Agregaty kogeneracyjne z silnikami spalinowymi

Agregat to zwarty zespół komponentów systemu kogeneracji wraz z niezbędnymi akcesoriami. Przykładem takiego rozwiązania są jednostki z silnikami tłokowymi spalinowymi, głównie gazowymi, czeskiej firmy Tedom (fot. 1). Agregaty te składają się z dwóch części: dolnej, w której umieszczone są wymienniki do odzysku ciepła ze spalin oraz tłumik rury wydechowej, i górnej, gdzie zamontowano silnik z generatorem (synchronicznym lub asynchronicznym).

Ten ostatni to moduł zamocowany na ramie za pomocą elastycznych elementów izolacyjnych, ograniczających przenoszenie drgań tego zespołu na fundament agregatu. W niektórych modelach agregatów produkcji Tedom na ramie nośnej jednostki kogenerecyjnej montowany jest układ sterowniczo-siłowy. Dostępne są także agregaty, w których układ ten jest wolno stojący. Użyteczne ciepło jest odzyskiwane za pośrednictwem wymienników ciepła na kilka sposobów, w tym z płaszcza wodnego silnika (układ chłodzenia silnika), oleju smarnego silnika, chłodzenia mieszanki paliwowo-powietrznej (te trzy źródła stanowią obieg pierwotny) oraz ze spalin wylotowych.

Rys. 6. Ogniwo paliwowe

Całe odzyskane ciepło odpadowe gromadzone jest w wymienniku obiegu wtórnego, a następnie jest odprowadzane w postaci wody grzewczej o wysokiej temperaturze (70-90°C). Z wymiennikami ciepła obiegu pierwotnego silnik jest połączony rurociągiem z kompensatorami, całość zaś pokryto izolacją termiczną. Dodatkowo agregaty są wyposażone w układy automatycznego uzupełnienia oleju, zbiornik pojemnościowy, układy katalizatorów oraz kontrolę spalania.

Montowane są też zabezpieczenia układu paliwowego, w tym filtr gazu, układ zaworów elektromagnetycznych szybkozamykających, które odcinają przepływ gazu w razie wyłączenia agregatu, zerowy regulator ciśnienia gazu oraz przewód elastyczny do podłączenia z mieszaczem. Agregaty Tedom mają też system automatycznej synchronizacji z siecią wraz ze stopniowym modulowaniem obciążenia. Zastosowano w nich także osłonę tłumiącą hałas połączoną z ramą agregatu, dzięki czemu natężenie dźwięków emitowanych przez agregat nie przekracza 80dB. Opisywane jednostki kogeneracyjne dostępne są ofercie firmy Nor-Blin z Zabrza, autoryzowanego dystrybutora produktów Tedom w Polsce.

Nowe technologie: ogniwa paliwowe, silniki stirlinga i mikroturbiny

Coraz częściej w systemach kogeneracji, zwłaszcza małej i średniej skali, wykorzystuje się ogniwa paliwowe (rys. 6). Są to urządzenia elektrochemiczne, w których zachodzi przemiana energii chemicznej paliwa w energię elektryczną oraz wodę i ciepło. Technologia ogniw paliwowych jest ciągle rozwijana i pod względem wykorzystania w kogeneracji jest uważana za bardzo obiecującą, zarówno w przemyśle, jak i np. w zasilaniu w energię cieplną i elektryczną budynków.

Do najważniejszych zalet tych urządzeń należy cicha praca, wysoka sprawność energetyczna, stała nawet w szerokim zakresie zmian obciążenia, modułowa konstrukcja, zwiększająca niezawodność oraz ułatwiająca konstrukcję agregatów kogeneracyjnych, a także zmniejszona emisja zanieczyszczeń. Do największych wad należy jednak ciągle wysoki koszt, zarówno w postaci nakładów inwestycyjnych, jak i późniejszej konserwacji systemu oraz stosunkowo krótki czas użytkowania.

Rys. 7. Układ kogeneracji z silnikiem Stirlinga

Innymi urządzeniami cieszącymi się dużą popularnością w systemach kogeneracji są silniki Stirlinga (rys. 7). Są one zasilane energią cieplną dostarczaną do silnika z zewnętrznego źródła za pośrednictwem elementu grzejnego lub wymiennika ciepła. Ciepło sprawia, że gaz roboczy - np. hel - rozpręża się i porusza tłoki wewnątrz cylindra. Dzięki temu, że proces spalania przebiega w sposób ciągły poza silnikiem, można wykorzystać różne paliwa, zarówno ropę naftową i gaz, jak też energię czerpaną ze źródeł odnawialnych - np. słoneczną, a także biomasę.

Silniki Stirlinga nie są technologią nową, jednak dotychczas pozostawały w cieniu dominujących silników spalinowych z wewnętrznym spalaniem. Z czasem jednak na nowo odkryto ich zalety w porównaniu z silnikami konwencjonalnymi, w tym m.in. brak zaworów, wtryskiwaczy paliwa, systemów zapłonu iskrowego oraz komory wewnętrznego spalania, itp., dzięki czemu konserwacja tego typu silników jest łatwiejsza.

Ponadto silniki Stirlinga pracują ciszej niż inne, co pozwala zrezygnować ze specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych ograniczających generowany hałas - np. dźwiękoizolacyjnych obudów. Zaletą jest też ich wysoka sprawność. Dodatkowo dzięki zewnętrznemu spalaniu istnieje możliwość kontroli wyjścia elektrycznego silnika poprzez redukcję temperatury. Można w ten sposób regulować produkcję energii elektrycznej, niezależnie od zapotrzebowania na energię cieplną.

Rys. 8. Mikroturbina

Ostatnią z nowoczesnych technologii coraz częściej wykorzystywaną w systemach kogeneracji małej skali są mikroturbiny, czyli niewielkie turbiny gazowe, które rozwinięto w toku prac nad małymi stacjonarnymi oraz samochodowymi turbinami gazowymi, pomocniczymi układami zasilania i turbosprężarkami. Do najważniejszych komponentów mikroturbiny (rys. 8) należą: sprężarka, komora spalania, turbina, prądnica oraz wymiennik ciepła, tzw. rekuperator.

Wykorzystując ciepło odzyskane na wyjściu turbiny wstępnie ogrzewa on sprężone powietrze, doprowadzane następnie wraz z paliwem do komory spalania. Stąd gorące gazy spalinowe przepływają do turbiny, gdzie rozprężają się, napędzając sprężarkę oraz prądnicę. Mikroturbiny charakteryzuje głównie kompaktowa konstrukcja oraz niewielkie wymagania pod względem konserwacji, chociaż jednocześnie - np. w porównaniu do silników tłokowych - mają one mniejszą sprawność elektryczną. W tabeli 1 przedstawiono porównanie parametrów wszystkich wymienionych w tekście technologii kogeneracyjnych.

Zastosowania kogeneracji

Przed wdrożeniem systemu kogeneracji należy przeanalizować, czy mimo że rozwiązanie to zapewnia duże oszczędności pod względem wydatków na paliwo, w danych okolicznościach rzeczywiście opłaca się taka inwestycja. W praktyce koszty zwrócą się jedynie wtedy, gdy można w pełni wykorzystać wszystkie produkty systemu kogeneracji, a więc zarówno energię cieplną, jak i elektryczną. Najbardziej oczywistym przykładem całkowitego zagospodarowania produktów systemu CHP jest ich wykorzystanie do ogrzewania i zasilania budynków, np. hoteli, szpitali, itp.

Jednoczesnego zagwarantowania energii elektrycznej i termicznej wymaga też wiele procesów przemysłowych. W zależności od temperatury aplikacje te można podzielić na: procesy w temperaturach poniżej 100°C - np. suszenie produktów spożywczych, podgrzewanie wody, procesy w temperaturach do 100 do 300°C - np. w przemyśle papierniczym, cukierniczym, chemicznym, gdzie wymagane jest ciepło przekazywane przez parę wodną, oraz procesy realizowane w temperaturach powyżej 700°C - np. w fabrykach cementu, w przemyśle metalowym, szklanym, itp.

W przypadku wielu procesów dopływ energii elektrycznej jest warunkiem krytycznym dla ich realizacji, w związku z czym poza zasilaniem z publicznej sieci energetycznej wykorzystuje się zasilanie pomocnicze z systemu kogeneracji (patrz ramka). Spośród wymienionych przykładów wydzielić można też odrębną grupę aplikacji, w których energię cieplną, bądź jej część, zużywa się w procesie chłodzenia np. w przemyśle spożywczym lub w klimatyzacji.

Produkcję skojarzonego ciepła, energii elektrycznej oraz chłodu, np. pod postacią schłodzonej wody, realizują tzw. systemy trigeneracji, które w praktyce stanowią połączenie systemu kogeneracji z chłodziarką np. absorpcyjną. W drugiej części artykułu, która opublikowana zostanie za miesiąc, przedstawimy przykłady urządzeń wykorzystywanych w instalacjach trigeneracyjnych do pozyskiwania chłodu.

Monika Jaworowska