Navigace

Univerzální překladač

Překlad (translations)

Czech English French German Italian Polish Russian Spanish

QR kód

Kontaktní informace o CNE.

kontaktní informace pro Vaše mobilní zařízení

klikněte na obrázek pro zvětšení

Zakládající člen ČFA

Jsme členem České fotovoltaické asociace, o. s.

Člen AVTČ

Jsme členem Asociace pro využití tepelných čerpadel

Aktuální počasí

Počasí dnes:

23. 9. 2017

zatazenosde

Bude oblačno až zataženo, od SV místy přeháňky nebo déšť. Denní teploty 13 až 17°C. Noční teploty 9 až 5°C.

Vyhledávání

rozšířené vyhledávání ...

Datum a čas

Dnes je sobota, 23. 9. 2017, 13:00:08
Odeslat stránku e-mailem

Obsah

Kogenerace se Stirlingovým motorem CNE

Úvod do mikrokogenerace, kogenerace

Co je kogenerace a mikrokogenerace ?

Kogenerace je současná výroba energie a tepla. Tato definice není úplně přesná, protože všechna zařízení, která vyrábějí elektřinu, vyrábějí současně také teplo. Například auto vyrábí energii (pohybovou) a teplo, ale nemůžeme je považovat za kogenerační jednotkou, protože převážná část vzniklého tepla nemá praktického využití. Pojem kogenerace lze použít tam, kde je energie a teplo současně plně využito.  

mikrokogenerační jednotka

Zařízení funguje a vypadá velmi podobně jako normální plynový kotel, který se běžně používá v domácnostech. Kromě toho je však zařízení schopno vyrábět elektrickou energii. Přínosem mikrokogeneračních jednotek je zejména snížení nákladů na vytápění a nákladů spojených se spotřebou elektrické energie. 

Použití mikrokogenerační jednotky (MKJ), je jednou z nejlepších možností, jak zefektivnit využití konvenčních energetických zdrojů a zároveň snížit vliv na životní prostředí. Palivem kogenerační jednotky může být: zemní plyn, bioplyn, biomasu,..

Dnešní energetické potřeby domácností jsou především teplo a elektrická energie. Potřeba elektrické energie pro obytné objekty je v součastnosti zajištěna především pomocí distributorů (ČEZ, E.ON), na rozdíl od energie tepelné, kterou je možné zajistit i přímo, použitím klasického kotle ať už na zemní plyn či tuhá paliva.

Mikrokogenerace přispívá ke zlepšení stability elektrizační soustavy např. pokud by došlo k výpadku velké výrobny elektrické energie. Mikrokogenerace představuje velký ekonomický potenciál, jak pro dodavatele, výrobce, tak i pro celou společnost. 

Princip funkce mikrokogenerační jednotky

Elektrická energie vzniká ve všech elektrárnách roztočením elektrického generátoru pomocí turbíny. Teplo nutné k výrobě páry, která turbínu pohání, se většinou získává spalováním uhlí nebo štěpením jader uranu. Velká část tepla však není využita a je bez užitku vypouštěna do ovzduší. Účinnost výroby v tepelných elektrárnách se pohybuje kolem 30%, nejmodernější paroplynové elektrárny pak mají účinnost kolem 50%, ovšem k dalším ztrátám ve výši asi 11% dochází při transformaci a dálkovém přenosu elektrické energie.

koncepční uspořádání mikrokogenerace

V kogenerační jednotce vzniká elektrická energie stejným způsobem jako v jiných elektrárnách - roztočením elektrického generátoru, a to pomocí pístového spalovacího motoru. Motory v kogeneračních jednotkách jsou standardně konstruovány na zemní plyn, mohou však spalovat i jiná kapalná či plynná paliva.
Teplo, které se ve spalovacím motoru uvolňuje, je prostřednictvím chlazení motoru, oleje a spalin efektivně využíváno a díky tomu se 
účinnost kogeneračních jednotek pohybuje v rozmezí 90 - 97 %.nejlepších mikrokogeneračních jednotek se dosahuje celkové účinnosti až 107% při využití kondenzačního efektu.

 

princip funkce mikrokogenerační jednotky


 

Mikrokogenerační jednotky dnes využívají několik základních technologií spalovacích motorů: 

  • Parní stroj - Je to nejstarší stroj s tepelným motorem využívaný pro výrobu elektrické energie. Přesto že je to naplno zvládnutá technologie, dochází k jeho vývoji i dnes. Obsahují motory s vnějším spalováním paliva. Palivem pro tyto stroje může být jakékoliv např. zemní plyn, biomasa, vodík. Spaliny jsou dochlazeny v kondenzačním výměníku z důvodů vyšší celkové účinnosti. 

     

  • Spalovací motory

    • Zážehový motor (Ottův) - Zážehové motory pracují na stejném principu jako automobilové motory. Jejich elektrická účinnost je větší než u plynové turbíny, ale vyrobené teplo je problém využít – je rozděleno mezi spaliny a chladivo motoru a má obecně nižší teplotu. Pro tyto motory s vnitřním spalováním se používají upravená paliva nebo ropné destiláty. Prakticky je nemožné nalézt složení směsi, které by mělo vysoký výkon a při jejím spálení by vznikalo nejméně škodlivin. Proto je nutný u těchto motorů katalyzátor, který usnadňuje chemické reakce látek v nich obsažených a tím snižuje množství škodlivin ve výfukových plynech. 

       

       

    • Vznětový motor (Dieselův) - Na rozdíl od zážehových motorů, kde k  zapálení dochází pomocí jiskry se vznětových motorů směs zapálí sama po dosažení zápalné hodnoty paliva. Tento motor má vyšší termickou účinnost a vetší rozměry oproti zážehovým motorům.

       

       

    • Stirlingův motor - Další „novou“ a hojně používanou technologií v různých projektech mikrokogenerační výroby je Stirlingův motor. Koncept byl vyvinut už v roce 1816, dříve než byl Ottův zážehový motor použit v automobilech. Do této technologie se vkládají velké naděje. Jedná se o pístový motor s vnějším spalováním, v něm se uvolněná tepelná energie předává pracovní látce. Motor mění teplotní rozdíl v celém stroji na mechanickou energii. Pracuje na principu opakovaného ochlazování a ohřívání objemu plynu. Tímto plynem bývá nejčastěji vzduch, vodík nebo hélium.

       

Princip fungování Stirlingova motoru

 

funkce stirlingova motoru

 Animace funkce Stirlingova motoru

Pracovní a vytlačující píst jsou spojeny klikovým převodem, který vytváří zpožděni o 1/4 otáčky. Vzduch ve vytlačujícím pístu je ohříván a rozpíná se. Tím se pohání pracovní píst, který roztáčí setrvačník. V okamžiku kdy se vzduch ohřeje a rozepne, stroj se přestaví do polohy, kdy vytlačující píst přežene vzduch od ohřívané části válce k chlazené části. Tím se začne vzduch smršťovat a vzniklý podtlak vtáhne pracovní píst dovnitř, přičemž se vytlačující píst přesune a celý proces se zase opakuje. Vytlačující píst je konstruován tak, aby netěsnil, ale pouze vyháněl vzduch z prostoru do kterého se přesunuje.

 

použití stirlingova motoru v mikrokogeneračních jednotkách

 Aplikace Stirlingova motoru v mikrokogenerační jednotce

 

Budoucnost mikrokogeneračních jednotek - palivové články

Palivový článek je elektrochemické zařízení, které přeměňuje chemickou energii v palivu během oxidačně-redukční reakce přímo v elektrickou energii.

řez palivovým článkem

řez palivovým článkem


Jedná se o galvanický článek, k jehož elektrodám jsou přiváděny jednak palivo (k anodě) jednak okysličovadlo (ke katodě). Princip výroby elektřiny v palivovém článku spočívá tedy v dodávání paliva k anodě (do anodového prostoru) a okysličovadla ke katodě (do katodového prostoru). Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se nachází elektrolyt. Na katodě se oxidační činidlo (většinou kyslík) redukuje na anionty (O2-), a ty pak reagují s H+ ionty na vodu. Palivové články mohou operovat nepřetržitě, pokud se nepřeruší přívod paliva a okysličovadla k elektrodám.

ukázka palivového článku

palivový článek


V dnešní době již je technologie konstrukce palivových článků na takové úrovni, aby bylo možné její plné komerční nasazení. První "vlaštovky" se již na trhu pár let objevují. Japonsko je technologicky hodně vyspělou zemí a nepřekvapí nás proto, že mikrokogenerační jednotky využívající princip palivového článku již nejakou dobu využívají. Tyto jednotky mají nesporné výhody oproti jednotkám se spalovacími motory. Vyznačují se naprosto tichým provozem díky absenci pohyblivých částí, možností konstrukce jednotek o širším rozmezí výkonů, možností použití různých plynných paliv a vysokou účinnností. Zatím ovšem mají také určité nevýhody a to zejména ekonomické. Vysoké investiční náklady zatím brání běžnému komerčnímu využití.


Palivové články s pevným elektrolytem (SOFC)

Vysokoteplotní palivové články s pevným elektrolytem se vyznačují provozní teplotou běžně přesahující 800°C. Protože zde není kapalný elektrolyt, odpadají problémy s korozí doprovodného materiálu a s elektrolytovým hospodářstvím. Pevný charakter všech komponent článku SOFC v principu znamená, že nejsou kladena žádná omezení na jeho uspořádání a lze jej proto koncipovat v různých geometrických tvarech.

deskový palivový článek

Deskové uspořádání SOFC - Hexis


Provozní teplota těchto palivových článků je v rozmezí 650 ÷ 1000 °C. Palivem běžně používaným palivovými články je vodík (H2) nebo zemní plyn a jako okysličovadlo je použit kyslík (O2) ze vzduchu. V USA se věnuje vývoji palivových článků např. společnost AlliedSignal SOFCo, Technology Management Inc., následně sedm dalších firem v Evropě (Hexis Ltd. obr. 3.19), Japonsku (Fuji Electric) a v Austrálii.

schéma kogenerační jednotky s palivovým článkem

Kogenerace s palivovým článkem na zemní plyn

Palivové články se spojují do palivových bloků tak, aby se dosáhlo požadovaného výkonu odcházejícího do elektrického měniče. V jedné jednotce je obsaženo několik tisíc palivových článků o ploše 0,1 – 1m2.


Komerční využití a parametry MKJ s palivovými články

Použití palivového článku s pevným elektrolytem (SOFC) již využívají v praxi firmy Sulzer Hexis AG, Vaillant, Panasonic, Ebbara Ballard. Nejvhodnějším palivem je vodík, který se však obtížně získává, transportuje a skladuje. Dnes se jako palivo pro stacionární palivové články využívá především zemního plynu, který lze použít u některých typů palivových článků přímo, u jiných s tzv. reformerem. V budoucnu by přechod na čistý vodík nepředstavoval větší překážku. Co je tedy možné dnes vidět: Např. společnost Vaillant intenzivně vyvíjí systém s výkonem 4,6 kW (el) a 9kW (th). S těmito systémy dosáhla v roce 2007 na metu 330.000 provozních hodin při výrobě 1.000.000 kWh (el) a 2.900.000 kWh (th). Takové množství energie představuje spotřebu přibližně 300 bytů (3 členové rodiny) po dobu jednoho roku.

Vaillant MKJ s využítím palivového článku
Vaillant mikrokogenerace s palivovým článkem pro domácnost

 

V Japonsku jsou s využíváním palivových článků ještě dále, v současné době je instalováno několik tisíc jednotek,  převážně s menšími výkony  a mílovými kroky se blíží k cíli, který si stanovili pro rok 2011 – 2100 MW instalovaného výkonu.

Velice úspěšnými se staly aplikace ve větším měřítku, řádově ve stovkách kW. Využívají se hlavně v bankách, hotelích, ústřednách telekomunikačních služeb či na letištích – všude tam, kde je potřeba zajistit spolehlivé dodávky elektřiny či tepla s minimem hluku a emisí škodlivin. Pro tyto účely se převážně využívají odlišné typy palivových článků (s kyselinou fosforečnou, roztavenými uhličitany nebo pevnými oxidy), které pracují s vyššími teplotami, což jde ruku v ruce s větší využitelností produkovaného tepla (+vyšší účinnost). Jasnou jedničkou co do počtu jednotek i odpracovaných hodin jsou palivové články spol UTC (dříve ONSI a IFC) typu PC25 o výkonu 200 kW, které od počátku vyprodukovaly přes miliardu kWh. Z tohoto typu FC je také složena největší elektrárna na světě s palivovými články, 11MW v Tokiu, Japonsko.

Ballard a Panasonic MKJ  
Mikrokogenerační jednotky Panasonic a Ebbara Ballard 

 

V poslední době se vývoj a výzkum zaměřuje především na palivové články s tavenými uhličitany (Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC) a s pevnými oxidy (Solid Oxide Fuel Cell). Pracují s teplotami 500-1000°C, což jim umožňuje přímé využívání např. zemního plynu. Nejznámějším představitelem je „Hot Module“ - 250kW MCFC z MTU Friedrichshafen.