenerácii je najmä kvôli jeho výhodám, medzi ktoré patrí:
- vysoká účinnosť, ktorá je dosahovaná aj pri zníženom výkone,
- možnosť použitia viacerých druhov palív (použitie plynných, kvapalných a tuhých palív, palivá môžu byť aj nižšej kvality, možná je aj zámena rôznych druhov palív priamo počas chodu motora),
- nízke koncentrácie produkovaných plynných emisií vyplývajúce z kontinuálneho spaľovania,
- nízka hladina hluku a vibrácii (vyšší hluk a vibrácie sú dosahované len pri vypínaní motora).
Ideálny Stirlingov cyklus pozostáva zo štyroch termodynamických vratných dejov, z dvoch izochorických zmien (zmeny za konštantného objemu) a z dvoch izotermických zmien (zmeny za konštantnej teploty). Termická účinnosť Stirlingovho cyklu má pri daných teplotách rovnakú hodnotu ako termická účinnosť Carnotovho cyklu. Je závislá len od pracovných teplôt, maximálnej teploty (závisí od zdroja tepla a vlastností konštrukčných materiálov) a minimálnej teploty (závisí od účinnosti chladenia).
Uzavretý cyklus vykonáva pracovné médium (najčastejšie vzduch, dusík, alebo hélium), ktoré je pod stálym pretlakom, veľkosť pretlaku vplýva na výkon motora. Pracovný priestor Stirlingovho motora pozostáva z dvoch pracovných priestorov (kompresný a expanzný) a z troch výmenníkov tepla (ohrievač, regenerátor a chladič). Podľa usporiadania pracovných priestorov sú obecne rozoznávané tri základné druhy Stirlingovho motora (špecifickou skupinou sú Stirlingove motory s voľným piestom):
Typ α – má dva piesty v oddelených valcoch, ktoré sú v sérii spojené s ohrievačom, regenerátorom a chladičom. Jeho výhodou je jeho použitie ako viacvalcového motora, čím je možný aj jeho vysoký výkon. Hlavná výhoda tohto usporiadania je oddelenie kompresného a expanzného pracovného priestoru, možnosť usporiadania konštrukcie motora do V – čím je znížené tepelné ovplyvňovanie jednotlivých častí, zjednodušený ich ohrev a chladenie.
Typ β – má výtlačný piest a pracovný piest v spoločnom valci. Výtlačný piest preháňa pracovný plyn medzi ohrievačom a chladičom. Motor typu β je klasický Stirlingov motor.
Typ γ – je podobnej konštrukcie ako typ β, rozdiel je len v tom, že typ γ má samostatné valce. Motor s týmto usporiadaním dosahuje nižší špecifický výkon ako predchádzajúce typy, a to kvôli väčšiemu mŕtvemu priestoru. Používa sa najmä v prípade, keď výhoda oddelených valcov prevláda nad nižším dosahovaným výkonom motora.
a)
b)
Obr. 1: a) Mikrokogeneračná jednotka so Stirlingovým motorom (Celanergy, AB), b) rez mikrokogeneračnou jednotkou, 1 – expanzný piest, 2 – výmenník tepla pre ohrev pracovného plynu, 3 – regenerátor, 4 – chladič pracovného plynu, 5 – kompresný piest, 6 – kľukový hriadeľ
| Model motora | Cleanergy Stirling C9G |
| Konfigurácia motora | V2 Stirling, typ alfa |
| Elektrický výkon | 2 až 9 kWe, trojfázový |
| Tepelný výkon | 8 až 25 kWt |
| Celková účinnosť | 0,96 |
| Elektrická účinnosť | 0,25 |
| Pracovný plyn | Hélium |
| Maximálny pracovný tlak | 150 bar |
| Maximálna pracovná teplota | 740 °C |
| Pracovný objem | 160 cm3 |
| Zdvih piesta | 44 mm |
| Priemer piesta | 68 mm |
| Otáčky motora | 1509 ot.min−1 |
| Hlučnosť | ≤ 58 dB(A) |
Použitá mikrokogeneračná jednotka využíva dvojvalcový Stirlingov motor s usporiadaním valcov do V, ako pracovné médium používa hélium, ktoré je schopná kontinuálne podľa požiadaviek dopĺňať z externej tlakovej fľaše. Mikrokogeneračná jednotka je zobrazená na obrázku 1a) a rez jednotkou na obrázku 1b).
Zdrojom tepla je plynový horák umiestnený v špeciálnej valcovej spaľovacej komore. Ako palivo môže byť použitý zemný plyn, LPG alebo upravený bioplyn. Pri spaľovaní plynu je využívaná technológia FLOX – technológia bezplamennej oxidácie (oxidácia pri vysokých teplotách s veľkou recirkuláciou). Dosahovaný elektrický výkon je od 2 do 9 kWe (v závislosti na nastavenom tlaku pracovného média, maximálny pracovný tlak je 150 barov). Ako chladiace médium Stirlingovho motora je použitá zmes glykolu s vodou a cez doskový výmenník je teplo odovzdávané do vykurovacieho systému. Základné technické parametre mikrokogeneračnej jednotky sú zhrnuté v tab. 1. Mikrokogeneračná jednotka bola zapojená na výmenníkovú regulačnú stanicu (s možnosťou nastavenia rôznych odberov tepla a teplotných spádov) a elektrickú energiu odovzdávala do univerzitnej siete. Jednotka bola prevádzkovaná v režime sledovania potreby tepla ale aj v režime sledovania potreby elektrickej energie. Keďže mikrokogeneračná jednotka dosahuje pomerne vysoký elektrický a tepelný výkon pre inštaláciu v rodinnom dome, jej zapojenie bolo navrhnuté pre modelovú administratívnu budovu, kde je predpoklad vyššej spotreby energií a tým aj dlhšia doba využitia maxima jednotky. Potreby elektrickej a tepelnej energie pre daný objekt boli stanovené podľa odberových diagramov.
1.2 Mikrokogeneračná jednotka s palivovými článkami
Doposiaľ najčastejšie použitie palivových článkov bolo v telekomunikačnej, vojenskej a vesmírnej technike, prípadne ako jednotky záložných zdrojov s veľkými výkonmi. Použitie palivových článkov v mikrokogenerácii nie je zatiaľ rozšírené, väčšina výrobcov je zatiaľ len v štádiu vývoja a testovania týchto jednotiek. Komerčne dostupné sú takéto typy jednotiek najmä v Japonsku, USA a niektorých štátoch Európy (Nemecko, Švajčiarsko,...). Finančne nákladný vývoj týchto zariadení a cena použitých materiálov palivového článku má za následok vysokú obstarávaciu cenu a z toho vyplývajúce malé rozšírenie mikrokogeneračných jednotiek s palivovými článkami.
Testovaná mikrokogeneračná jednotka využíva palivový článok s technológiou SOFC (vysokoteplotný keramický palivový článok s pracovnou teplotou 830 °C), s elektrickým výkonom 1 kWe a tepelným výkonom palivového článku 1,8 až 3,3 kWt. Jednotka je doplnená o kondenzačný kotol s tepelným výkonom 7,0 až 20,0 kWt, ktorý pokrýva prípadnú zvýšenú potrebu tepla. Jednotka je schopná pracovať v režime palivového článku, kondenzačného kotla alebo v oboch režimoch súčasne. Nízky tepelný výkon palivového článku v spojení s akumulačným zásobníkom tepla mu umožňuje prakticky nepretržitú prevádzku. Ako palivo jednotka využíva zemný plyn, vodík zo zemného plynu získava parciálnou oxidáciou CH4. Mikrokogeneračná jednotka dodáva vyprodukovaný elektrický prúd do univerzitnej rozvodnej siete a tepelná energia sa marí v teplovzdušnej jednotke. Jednotka bola prevádzkovaná v režime sledovania potreby tepla, jej zapojenie bolo navrhnuté pre modelový rodinný dom. Potreby elektrickej a tepelnej energie pre daný objekt boli stanovené podľa odberových diagramov.
SOFC palivový článok je umiestnený v hornej časti mikrokogeneračnej jednotky (obr. 2), v spodnej časti je umiestnený kondenzačný kotol, systém prívodu a odsírenia plynu, nasávania a filtrácie vzduchu, odvodu kondenzátu a vody vzniknutej počas elektro-chemickej reakcie, obehové čerpadlo, elektronický riadiaci systém a menič jednosmerného prúdu na striedavý (obr. 3). Po dokončení montáže je jednotka uzavretá utesnenými izolovanými krytmi, na vrchnej časti sa nachádza ovládací panel (obr. 4). Vo vnútornom prostredí jednotky je vytvorený podtlak voči okolitej atmosfére. Potreba utesnenia vnútorného prostredia jednotky a vytvorenia podtlaku je z dôvodu bezpečnosti, pretože zemný plyn je zbavený odorantov a prípadný únik by mohol spôsobiť ohrozenie obsluhy a možný výbuch. Vonkajší dizajn mikrokogeneračnej jednotky je vkusne riešený, vhodný pre inštaláciu v domácnosti, rozmermi je jednotka podobná domácej chladničke, hlučnosťou pri prevádzke je dokonca ešte tichšia.
Obr. 2 Vysokoteplotný keramický palivový článok SOFC
Obr. 3 Pohľad dovnútra mikrokogeneračnej jednotky
Obr. 4 Mikrokogeneračná jednotka s palivovým článkom na zemný plyn
2. Meranie emisií pri prevádzke
Meranie plynných emisií bolo vykonávané analyzátorom spalín Madur Photon, ktorý pracuje na princípe NDIR senzorov, umožňuje meranie koncentrácií plynov CO, CO2, CH4, NOx a SOx. Pred samotnou analýzou boli vzorky spalín vysušené a boli z nich odstránené prípadné pevné častice.
2.1 Meranie emisií mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom
Merania prebiehali kontinuálne a pokrývali výkonový rozsah 5 až 70 % nominálneho výkonu mikrokogeneračnej jednotky. Zmena elektrického výkonu je realizovaná zmenou tlaku pracovného plynu a na dosahovaný výkon má vplyv aj teplotný spád, pri ktorom jednotka pracuje. Príklad nameraných a vypočítaných hodnôt emisií a výkonových parametrov mikrokogeneračnej jednotky je ukázaný v tab. 2.
| Poradové číslo merania | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pracovný tlak [MPa] | 6,0 | 6,1 | 9,0 | 9,1 | 9,2 | 11,8 | 12,0 | 12,1 |
| Elektrický výkon [kW] | 3,2 | 3,2 | 3,4 | 4,5 | 5,0 | 4,4 | 7,3 | 6,8 |
| Tepelný výkon [kW] | 7,2 | 7,4 | 14,6 | 11,1 | 11,6 | 19,0 | 15,1 | 15,4 |
| Výkon dodaný v zemnom plyne [kW] | 12,9 | 13,5 | 21,0 | 20,9 | 19,8 | 28,0 | 28,8 | 30,5 |
| Teplotný spád [°C] | 66/62 | 64/60 | 57/49 | 68/62 | 68/61 | 62/50 | 62/54 | 68/60 |
| Elektrická účinnosť [–] | 0,248 | 0,237 | 0,162 | 0,215 | 0,253 | 0,157 | 0,253 | 0,223 |
| Tepelná účinnosť [–] | 0,558 | 0,548 | 0,695 | 0,531 | 0,586 | 0,679 | 0,524 | 0,505 |
| Celková účinnosť [–] | 0,806 | 0,785 | 0,857 | 0,746 | 0,838 | 0,836 | 0,778 | 0,728 |
| O2 [%] | 7,2 | 6,9 | 7,3 | 7 | 7,2 | 7,1 | 8 | 7,3 |
| NO [ppm] | 60 | 68 | 20 | 22 | 17 | 16 | 12 | 13 |
| NO2 [ppm] | 15 | 7 | 5 | 3 | 6 | 3 | 2 | 4 |
| NOx [ppm] | 75 | 75 | 25 | 25 | 23 | 19 | 14 | 17 |
| CxHy [ppm] | 2 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| CO [ppm] | 131 | 110 | 147 | 136 | 136 | 188 | 112 | 156 |
| CO2 [%] | 8,1 | 8,1 | 7,7 | 8 | 8 | 7,8 | 7,5 | 8 |
| Teplota spalín [°C] | 194 | 213 | 238 | 242 | 223 | 265 | 239 | 249 |
Obr. 5 Emisie pri prevádzke mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom
Obr. 6 Porovnanie emisií pri prevádzke rôznych druhov mikrokogeneračných jednotiek
Obr. 7 Emisie pri prevádzke mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami – režim palivového článku
Obr. 8 Emisie pri prevádzke mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami – kombinovaný režim
Graf na obr. 5 ukazuje hodnoty emisií NOx, CO a nespálených podielov CxHy, elektrickú, tepelnú a celkovú účinnosť mikrokogeneračnej jednotky ako funkciu zaťaženia generátora. Priebeh účinností má v podstate priamkový charakter s miernym nárastom so zvyšujúcim sa výkonom na svorkách generátora. Kontinuálna bezplamenná oxidácia zemného plynu v špeciálnej valcovej spaľovacej komore sa prejavuje minimálnym množstvom nespálených podielov CxHy. Koncentrácia NOx je vyššia pri nízkom zaťažení, ale stále v hraniciach stanovených normou. Prepočítaním koncentrácie škodlivín v spalinách na hmotnostné koncentrácie v normovanom metri kubickom suchých spalín môžeme mikro-kogeneračnú jednotku so Stirlingovým motorom porovnať s konvenčnými mikrokogeneračnými jednotkami (s motorom s vnútorným spaľovaním a neriadeným katalyzátorom a s motorom s vnútorným spaľovaním a riadeným katalyzátorom). Merania emisií konvenčných mikrokogeneračných jednotiek so spaľovacími motormi boli vykonané pri riešení inej výskumnej úlohy. Obr. 6 poukazuje na čisté spaľovanie s nízkou produkciou škodlivín, ktoré je dôsledkom kontinuálneho horenia.
2.2 Meranie emisií mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami
Merania prebiehali kontinuálne a pokrývali celý výkonový rozsah mikrokogeneračnej jednotky. Merania prebiehali pri režime palivového článku a pri kombinovanom režime (režim kondenzačného kotla a palivového článku).
Graf na obr. 7 ukazuje príklad nameraných hodnôt emisií NOx , SOx, CO a nespálených podielov CxHy v režime palivového článku. Priebeh hodnôt má konštantný charakter len s miernymi výchylkami. V spalinách neboli zaznamenané hodnoty SOx a nespálených podielov. Nulové hodnoty koncentrácie SOx sú v dôsledku použitia odsírovacieho filtra na vstupe zemného plynu do palivového článku. Nulové hodnoty koncentrácie nespálených podielov CxHy sú v dôsledku zóny dohárania za palivovým článkom, kde zreaguje nevyužitý metán CH4 a väčšina CO z reakcie parciálnej oxidácie na CO2 a vodu.
Graf na obr. 8 ukazuje priebeh hodnôt emisií pri prechode z režimu palivového článku do kombinovaného režimu (palivový článok spolu s kondenzačným kotlom) a následnú prevádzku v kombinovanom režime. Prepínanie sa prejavuje kolísaním inak konštantných hodnôt v dôsledku zmeny pracovnej a komínovej teploty, miernym nárastom za bežných podmienok nulových nespálených podielov CxHy a nárastom koncentrácie SOx. Nárast SOx je spôsobený tým, že zemný plyn pre kondenzačný kotol neprechádza odsírovacím filtrom a výsledné malé hodnoty sírnych zlúčenín sú spôsobené prítomnosťou odorantu v zemnom plyne. Hodnoty koncentrácie CO a NOx v spalinách v kombinovanom režime sú vyššie ako v režime palivového článku, ale stále sú v medziach stanovených platnou normou.
3. Záver
Merania emisií pri prevádzke netradičných a málo rozšírených mikrokogeneračných jednotiek so Stirlingovým motorom a s palivovými článkami poukázali na ich ekologickú prevádzku. Prevádzka mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom je niekoľkonásobne ekologickejšia ako prevádzka mikrokogeneračných jednotiek s klasickými motormi s vnútorným spaľovaním. Prevádzka mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami v režime palivového článku po prepočítaní objemovej koncentrácie CO dosahovala priemernú hodnotu 0,0095 %, čo spĺňa platnú normu (dovolená hranica koncentrácie CO v suchých spalinách daná normou je 0,10 %). Hmotnostná koncentrácia NOx dosahovala priemernú hodnotu 87,77 mg.kWh−1, čo zodpovedá podľa normy triede 4 s dovolenou hranicou 100 mg.kWh−1. Prevádzka mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami v kombinovanom režime po prepočítaní objemovej koncentrácie CO dosahovala priemernú hodnotu 0,0056 %, čo spĺňa požiadavku platnej normy (dovolená hranica koncentrácie CO v suchých spalinách daná normou je 0,10 %). Hmotnostná koncentrácia NOx dosahovala po ustabilizovaní priemernú hodnotu 149,89 mg.kWh−1, čo zodpovedá podľa normy triede 3 s dovolenou hranicou 150 mg.kWh−1.
Poďakovanie
Úloha je realizovaná v rámci riešenia projektu VEGA 1/0864/16 „Analýza a optimalizácia vstupujúcich faktorov do procesu spaľovania dendromasy v malých zdrojoch tepla“.
Literatúra
- DVORSKÝ, E. – HEJTMÁNKOVÁ, P.: Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie. Technical literature BEN., Praha 2005.
- HOLUBČÍK, M., JANDAČKA, J., PAPUČÍK, Š., PILÁT, P.: Performance and emission parameters change of small heat source depending on the moisture. Manufacturing technology: journal for science, research and production. – ISSN 1213-2489. – Vol. 15, no. 5 (2015), s. 826–829.
- KOLKOVÁ, Z., HRABOVSKÝ, P., MOKRÝ, M., HOLOBČÍK, M.: Ingelligent building and experience with control of energy systems. SGEM 2017: 17th international multidisciplinary scientific conference: conference proceedings vol. 17: energy and clean technologies: 29 June – 5 July, 2017 Albena, Bulgaria. Iss. 42: Renewable energy sources and clean technologies. – ISSN 1314-2704. – Sofia: STEF92 Technology, 2017. – ISBN 978-619-7408-07-2. – S. 377–382.
- KUČÁK, Ľ. – URBAN, F.: Kogenerácia na báze palivového článku. Vykurovanie 2007. Zborník prednášok z 15. medzinárodnej konferencie. – Tatranské Matliare, 26. 2. – 2. 3. 2007. – Bratislava: Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia ZSVTS, 2007. – ISBN 978-80-89216-13-0. – s. 134–137.
- PEHNT, M., CAMES, M., FISCHER, C., PRAETORIUS, B., SCHNEIDER, L., SCHUMACHER, K., VOß, J. P.: Micro Cogeneration, Towards Decentralized Energy Systems, Springer, Berlin, 2006.
- Technická dokumentácia mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom, Cleanergy, AB.
- Technická dokumentácia mikrokogeneračnej jednotky s palivovým článkom Hexis Galileo, Hexis, a.g.
The use of the Stirling engine and fuel cells in micro-cogeneration units is not yet very extensive, so the facilities of the University of Žilina have been in a long-term test run. This article aims to compare the gaseous emissions produced in the operation of the given micro-cogeneration units compared to conventional micro-CHP units and heat sources and, in particular, to popularize the equipment of such types among the broad professional public.
