stirling motorji za kogeneracijo - zemeljski plin giz zdp_12_2012_novak... · kogeneracija je...

PRILOŽNOSTI DECENTRALIZIRANIH SISTEMOV SPTE IN STIRLING KOGENERACIJSKI MOTORJI

prof. dr. Peter Novak

Energotech d.o.o.

Ljubljana

7.12.2012. P. Novak: Decentralizirani SPTE in Stirling

motorji za kogeneracijo 1

Vsebina

• Uvod • EU in zemeljski plin • SPTE iz termodinamičnega pogleda • Direktiva o energetski učinkovitosti in SPTE • Termodinamične osnove - Stirlingov proces • Konstrukcija motorjev • Primeri izvedbe • Prednosti in slabosti • Zaključek



Uvod

• Poraba elektrike narašča v Sloveniji in svetu • Emisije TGP iz TE v EU 27 predstavljajo 28,8 % (2009) v

Sloveniji pa 39% (2011). • EU je sprejela program nizko ogljične družbe v katerem

predvideva, da bo emisija iz TE do leta 2050 nič!!!! • Pričakuje se nov energetski sitem z manjšim številom

nosilcev energije. • Distribuirana proizvodnja elektrike je z vedno večjim

deležem OVE dobila široko domovinsko pravico in povzročila pospešeno izgradnjo pametnih omrežij.

• Vgradnja majhnih kogeneracij se v to shemo odlično vključuje in sočasno omogoča pravilno rabo primarnih goriv. Zato je dobila posebno mesto v energetski politiki EU.



4

ENERGETSKI SISTEM ZA USKLAJENI RAZVOJ Ima le tri nosilce energije:

- Elektrika

- Metan CH4

- Metanol CH3OH

Ni potrebna bistveno nova

infrastruktura

Potrebne so številne nove

tehnologije za konverzijo

OVE v elektriko in posredno

za vodik

(P. Novak, 2003)

Kako do njega? JE,

PREMOG ?

Voda, zrak

VETER


motorji za kogeneracijo

5

Problem + energetski izziv

Zemlja

topl.biom.

Sonce

Tehnologije za

pretvarjanje

Rob atmosfere

119,4 .103 TWy/y 13,63 TWy/y

0,011%

Sončno obsevanje na Zemlji

~120.000 TWy/y

Sedanje in bodoče svetovne

energetske potrebe

2005: 13,63 TWy/y

2050: 30 TWy/y

2100: 46 TWy/y

Če pretvorimo le 0,01÷ 0,05 %

dnevno prihajajočega sončnega

sevanja, že zadostimo sedanjim

in bodočim energetskim

potrebam rastoče populacije

prebivalstva na Zemlji

Delo

Toplota



6

Kako bo v prehodnem obdobju?



EU in zemeljski plin

• EU je, zaradi nujnosti, da se zmanjšajo emisije TGP sprejela sklep, da se proglasi ZP kot zeleno gorivo, saj ima zaradi svoje kemične (CH4) strukture najmanjšo emisijo CO2 od vseh fosilnih in bio – goriv.

• EU dokumenti: – Direktiva 2012/27/EU o energetski učinkovitosti (EU L 315

od14.11.2012) – Načrt k učinkoviti rabi resursov v Evropi [COM2011)571 final] – European alternative fuel strategy (JEG Transport & ENV), May 2011 – Načrt za enotno evropsko prometno področje [COM(2011)144 final] – Načrt za premik k konkurenčni nizko ogljični ekonomiji v 2050 [COM

(2011)112 final] – Evropski strateški plan energetskih tehnologij [COM(2006))874 final]

so v veliki meri usmerjeni k večji uporabi plinastega goriva, ker zagotavlja visoko učinkovitost pri pretvarjanju in nizke emisije.



Pomen in zaloge plina za EU

O vlogi plina v EU je ugotovljeno: • Do leta 2014 bo v celoti liberaliziran EU trg z energijo. • Za razvoj infrastrukture, ki naj poveže članice z daljnovodi in plinovodi bo

potrebnih ~ 1100 milijard € vlaganj, ki bodo zagotavljale zanesljivost oskrbe.

• EU je odlično geografsko pozicionirana, da zmanjša svojo uvozno odvisnost od ruskega plina.

• Po uspešnem razvoju pridobivanja plina iz skrilavcev v ZDA je nastal na svetu višek plina.

• Po raziskavah EIA, USA so tehnično izkoristljive zaloge plina v skrilavcih večje od znanih rezerv zemeljskega plina v svetu. *

• Alžir, Libya in Egipt lahko pokrivajo potrebe po zemeljskem plinu v EU.* • Centralna Azija (Azerbedjan, Turkmenistan) imajo velike zaloge plina. • LNG (UZP) predstavlja naslednjo možnost za povečanje diverzifikacije

dobave in zanesljivosti oskrbe. Že sedaj predstavlja ~ 20% uvoza in nad 15% porabe v EU.

• Ratner, Belkin, Nichol, Woehrel:Europe’s Energy Security: Options and Challenges to Natural Gas Supply Diversification, US Congressional Research Service, Marec 2012, Report 42405



Plinsko omrežje v Evropi Po Library of Congress Cartography (USA)



Termodinamična utemeljitev SPTE ali kogeneracije

Kogeneracija je postopek, ki ga je znanstveno utemeljil prof.dr. Zoran Rant (UL - FS, Ljubljana) leta 1955.

Tedaj je uvedel v termodinamiko pojem kakovosti energije.

Poleg količine energije, ki jo merimo v kWh je pomembna tudi njena kakovost, to je njena delazmožnost. Ker pa lahko delo pridobivamo le iz toplote, ki ima višjo temperaturo od okolice, je razdelil toplotno energijo v dva dela: toploto s temperaturo nad okolico in jo poimenoval exergija, ter toploto od temperature okolice do absolutne ničle, ki jo je imenoval anergija, obe skupaj pa tvorita energijo.

Na osnovi tega je dokazal, da je termodinamično edino pravilno exergijo goriva, ki pri gorenju sprošča toploto pri visoki temperaturi, uporabljati v kaskadi.

To pomeni, da se toplota z najvišjo temperaturo uporabi za pridobivanje dela, ostanek pa za ostale potrebe (nizkotlačna para, vroča ali topla voda za gretje itd.)



Soproizvodnja v direktivi o energetski učinkovitosti

To spoznanje je bilo dolgo časa zanemarjeno v svetovni praksi (ne v Sloveniji).

Direktiva o učinkoviti rabi energije pa sedanjo politiko pretvarjanja energije fosilnih goriv v elektriko temeljito spreminja. V preambuli k direktivi kar v 8 poglavjih razlaga, zakaj je potrebno primarno energijo uporabljati v soproizvodnji. Poleg številnih ukrepov, ki jih nalaga nova direktiva, naj navedemo samo najpomembnejše:

1. Predvideva zmanjšanje primarne energije za 20% v celotni EU na 1474 Mtoe ali končne energije na 1078 Mtoe (KE/PE = 0,731).

2. Zahteve v direktivi so minimalne in jih države lahko poostrijo

3. Direktivo je potrebno prenesti v nacionalno zakonodajo in sprejeti vse normativne akte do 5. junija 2014.

4. Upoštevati je vse zahteve v direktivi o učinkovitosti stavb in še vrsto spremljajočih direktiv iz ostalih področij



Soproizvodnja v direktivi o energetski učinkovitosti 5. Direktiva ima 14 prilog, ki podrobneje določajo njeno izvajanje 6. Pregled vsebine direktive je naslednji:

I. Poglavje Vsebina področje…….. 1. Vsebina in področje uporabe 2. Opredelitev pojmov 3. Cilji povečanja energetske učinkovitosti

II. Poglavje Učinkovitost rabe energije 1. Prenova stavb 2. Stavbe javnih organov kot zgled 3. Nakupi javnih organov 4. Sistemi obveznosti energetske učinkovitosti 5. Energetski pregledi in sistemi upravljanja z energijo 6. Meritve

(c) v primeru električne energije od upravljavcev števcev na zahtevo končnega odjemalca zahtevajo, da zagotovijo, da lahko števec oziroma števci upoštevajo električno energijo, ki se dovaja v omrežje iz prostorov končnega odjemalca;

7. Informacije o obračunu 8. Stroški dostopa do informacij o merjenju in obračunu 9. Program za obveščanje in krepitev vloge porabnikov 10. Kazni



Soproizvodnja v direktivi o energetski učinkovitosti

III. Poglavje: Učinkovitost oskrbe z energijo 1. Spodbujanje učinkovitosti pri ogrevanju in hlajenju

2. Pretvorba, prenos in distribucija energije

IV. Poglavje : Horizontalne določbe 1. Razpoložljivost sistemov kvalifikacij, akreditacij in potrjevanja

2. Obveščanje in usposabljanje

3. Energetske storitve

4. Drugi ukrepi za spodbujanje energetske učinkovitosti

5. Nacionalni sklad za energetsko učinkovitost, financiranje in tehnična podpora

6. Pretvorbeni faktorji

V. Poglavje: končne določbe 1. Delegirani akti

2. Izvajanje pooblastila

3. Pregled in spremljanje izvajanja

4. Spletna platforma

5. Itd.



III. Poglavje: Učinkovitost oskrbe z energijo

1. Spodbujanje učinkovitosti pri ogrevanju in hlajenju Čl.14: – države članice do 31. decembra 2015izvedejo celovito oceno možnosti za uporabo

soproizvodnje z visokim izkoristkom ter učinkovito daljinsko ogrevanje in hlajenje in o tem uradno obvestijo komisijo. Na vsakih 5 let se ocena posodobi.

– Kadra so koristi večje od stroškov države sprejmejo ustrezne ukrepe za razvoj infrastrukture

– Analiza stroškov in koristi se opravi za objekte po 5. juniju 2014 za • Nove TE nad 20 MW kot naprave za soproizvodnjo z visokim izkoristkom • Za obsežno prenovljene TE z močjo nad 20 MW za predelavo v napravo za soproizvodnjo z

visokim izkoristkom • Za načrtovane ali obnovljene industrijske obrate z močjo nad 20 MW za predelavo v napravo za

soproizvodnjo z visokim izkoristkom in priključitev na daljinsko ogrevanje ali hlajenje • Izvzete so vršne TE ( manj kot 1500h/leto obratovanja), jedrske elektrarne in obrati za geološko

shranjevanje CO2

- Države sprejmejo merila za energetsko dovoljenje, v katerih se upoštevanju rezultati prejšnjih analiz

- Države članice zagotovijo izdajanje potrdil o izvoru električne energije iz soproizvodnje.

- Države članice zagotovijo, da se vsaka razpoložljiva podpora soproizvodnji pogojuje s tem, da proizvedena električna energija izvira iz soproizvodnje z visokim izkoristkom in se odvečna toplota učinkovito izkorišča za doseganje prihrankov primarne energije. Za javno podporo soproizvodnji ter proizvodnji in omrežjem za daljinsko ogrevanje po potrebi veljajo pravila o državni pomoči



III. Poglavje: Učinkovitost oskrbe z energijo 2. Pretvorba, prenos in distribucija energije

Čl.15 (med ostalim)

Države članice zagotovijo, da se do 30. junija 2015:

– (a) izvede ocena možnosti za povečanje energetske učinkovitosti njihove plinske in električne infrastrukture, zlasti kar zadeva prenos, distribucijo, uravnavanje obremenitev in interoperabilnost, ter povezanost z obrati za proizvodnjo energije, vključno z možnostmi dostopa za mikrogeneratorje energije;

– (b) opredelijo dejanski ukrepi in naložbe za stroškovno učinkovite izboljšave energetske učinkovitosti v omrežni infrastrukturi s časovnim razporedom njihove uvedbe.

– Države članice lahko dovolijo, da so v sistemih in tarifnih strukturah dovoljene sestavine s socialnim ciljem za prenos in distribucijo energije iz omrežij, če vsi moteči vplivi na sistem prenosa in distribucije ostanejo na potrebni minimalni ravni ter niso nesorazmerni s socialnim ciljem.




• Države članice brez poseganja v člen 16(2) Direktive 2009/28/ES ter ob upoštevanju člena 15 Direktive 2009/72/ES in potrebe po zagotavljanju stalne oskrbe s toploto zagotovijo, da v skladu z zahtevami v zvezi z ohranjanjem zanesljivosti in varnosti omrežja,……….

(a) zagotavljajo prenos in distribucijo električne energije iz soproizvodnje z visokim izkoristkom;

(b) zagotavljajo prednosten ali zagotovljen dostop do omrežja za električno energijo iz soproizvodnje z visokim izkoristkom;

(c) pri razporejanju obratov za proizvodnjo električne energije zagotovijo prednostno pošiljanje električne energije iz soproizvodnje z visokim izkoristkom, če to dopušča varno delovanje nacionalnega elektroenergetskega sistema.

….. Pri zagotavljanju prednostnega dostopa ali pošiljanja za soproizvodnjo z visokim izkoristkom lahko države članice določijo razvrstitev med različnimi vrstami obnovljive energije in soproizvodnje z visokim izkoristkom ter znotraj posameznih vrst, v vsakem primeru pa zagotovijo, da prednostni dostop za energijo iz različnih obnovljivih virov energije ali pošiljanje te energije nista ovirana.




– Države članice lahko zlasti spodbujajo povezavo do omrežja za električno energijo iz soproizvodnje z visokim izkoristkom, proizvedeno v napravah za malo soproizvodnjo in mikrosoproizvodnjo. Če je ustrezno, države članice sprejmejo ukrepe za spodbujanje upravljavcev omrežij, da sprejmejo postopek preprostega obveščanja „postavi in priglasi“ za postavitev naprav za mikrosoproizvodnjo ter tako poenostavijo in skrajšajo postopek odobritve za posamezne državljane in monterje.

– Države članice v skladu z zahtevami v zvezi z ohranjanjem zanesljivosti in varnosti omrežja sprejmejo ustrezne ukrepe za zagotovitev, da lahko upravljavci obratov za soproizvodnjo z visokim izkoristkom ponudijo storitve izravnave in druge operativne storitve na ravni operaterjev prenosnih ali distribucijskih sistemov, če je to tehnično in ekonomsko izvedljivo z vidika načina delovanja obrata za soproizvodnjo z visokim izkoristkom. Operaterji prenosnega in distribucijskega sistema zagotovijo, da so takšne storitve del postopka zbiranja ponudb za storitve, ki je pregleden, nediskriminatoren in ga je mogoče nadzirati.

– Države članice lahko po potrebi zahtevajo, da operaterji prenosnega sistema in distribucijskega sistema z zmanjševanjem stroškov za vzpostavitev povezave in uporabo sistema spodbujajo postavitev obratov za soproizvodnjo z visokim izkoristkom v bližini območij povpraševanja.

– Države članice lahko proizvajalcem električne energije iz soproizvodnje z visokim izkoristkom, ki se želijo priključiti v omrežje, dovolijo, da objavijo razpis za dela, povezana s priključitvijo v omrežje.



Zaključek 1

• Plin je gorivo bodočnosti. • Skupaj s premogom bosta obvladovala sedanje

stoletje trga z gorivi • Nova direktiva o energijski učinkovitosti bo

omogočila termodinamično pravilno in učinkovitejšo uporabo fosilnih goriv

• Spremembe, ki jih direktiva predvideva bodo bistveno spremenile stanje na trgu z energijo in skupaj z ostalimi direktivami (OVE, EPBD, itd) omogočile nove zaposlitve in močan razvoj novih tehnologij za pretvarjanje



19

= 1 – T1 /T3 = 1 – T1 /T3 = 1 – T1 /T3

dve izotermi./dve izentropi dve izobari/dve izentropi dve izotermi./dve izohori

Pregled krožnih procesov in primerjava izkoristkov

Vir: Tuma, Energetski stroji 7.12.2012. P. Novak: Decentralizirani SPTE in Stirling


20

= 1 – ( h4 –h1) /(h3– h2 ) = 1 – [(T4 –T1)/ϰ.(T3– T2 )] = 1 – / T4 –T1 /(T3– T2 )/

dve izentropi/dve izohori dve izentropi/izobara, izohora dve izobari/izohora, izentropa

Pregled krožnih procesov in primerjava izkoristkov

Vir: Tuma, Energetski stroji



Primerjava idealnega in Stirlingovega procesa



1-2 izoterma 3-4

2-3 izentropa 4-1 Carnot

2-3 izohora 4-1 Stirling

Qdo

Q3,4 = m.R.T3.ln(p3/p4)

Q3,4 = m.R.T3.ln(v4/v3)

Qod

Q1,2 = m.R.T1.ln(p2/p1)

Q1,2 = m.R.T1.ln(v1/v2)

W = Qdo –Qod

W = m.R.(T3 – T1). ln (p2//p1)

W = m.R.(T3 – T1). ln (v1//v2)

= 1 – T1 /T3

Primerjava procesov na isti osnovi



22

Ericssonov proces, ki poteka med dvema izotermama in dvema izobarama imenujemo tudi mejni proces.

Vir: Tuma, Energetski stroji - vaja

Delovanje Stirlingovega motorja



1-2 IZOTERMNA KOMPRESIJA PRI NIZKI TEMPERATURI 2-2’ DOVOD TOPLOTE (REKUPERATOR) PRI KONSTANTNEM VOLUMNU 3-4 DOVOD TOPLOTE PRI IZOTERMNI EKSPANZIJI 4-4’ ODVOD TOPLOTE (REKUPERATOR) PRI KONSTANTNEM VOLUMNU

2’

4’

4’

2’

Vir: Tuma, Energetski stroji



Štiri tipične konfiguracije stirlingovih motorjev: alfa, beta, gama in posebna izvedba alfa stroja. H - vročin del R - regenerator C - hladni del D - delovni bat

Osnovne izvedbe Stirlingovih motorjev

Vir: Clucas, Rein:: Development of stirling engine, 1994

Primeri različnih izvedb Stirlingovega motorja



Vir: prospekti proizvajalcev

Primeri Stirlingovih motorjev

Beta stroj za prigradnjo v kotle centralnega gretja



Alfa stroj na pelete

Stirlingov motor za kogeneracijo 7kWe





Primer 4 –cilindričnega motoraj za polnjenje baterij

Moč 200 W N= 1400 min-1

Primer 4- valjnega motorja za kogeneracijo,1 kWe



Glavni gorilnik Pomožni gorilnik Prenosnik toplote Valji

Blok motorja

Ventilator

Plinski ventil glavnega gorilnika Lovilnik kondenzata Plinski ventil pomožnega gorilnika

Priključna plošča Podatki: Električna moč.: 1 kW Toplotna moč: min 5. norm. 7, max.12 kW Šumnost: 59 dBA (1m) Teža: 137 kg

Izkoristek: električni: 7,2% toplotni: 84,9 (92,1)

Prednosti in slabosti

Prednosti:

• Zunanje zgorevanje ali vir toplote

• Tiho delovanje

• Dolga življenjska doba

Slabosti:

• Težave pri rekuperaciji toplote

• Nizek izkoristek

• Visoka teža

• Visoka cena



Zaključek • Stirling motorji so termodinamično zelo primerni stroji za pridobivanje

mehanskega dela. • Pri njihovi praktični izvedbi pa se srečujemo, ne glede na tip motorja (alfa,

beta, gama) na težave pri nestacionarnem prenosu toplote v rekuperatorju, kar je razvidno iz močno deformiranega p-v ali T-s diagrama procesa.

• Majhno število obratov, ki jih dosegamo s stroji (max. okoli 3 000 o/s, normalno okoli 1500 o/s) pomeni veliko težo pri zahtevani moči (če upoštevamo še rekuperator).

• Njihova velika prednost je seveda skoraj brezšumno delovanje in praviloma dolga življenjska doba.

• Idealen plin v delovnem batu bi bil vodik, vendar ga je zaradi problemov tesnjenja in vpliva na material (krhkost) skoraj povsod zamenjal helij.

• Pričakovati je nadaljnji razvoj rekuperatorjev in veliko serijsko proizvodnjo naprav z malimi močmi, primernih za lokalno kogeneracijo.

• Ker v njih lahko uporabljamo vse vire toplote (toploto pri zgorevanju fosilnih in biogoriv ter koncentrirano toploto sonca, lahko pričakujemo, ne glede na trenutno zelo slab izkoristek, nadaljnje uveljavljanje teh strojev v praksi.



stirling motorji za kogeneracijo - zemeljski plin giz zdp_12_2012_novak... · kogeneracija je...

Documents