MAŽOSIOS KOGENERACIN IR JŲ PLĖTROS PERSPEKTYVOSgjstudija.net/ltma/ltma-darbai/Str-LZ-galutinis-T.pdf · UAB „Plungės bioenergija“ 1,2 16 Biokuras Priešslėginė garo turbina

Adomavičius, V.; Žukienė, L. Mažosios kogeneracinės elektrinės ir jų plėtros perspektyvos // Lietuvos taikomųjų mokslų akademijos mokslo darbai : tarptautinis inovacinis taikomųjų mokslo darbų žurnalas = Official Journal of Lithuanian Applied Sciences Academy / Klaipėdos universitetas. ISSN 1822-0754. 2010, nr. 6. P. 56-69.

56

MAŽOSIOS KOGENERACINĖS ELEKTRINĖS IR JŲ PLĖTROS PERSPEKTYVOS V. Adomavičius, L. Žukienė Kauno technologijos universitetas Anotacija Sraipsnyje pateikta praktikoje naudojamų kogeneracinių mikroelektrinių tipų ir jų pagrindinių savybių apžvalga. Pateikta informacija apie šiuo metu naudojamas kogeneracines mikroelektrines su vidaus degimo varikliu, su dujų mikroturbina, su Stirlingo varikliu, taip pat apie kogeneracines mikroelektrines, naudojančias saulės energiją, apie kuriamas kogeneracines mikroelektrines su biomasės dujinimo grandimi bei vėjo energijos sistemas elektrai ir šilumai gaminti. Pasiūlyta ir aprašyta mikrotinklo su kogeneracine mikroelektrine schema. Pateikta informacijos apie kogeneracinių mikroelektrinių plėtros perspektyvas. PAGRINDINIAI ŽODŽIAI: kogeneracinės mikroelektrinės, vidaus degimo variklis, dujų mikroturbina, Stirlingo variklis, kogeneracinė saulės mikroelektrinė, kogeneracines mikroelektrinė su biomasės dujinimo grandimi, vėjo energijos sistemos elektrai ir šilumai gaminti. Abstract The article presents information about the micro combined heat and power (CHP) plants and their main properties. Various types of already commercialized micro combined heat and power plants are discussed: the small-scale CHP with internal combustion engine, with gas microturbine, with Stirling engine. Some information is also given about the relatively new technologies, such as small scale photovoltaic systems producing power and heat, CHP with biomass gasification unit and, finally, about the wind power systems for combined heat and power production. Scheme of microgrid with small-scale CHP is proposed and survey of CHP development perspectives is presented. KEY WORDS: CHP, internal combustion engine, gas microturbine, Stirling engine, small scale solar CHP, CHP with biomass gasification unit, the wind power systems for combined heat and power. Įvadas

Kogeneracinėmis elektrinėmis (KE) vadinamos tokios elektrinės, kurios gamina ne tik elektros energiją, bet panaudoja ir elektros gamybos metu susidarančią šilumos energiją. Šilumos energija tiekiama į įvairius pastatus patalpoms ir vandeniui šildyti arba gali būti naudojama įvairiuose įmonių technologiniuose procesuose.

Pirmoji pasaulyje kogeneracinė elektrinė buvo pastatyta JAV dar 19 amžiuje. 1882 m. Žemutiniame Manhetene ją pastatė įžymus to meto išradėjas Thomas A. Edison. Tai buvo ne tik pirmoji kogeneracinė, bet ir pirmoji pasaulyje komercinė elektrinė Pearl Street Station. Ji pardavinėjo ne tik elektros, bet ir šilumos energiją. Šilumos energija buvo naudojama prie elektrinės esantiems namams apšildyti. Šioje elektrinėje buvo pasiektas geras tiems laikams kuro išnaudojimo koeficientas – apie 50 %. Palyginimui galima pažymėti, kad galingiausios šiuo metu Lietuvos elektrinės, pastatytos Elektrėnuose 1960-1972 m., kuro išnaudojimo koeficientas vos viršija 20 %. Toks žemas rodiklis tik patvirtina, kad iš esmės ši elektrinė ne tiek gamina elektrą, kiek gadina kurą ir teršia aplinką. Tik kiek daugiau kaip 1/5 kuro dalis čia sunaudojama elektrai gaminti, o apie 4/5 – cheminei ir šiluminei aplinkos taršai. Tuo tarpu 21 a. reikalavimus atitinkantis kuro išnaudojimo rodiklis KE yra apie 90 %.

Nors pirmoji pasaulyje komercinė elektrinė ir buvo kogeneracinė, iškastinis kuras tuomet buvo pigus, o aplinkos taršos niekas nepaisė, todėl jų statyba ir eksploatavimas neišplito iki reikšmingų mastų. Senkant iškastinio kuro atsargoms, sparčiai didėjant jo kainoms, intensyvėjant aplinkos taršai ir didėjant jos daromos žalos mastams, buvo labai susirūpinta energijos taupymu ir prasidėjo alternatyvių energijos šaltinių paieška bei naujų energijos gamybos technologijų plėtra. Nenaudojant kogeneracijos į aplinką iššvaistoma didelė dalis pirminės energijos. Kogeneracinės elektrinės, kaip galinčios labai efektyviai išnaudoti kurą, nuo 21 a. pradžios įgavo labai didelę reikšmę daugelyje išsivysčiusių šalių, kur sprendimų priėmimo galią turi gerai informuoti ir racionaliai mąstyti gebantys piliečiai, tarp jų ir pirmaujančiose ES šalyse. Tuo galima įsitikinti susipažinus su ES bei tarptautinių energetikos organizacijų dokumentais bei energetikos plėtros planais ir prognozėmis. 2004 m. vasario 11 d. Europos Sąjungoje buvo patvirtinta direktyva 2004/8/EB, kuri skatina kombinuotą elektros ir šilumos gamybą arba, trumpiau sakant, kogeneraciją. Tuomet daugumoje ES valstybių kogeneracinis energijos gamybos potencialas buvo mažai panaudotas ir net nenustatytas [1]. Tarptautinės energijos agentūros (IEA) G8 valstybių kogeneracijos plėtros plane numatyta, kad iki 2030 m. įgyvendinus užsibrėžtus tikslus šioje srityje vien tik Prancūzijoje, Vokietijoje, Italijoje ir JK bus padvigubintas visos ES sutaupytas pirminės energijos kiekis.

Kaip žinia, iškastinis kuras Žemėje sąlyginai greitai baigsis. Pagal 2010 m. sausio 1 d. vertinimus greičiausiai baigsis naftos ištekliai – 2047 m., dujų gali nebelikti 2068 m., anglies – 2140 m., o urano – 2144 m. [2]. To pasėkoje visų kuro rūšių kainos neišvengiamai didės, todėl jau dabar reikia imtis visų galimų priemonių ieškoti alternatyvių energijos šaltinių, o turimus šaltinius naudoti labai taupiai ir efektyviai.

1. Kogeneracinių elektrinių ir mikroelektrinių būklė Lietuvoje ir užsienyje

Šiuo metu ES apie 11 % elektros energijos gaminama KE, o šioje srityje pirmauja Danija (~55 %), Suomija

(~40 %), Latvija (~31 %) ir Olandija (~ 29 %) [3]. Vokietija KE planuoja gaminti 50 % elektros energijos. Dabar


57

ji gamina 12,5 %, o 2020 m. užsibrėžusi pasiekti 25 % ribą. ES kogeneracijos pramonės interesus atstovauja organizacija COGEN Europe, kuri atlieka ir informacijos sklaidos šioje srityje funkcijas.

Lietuvoje pirmosios nedidelės KE pradėjo veikti XX a. šeštajame dešimtmetyje, o to amžiaus pabaigoje buvo pastatytos galingos Vilniaus ir Kauno KE. 2006 m. Lietuvoje veikė 28 įvairios galios KE, kurių bendra įrengtoji galia sudarė 0,812 GW. Per 2006 m. jos visos kartu pagamino 1,9985 TWh elektros energijos (~16 %). Lietuvoje 2006 m. veikusių KE rodikliai pateikti 1 lentelėje, o 2 lentelėje – 2005-2006 m. įrengtų KE [4].

1 lentelė P a g r i n d i n i a i L i e t u v o s k o g e n e r a c i n i ų e l e k t r i n i ų r o d i k l i a i 2 0 0 6 m .

Kogeneracinės elektrinės pavadinimas Elektrinė galia, MW

Šiluminė galia, MW

Elektros energijos gamyba, GWh

AB „Vilniaus energija“ 384 706 703,5 AB „Kauno energija“ Petrašiūnų KE) 8 60 1,2 UAB „Kauno termofikacinė elektrinė“ 170 280 663,6 AB „Klaipėdos energija“ 10,8 32 22,7 AB „Mažeikių elektrinė“ 160 600 199,8 AB „Achema“ 24,5 27,8 144,3 AB „Lifosa“ 31 85 197,2 AB „Šiaulių energija“ 3 32 10,0 AB „Panevėžio energija“ 2,5 25 13,0 UAB „Litekso“ filialas „Druskininkų šiluma“ 0,75 23,5 1,8 VšĮ Palangos reabilitacijos ligoninė 0,12 0,2 0,1 UAB „Vakarų laivų remontas“ 2,4 2,8 10,4 Biomasės elektrinės 3,9 45,7 25,6 Kitos elektrinės 11,3 164,2 5,3

Iš viso: 812,2 2084,2 1998,5

2 lentelė 2 0 0 5 – 2 0 0 6 m . L i e t u v o j e į r e n g t o s k o g e n e r a c i n ė s e l e k t r i n ė s

Elektrinės pavadinimas Elektrinė galia, MW

Šiluminė galia, MW Kuro rūšis Technologija

Noreikiškių rajoninės katilinės elektrinė 0,75 1,05 Biodujos Vidaus degimo variklis UAB „Plungės bioenergija“ 1,2 16 Biokuras Priešslėginė garo turbina UAB Litesko filialas „Marijampolės šiluma“ 2,5 15 Biokuras Priešslėginė garo turbina UAB Litesko filialas „Alytaus šiluma“ 9,2 40,7 Gamtinės dujos Priešslėginė garo turbina UAB „Vilniaus energija“ Salininkų elektrinė 0,6 0,9 Gamtinės dujos Vidaus degimo variklis

Iš viso: 14,25 73,65

Kogeneracinės elektrinės gali būti didelės galios, naudojamos miestų energetiniams elektros ir šilumos poreikiams tenkinti, ir mažos galios, naudojamos atskirų pastatų ar nedidelės pastatų grupės energetiniams poreikiams tenkinti. Jeigu pradžioje dėmesys buvo kreipiamas išskirtinai didžiosioms kogeneracinėms elektrinėms, tai paskutiniame dešimtmetyje prasidėjo sparti mažųjų kogeneracinių elektrinių plėtra. KME įrengimas privačiuose ūkiuose, nedideliuose viešbučiuose, gyvenamuose namuose, pramonės sektoriuje ir kitur iš esmės eliminuoja energijos perdavimo kaštus bei suteikia didelę energetinę nepriklausomybę.

KME savo sandara ir veikimo principu gali būti labai įvairios. Dažniausiai KME sudaro vidaus degimo (VDV) ar kito tipo variklis, kuris suka elektros generatorių. Šiluma nuo variklio nuvedama patalpoms ar vandeniui šildyti, o elektra naudojama vietoje arba/ir tiekiama į elektros tinklą. Tačiau yra ir tokių KME, kuriose nėra variklio, o vietoje kuro naudojami atsinaujinančiosios energijos ištekliai. Jau dabar yra didelė kogeneracinių mikroelektrinių įvairovė. KME pardavimai pasaulio rinkoje 2005 m. ir pagrindiniai gamintojai pateikti 3 lentelėje [5]. Šiuo metu KME gamyba ir pardavimai jau yra žymiai padidėję, o ateityje jų skaičius ir suminė įrengtoji galia neabejotinai didės vis labiau įsigalint paskirstytajam energijos gamybos būdui. KME Lietuvoje dar mažai žinomos ir nenaudojamos, todėl šiame straipsnyje joms bus skiriamas pagrindinis dėmesys.

3 lentelė

K M E g a m i n t o j a i i r j ų p a r d a v i m a i p a s a u l i o r i n k o j e 2 0 0 5 m .

KME KME gamintojas Šalis Technologija El. galia, kW 2005 m. parduota, vnt. DACHS SenerTec Vokietija VDV 5,5 2 750 Ecopower PowerPlus Technology Vokietija VDV 4,7 400 ECOWILL Honda ir partneriai Japonija, JAV VDV 1,0 1 200 WhisperGen WhisperTech JK Stirlingo variklis 1,2 530 Genelight Yanmar Japonija VDV 5,0 340


58

2. Kogeneracinių mikroelektrinių tipai

Jau yra sukurta įvairių tipų KME. Vienos iš jų jau yra pasiekusios komercinę stadiją, o kitos dar yra tobulinamos. Čia pateiksime informacijos apie perspektyviausias ir daugiausiai žadančias KME – apie mikroelektrines su vidaus degimo varikliu, su dujų turbina, su biomasės dujinimo grandimi, su Stirlingo varikliu, kuro elementus, apie saulės energiją naudojančias mikroelektrines bei kogeneracines vėjo energijos sistemas. Visos jos pasižymi tuo, kad gamina ne tik elektrą, bet ir šiluminę energiją pastatams šildyti bei karštam vandeniui ruošti.

Be išvardintųjų, naudojamos ir kogeneracinės šilumos bei elektros jėgainės, kuriose elektrai gaminti naudojami puslaidininkiniai termoelektros generatoriai (TEG). Dažniausiai tokios sistemos naudojamos kartu su biomase kūrenamais katilais tose vietovėse, kur nėra elektros tinklo (kalnuose, miškuose ir kt.). Platesnį tokių jėgainių paplitimą riboja mažas TEG naudingumo koeficientas, kuris kol kas tesiekia 4-5 % [6].

Yra ir kogeneracinių mikroelektrinių, kuriose nenaudojamas joks kuras. Pavyzdžiui, elektrai ir šilumai gaminti viename įrenginyje gali būti naudojama saulės energija. Tokios kogeneracinės saulės energijos sistemos jau gaminamos. Daugiau informacijos apie jas yra pateikta šiame skyriuje.

Brangstant iškastiniam kurui susidaro galimybės naudoti vėjo energiją ne tik elektrai gaminti, bet ir šilumai. Regionuose, turinčiuose didelius vėjo energijos išteklius, iš vėjo gauta elektros energija savo kaina jau gali konkuruoti su šilumos energija, gauta deginant brangų importuojamą iškastinį kurą. Elektros energija yra lengvai paverčiama į šilumos energiją. Todėl vėjo elektrinėse gauta energija gali būti naudojama ir patalpoms bei vandeniui šildyti.

2.1. Mikroelektrinės su vidaus degimo varikliais

Jau yra gaminamos, rinkoje prieinamos ir eksploatuojamos specialiai pastatams sukurtos nedidelės galios kogeneracinės jėgainės. Pavyzdžiui, Vokietijos įmonė SenerTec Kraft-Wärme-Energiesysteme GmbH gamina DACHS tipo jėgaines (1 pav.), kurias sudaro vieno cilindro keturtaktis vidaus degimo variklis (VDV), sujungtas

su asinchroniniu generatoriumi [7]. Ši KME gali naudoti 5 kuro rūšis: gamtines dujas,

suskystintas dujas (LPG), mazutą ir biodyzeliną, o 2007 m. ir rapsų aliejų. KME elektrinės galia svyruoja tarp 5 ir 5,5 kW, o šiluminė galia – nuo 10,3 iki 12,5 kW priklausomai nuo jėgainės modifikacijos. Šilumos energija iš šios jėgainės išvedama vandeniu aušinant vidaus degimo variklį ir asinchroninį generatorių. Jėgainę valdo integrinis mikroprocesorius pagal šilumos poreikius. DACHS tipo jėgainės turi gerus naudingumo koeficientus: elektrai – 27-30 %, šilumai – 59-63 %, o kuro išnaudojimo koeficientas – 88-89 %. Šios jėgainės trūkumai: kuro reikalingumas ir 52-58 db(A) triukšmas 1 m atstume.

Naujausia idėja, susijusi su KME naudojimu namų ūkyje, buvo paskelbta Vokietijoje 2009 m. rudenį. Kogeneracinė jėgainė sukurta VW (Volkswagen) gamyklos automobilių variklių pagrindu. Šioje jėgainėje gamtinėmis dujomis ar biodujomis varomas vidaus degimo variklis suka 20-30 kW galios elektros generatorių, kuris elektros energiją tiekia į elektros energetikos sistemos (EES) tinklą. Ši jėgainė aušinama vandeniu, per kurį namų ūkis gauna šilumos energiją. Šių KME Vokietijoje bus įrengta šimtai tūkstančių. Jų suminė elektrinė galia

sudarys 2 GW ir prilygs dviem vidutinės galios atominėms elektrinėms. Pati jėgainė nėra didelė naujovė, tačiau naujovė yra ta, kad visas jėgaines valdys elektros tinklo operatorius ir naudos jas vėjo elektrinėms (VE) rezervuoti bei galioms elektros tinkle balansuoti. Kad namų ūkis visada turėtų šilumos, sistemoje numatyti šilumos kaupikliai. Jėgainės kaina – 5000 €.

2.2. Mikroelektrinės su dujų turbinomis

KME su dujų turbinomis yra gaminamos vakarų šalių kompanijų. Lietuvoje jomis dar tik pradedama domėtis. Tokio tipo mikroelektrinės atlieka panašias funkcijas pastatuose, kaip ir mikroelektrinės su vidaus degimo varikliais, t.y. gamina elektros ir šilumos energiją. Daugumos mikroturbinų elektrinė galia svyruoja nuo

1 pav. DACHS tipo kogeneracinės mikrojėgaines [4]


59

30 iki 100 kW. Jų naudingo veikimo koeficientas elektrai sudaro apie 20-26 %, šilumai – 34-47 %, o bendras – 54-72 % [8]. Dažniausiai mikroturbinų naudojamas kuras yra gamtinės dujos, tačiau yra gaminamos ir mikroturbinos, skirtos biodujoms ir sąvartynų dujoms. Kuras turi būti labai švarus.

Mikroturbinoje mechaninė energija gaunama degant suslėgto oro ir kuro mišiniui. Degimo produktai išsiplečia priversdami suktis turbiną, o ši suka elektros generatorių. Prasiveržę pro dujų turbiną degimo produktai (450-550 ºC) naudojami šilumai gaminti. Mikroelektrinės veikimo principas pavaizduotas 2 paveikslėlyje.

KME su dujų turbinomis turi vieną trūkumą: mažėjant elektrinės galiai, mažėja ir jos efektyvumas [9]. Jos pasižymi ir gana dideliu akustiniu triukšmu, todėl dujų turbiną reikia įrengti uždarose, akustiškai apsaugotose patalpose. Tačiau tai yra viena iš aplinkai mažiausiai kenksmingų technologijų, kuriai būdinga nedidelė teršalų emisija. Kitos teigiamos jos savybės yra didelis patikimumas bei galimybė ilgą laiką eksploatuoti be priežiūros.

2 pav. Mikroelektrinės su dujų turbina schema.

2.3. Mikroelektrinės su biomasės dujinimo grandimi

Šiuo metu tokio tipo mikroelektrinės yra kūrimo stadijoje. Lietuvoje tyrimus atlieka mokslinė-gamybinė

įmonė „Slengiai“. Prie jų prisideda ir Kauno technologijos universitetas. Mikroelektrinės su biomasės dujinimo grandimi naudoja kietą kurą – malkas, pjuvenas, medienos ir šiaudų granules. Šios mikroelektrinės įrengiamos gyvenamuosiuose namuose tam, kad aprūpintų jų gyventojus šiluma bei elektra. Vienas iš pagrindinių komponentų yra dujų generatorius, kuriame yra dujinamas kietasis kuras. Tokio tipo generatoriuje dujos susidaro dėl nepilnai sudegusio kuro, kuomet degimo proceso metu sudaromas oro trūkumas (pvz., tiekiama 28-25 % viso oro, reikalingo kurui sudeginti) [10]. Generatoriuje susidariusios degiosios dujos – anglies monoksidas (CO), metanas (CH4), vandenilis (H2) ir kitos, toliau varomos pro stambų filtrą ir aušintuvą, kuriame dujos atvėsta beveik iki aplinkos temperatūros. Toliau atvėsusios dujos pro smulkų filtrą eina į specialų maišytuvą, kuriame dujos sumaišomos su oru. Gautas oro ir dujų mišinys per oro įsiurbimo vamzdį paduodamas į vidaus degimo variklį, kuris suka elektros generatorių. KME su dujinimo grandimi schema pateikta 3 pav.

3 pav. Kogeneracinės mikroelektrinės su biomasės dujinimo grandimi schema.

Šių mikroelektrinių išmetamosios dujos turi mažiau kenksmingų teršalų, nei pavyzdžiui, benzininių ir dyzelinių variklių, todėl yra mažiau pavojingos aplinkai. Didžiausia šios sistemos problema yra dujų filtravimas. VDV gali patikimai dirbti tik su labai gerai išvalytomis dujomis. Kitaip dažnai tenka valyti žvakes ir variklį. Be to, dujomis varomas benzininis variklis išvysto mažesnę galią.


60

2.4. Mikroelektrinės su Stirlingo varikliais

Mikroelektrinėje su Stirlingo varikliu energija gali būti gaminama naudojant labai įvairų kurą: tinka gamtinės ir kitos dujos, skystas ar kietas kuras [11] ir netgi saulės energija. Tokia mikroelektrinė dirba tyliai, kadangi turi mažai judamų dalių, yra kompaktiška ir puikiai tinka gyvenamųjų namų sektoriui. Mikroelektrinės schema parodyta 4 pav.

Stirlingo variklis yra plačiai ištirtas. Jis dirba uždaru ciklu, kurio metu darbinės dujos (helis, vandenilis, azotas arba oras) yra suspaudžiamos šalto cilindro talpoje (apie 25 ºC - 75 ºC) ir išsiplečia karšto cilindro talpoje (paprastai apie 680 ºC- 780 ºC) [12]. Tokiam varikliui reikalingas išorinis kaitinimas, todėl tam tikslui naudojama degimo kamera (dujų generatorius), kurioje deginamas kuras, o degimo produktai per Stirlingo variklyje esantį kaitintuvą perduoda šilumą kaitintuve esančioms darbinėms dujoms, kurios dėl slėgių skirtumo priverčia suktis alkūninį veleną, o šis savo ruožtu suka elektros generatorių.

Naudojant saulės kolektorius, šiluma darbinėms dujoms perduodama per šilumokaitį. Šiuo atveju turėtume labai ekologišką KME su nuline teršalų emisija.

4 pav. Kogeneracinės mikroelektrinės su Stirlingo varikliu schema

Mikroelektrinėje su Stirlingo varikliu iš pirminės energijos galima sukurti apie 30 % elektros energijos ir apie 60 % šiluminės energijos, o likusi dalis (apie 10 %) nueina į šilumos ir kitus nuostolius. Stirlingo varikliai su helio ar vandenilio dujomis yra efektyviausi, tačiau dėl šių dujų mažo molekulinio svorio yra sudėtinga pagaminti izoliacinį stūmoklio sluoksnį, kuris darbines dujas išlaikytų viduje, o tepalams neleistų patekti į cilindro vidų [13]. Stirlingo variklių didžiausia galia siekia 35 kW, o ateityje ją tikimasi padidinti iki 100 kW.

Pagrindiniai privalumai:

tinka įvairus kuras, nuo gamtinių dujų iki saulės energijos, nedidelis triukšmas, ilgas eksploatavimo laikas, kadangi nėra daug judamųjų dalių, KME išlakose mažas kiekis kietųjų dalelių, azoto oksidų ir vandenilio karbonatų, įrenginys greitai paleidžiamas, elektros galią galima reguliuoti nepriklausomai nuo šiluminės galios.

Galima įvardinti ir kelis Stirlingo variklių trūkumus, tokius kaip nemenkos montavimo sąnaudos bei kol kas nedidelė maksimali jo galia.

Mikroelektrinių su Stirlingo varikliais kūrimu ir tobulinimu aktyviai domisi įvairios firmos, tokios kaip „Siemens“ (Vokietija). 2003 m MAWERA (Austrija) bendradarbiaudama su BIOS BIOENERGIESYSTEME (Danija) sukūrė mikroelektrinę su Stirlingo varikliu. Mikroelektrinėje naudojamas biomasės kuras. Ji generuoja 35 kW elektrinę galią ir 250 kW šiluminę galią [12]. Šio tipo mikroelektrinių tobulinimo srityje dirba ne viena pasaulio mokslo institucija.

2.5. Mikroelektrinė su organinio Renkine ciklo moduliu

Organinis Renkine ciklas (ORC) nuo klasikinio to paties pavadinimo ciklo skiriasi tuo, kad jame vietoje vandens ir garo naudojamas aukštos molekulinės masės organinis skystis (n-pentanas, toluenas ir kt.), kurių virimo temperatūra yra žemesnė, negu vandens. Naudojant tokį vandens pakaitalą susidaro galimybė panaudoti pigesnius žematemperatūrius šilumos šaltinius – geoterminius šaltinius, saulės tvenkinius, pramonės atliekinės


61

šilumos šaltinius. Tačiau šiuo atveju gaunamas ciklo efektyvumas yra mažesnis, negu naudojant vandenį ir aukštesnės temperatūros šilumos šaltinius. Nepaisant to, organinis Renkine ciklas naudojamas, nes mažesnį jo efektyvumą kompensuoja nedideli žematemperatūrių šilumos šaltinių energijos panaudojimo kaštai. Pirmąjį sistemos su organiniu Renkine ciklu prototipą sukūrė ir 1961 m. pademonstravo Izraelio saulės energetikos inžinieriai.

ORC naudojamas dviejų vakarų Europos kompanijų E.On ir Energetix kuriamame Genlec modulyje [14], kuriuo galima papildyti namų ūkiuose veikiančius centrinio šildymo katilus taip sudarant kogeneracinę mikroelektrinę. Šio modulio integravimo į namų ūkio kondensacinį katilą, siekiant sudaryti KME, schema pateikta 5 pav.

Išlakos

3

21

Šilumokaitis Garintuvas

T

KondensoriusG

DK

Patalpų šildymo sistemaGamtinės

dujos

Elektros energija

S

5 pav. Genlec ORC modulio integravimo į namų ūkio kondensacinį katilą, siekiant sudaryti KME, schema

DK – degimo kamera, S – siurblys, G – elektros generatorius, T – turbina, 1 – šildymo kontūras, 2 – organinio skysčio kontūras, 3 – vandens kontūras

ORC modulis sudarytas iš organinio skysčio kontūro (2), kuriame siurbliukas S tą skystį varinėja per garintuvą, turbiną T ir kondensorių. Garintuve tą organinį skystį per šildymo kontūrą (1) netiesiogiai pašildo iš katilo (DK ir šilumokaitis) tiekiama šilumos energija. Organinis skystis šildomas tam, kad iš jo susidarytų reikiamų parametrų garas. Susidaręs garas suka turbiną T (scroll expander) ir su ją bendru velenu sujungtą generatorių G. Iš turbinos T išėjęs garas per kondensorių, kuris veikia kaip šilumokaitis, papildomai pašildo vandenį, cirkuliuojantį patalpų šildymo sistemos kontūru (3). Tuomet dujinio katilo šilumokaitis gauna aukštesnės temperatūros grįžtantį vandenį, kuriam pašildyti iki reikiamos temperatūros reikia mažiau šiluminės energijos ir todėl mažėja gamtinių dujų sąnaudos. Kondensatoriuje susikondensavęs organinis skystis siurbliuku S grąžinamas atgal į garintuvą, kur jis vėl pašildomas tiek, kad vėl susidarytų reikiamų parametrų organinio skysčio garas turbinai T sukti. Minėtos dvi kompanijos kuria ORC modulį, kurį numatoma tvirtinti ant sienos ir prijungti prie gamtinėmis dujomis kūrenamų katilų. Sukurta kogeneracinė mikroelektrinė per metus gamintų iki 20 000 kWh šilumos energijos per metus. Šio energijos kiekio pakaktų 80 % JK namų, kurie šiuo metu yra šildomi gamtinėmis dujomis kūrenamais katilais.

Visa KME sistema kainuos apie £2750 (dujinis katilas be modulio kainuoja apie £2000). Sistemos šiluminis efektyvumas esant pilnai apkrovai sieks 95 % [14]. Didesnio efektyvumo dėka kasmet bus sutaupoma apie £150 (apie 600 Lt) lyginat su tuo atveju, kai šilumai generuoti naudojamas tik dujinis katilas.

2. 6. Kuro elementai

Jau yra sukurta daug kuro elementų (KE) tipų, kurie gali dirbti kaip kogeneracinės elektrinės, nes gamina ir elektros, ir šilumos energiją. Priklausomai nuo KE tipo energijos vartotojų poreikių jos gali būti įvairios galios – nuo vatų iki dešimčių megavatų. Iš žinomų KE tipų geriausiai KME funkcijas šiuo metu gali atlikti kuro elementai su polimerinio elektrolito membrana (Polymer electrolyte membrane fuel cell – PEMFC, lietuviška santrumpa – KE PEM) ir kietojo oksido kuro elementai (Solid oxide fuel cells – SOFC, lietuviškai – KOKE). Labiau ištobulinti yra KE PEM, kurie yra arčiau komercinės stadijos. Jų skiriamasis bruožas yra žemesnės darbo temperatūros ribos, mažesnis slėgis ir speciali polimerinio elektrolito membrana.

KE su PEM veikimo schema pateikta 6 pav. Vykstant elektrocheminei vandenilio ir deguonies dujų jungimosi reakcijai šiame KE vandenilio cheminė energija pakeičiama į elektros energiją. Be elektros energijos, reakcijos metu susidaro vanduo ir šilumos energija. Vandenilio srautas yra tiekiamas į membraną iš anodo pusės.


62

Prie membranos iš anodo pusės vandenilis skaidomas į protonus ir elektronus. Vandenilio molekulė suskyla į du protonus ir du elektronus. Šį procesą galima aprašyti tokia formule:

eHH 222 (1)

Susidarę protonai skverbiasi per polimerinio elektrolito membraną į katodo pusę. Elektronai iš anodo pereina į katodą per išorinę elektros grandinę. Jeigu grandinė uždara, tai joje teka elektros srovė. Tuo pačiu metu deguonies srautas turi būti tiekiamas į KE nuo elektrodo katodo pusės. Katodo pusėje deguonies molekulės reaguoja su vandenilio protonais, prasiskverbusiais pro polimerinę elektrolito membraną ir elektronais, atkeliavusiais per išorinę sujungimo grandinę, iš kurių susidaro vandens molekules. Vandens susidarymo procesas aprašomas tokia formule

QOHeHO 22 244 , (2)

čia Q – šilumos kiekis išsiskyręs cheminės reakcijos metu.

6 pav. KE su PEM veikimo schema Polimerinei elektrolito membranai keliami griežti reikalavimai. Kad kuro elementas normaliai

funkcionuotų, membrana turi praleisti vandenilio protonus, bet ne elektronus, nes priešingu atveju kuro elemente įvyktų trumpasis jungimas. Membrana taip pat turi nesudaryti galimybių dujomaišai – vandenilis ir deguonis turi likti savo pusėse. Membrana turi būti atspari redukcijos poveikiui prie katodo, taip pat atspari stipriam oksidacijos poveikiui prie anodo. Vandenilio molekulių skaldymas į protonus ir elektronus vyksta prie anodo naudojant platininį katalizatorių. Techniškai tai yra gana lengvai įvykdoma. Viena iš svarbiausių energijos nuostolių susidarymo priežasčių yra membranos pasipriešinimas protonų srautui per ją. Ši problema sprendžiama kiek galima mažinant polimerinio elektrolito membranos storį. Šiuo metu naudojamos membranos, kurių storis yra apie 50 μm.

Protonų membrana yra plonas plastikinis lakštas, pro kurį gali prasiskverbti vandenilio jonai. Membrana iš abiejų pusių yra padengta plonu metalo lydinio (dažniausiai platinos) sluoksniu, kuris veikia kaip katalizatorius. Naudojamas elektrolitas – kietos būsenos organinis polimeras (poliperfluorosulfoninė rūgštis). Kietos būklės elektrolitas yra privalumas, kadangi tai mažina koroziją ir aptarnavimo išlaidas.

Šio tipo KE dirba prie sąlyginai žemos temperatūros (apie 80 oC), jų elektros generavimo efektyvumas yra gana aukštas. KE su PEM yra dinamiški, labai greitai išvysto vardinę galią (≤ 1 s), todėl gali greitai prisitaikyti prie kintančio elektrinės galios poreikio. Todėl jie labai gerai tinka elektromobiliuose, mikrotinkluose ir visur kitur, kur tik reikia greitai reaguoti į galios poreikių svyravimus. KE su PEM taip pat gerai tinka ir nedideliuose pastatuose kaip kogeneracinės mikroelektrinės. Tačiau KE su PEM yra labai jautrūs priemaišoms kure. Šio tipo kuro elementų galia paprastai būna nuo 1 iki 250 kW, bet kai kurie gamintojai teigia, kad naudojant modulines sistemas galima įrengti ir megavatines jėgaines [14].


63

2.7. Saulės energiją naudojančios mikroelektrinės

Kogeneracinės saulės elektrinės (KSE) yra saulės kolektorių ir saulės sistemų kombinacija (PV/Thermal Solar Systems). Šios sistemos sudaro vieną įrenginį ir yra montuojamos ant pastatų stogų ir pietų kryptimi orientuotų sienų. Naudodamos tą patį užimamą plotą jos gamina elektros ir šilumos energiją. Jos gaminamos JAV, Kanadoje, Ukrainoje ir kitur. Gaminamos KSE, kurios šildo arba vandenį, arba orą. SolarWall PV/T technologija [15] vienu metu gamina elektros energiją ir patalpose šildo orą, nes turi įrengtą FEM aušinimo oru sistemą. Tokia sistema gamina apie 200-300 % daugiau energijos, negu jos gamintų tik SE, o sistemos kaina išauga tik 25 %. Bendras tokios sistemos efektyvumas viršija 50 % (šiuo metu FEM efektyvumas elektrai gaminti geriausiu atveju sudaro apie 20 %). Orą šildančios kogeneracinės saulės mikroelektrinės bendras vaizdas parodytas 7 pav.

Kogeneracinės sistemos SolarWall PV/T veikimo principas paprastas: FEM aušinami oru uždarais ventiliaciniais kanalais, iš kurių pašildytas oras per ortakius 2, šilto oro kolektorių 3 ir šilto oro ištraukimo sistemą 4 (žr. 7 pav.) tiekiamas į patalpas. Taip patalpos kartu ir ventiliuojamos, ir šildomos, ir sumažinama apkrova pagrindinei automatinei pastato šildymo sistemai.

7 pav. Kogeneracinė saulės mikroelektrinė: 1 – fotoelektros modulis, 2 – ortakis, 3 – kolektorius, 4 – šilto oro ištraukimo

sistema, 5 – plokščias pastato stogas

Kadangi FEM aušinami oru, padidėja jų darbo efektyvumas ir jie pagamina daugiau elektros energijos (iki 10 %). Be to, pagerėja FEM darbo sąlygos, sumažėja jų degradacijos proceso sparta ir pailgėja jų darbo amžius. Standartinė FEM darbo temperatūra yra 25 ºC. Jeigu jie dirbtinai neaušinami, kaip tai dažniausiai būna, tai jų temperatūra saulei šviečiant gali pakilti iki 90 ºC, nuo ko gana žymiai sumažėja jų galia ir pagamintos elektros energijos kiekis. Šio tipo kogeneracinės sistemos gali būti sėkmingai taikomos ir Lietuvoje.

2.8. Vėjo elektrinių naudojimas elektrai ir šilumai gaminti

Iki šiol absoliuti VE dauguma (> 99 %) naudojama elektros energijos poreikiams tenkinti. Šis tradicinis VE naudojimo būdas yra gerai ištirtas ir aprašytas daugybėje straipsnių, monografijų ir vadovėlių. Šiuo metu susidaro palankios techninės ir ekonominės sąlygos naudoti vėją ir šilumai gaminti. Apie tai jau kalbama įvairiuose verslo bei moksliniuose seminaruose ir konferencijose, teikiami projektų pasiūlymai ES 7 BP. Šilumai gaminti gali būti naudojamos ir didelės, ir mažos VE. Ir vienos, ir kitos turi savo taikymo sritis ir privalumus. Kai iš vėjo gauta elektra naudojama šilumai gaminti, griežti reikalavimai elektros energijos kokybei nekeliami. Tik ta nedidelė elektros energijos dalis (apie 5-10%), kurią vartoja tradiciniai pastatuose esantys elektros aparatai, prietaisai ir įrenginiai, turi turėti standartinius ir stabilius parametrus.

Idėja naudoti elektros energiją patalpoms šildyti yra ne nauja. Dar 1977 metų „Kauno tiesos“ rugsėjo 17 d. numeryje Lietuvos energetikos patriarchas prof. Leonas Kaulakis straipsnyje „Lietuvos ateities energetika“ rašė: „Ateinantį dešimtmetį bus plačiai pradėta elektrą maistui ir karštam vandeniui ruošti, o vėliau – ir patalpoms šildyti.“ Toliau rašoma: „Jau pirmame 21-ojo šimtmečio dešimtmetyje respublikoje visi energetiniai procesai, pirmiausia apšildymas kaime ir mažesniuose miestuose, turės būti 100 proc. elektrifikuoti.“ Tuomet daug vilčių buvo dedama į termobranduolines elektrines. Nors tų elektrinių dar nepavyko sukurti, bet idėja patalpas šildyti elektra išliko. Dabar ji iš dalies realizuojama naudojant įvairių tipų šilumos siurblius. Yra realių galimybių šilumos gamybai panaudoti ir vėjo energiją. Galima neabejoti, kad profesoriaus L. Kaulakio prognozės vienais ar kitais būdais, anksčiau ar vėliau vis tiek išsipildys. Elektros energijos technologijos skverbiasi ne tik į šilumos sektorių, bet ir į transportą. Jau gaminami lengvieji elektromobiliai, elektriniai motociklai, dviračiai, kateriai ir nedideli elektriniai sunkvežimiai.


64

Prielaidos naudoti vėjo energiją šilumai gaminti iš vienos pusės susidarė dėl to, kad per paskutiniuosius du dešimtmečius VE srityje buvo padaryta didelė pažanga. Šiuo metu viena vėjo elektrinė pagamina apie 200 kartų daugiau elektros energijos, negu prieš 20 metų, o maksimali VE galia išaugo iki 7 MW. Jau kuriamos 8-10 MW VE. Prognozuojama, kad magnetinės levitacijos principu veikiančių Maglev tipo VE galia sieks iki 2 GW [16]. Galingų VE vieno įrengto kW kaina siekia apie 1000 €, o mažųjų VE geriausių pavyzdžių – apie 1200-1500 € (be bokšto). MVE kainą siekiama sumažinti iki 1000 €/kW. VE pagamintos elektros energijos kaina priklauso ne tik nuo pačios VE efektyvumo, bet ir nuo vėjo energijos išteklių jos darbo vietoje. Didelių VE energijos kaina svyruoja nuo 0,02-0,03 €/kWh geriausiu atveju iki 0,1 €/kWh ir daugiau. MVE pagamintos energijos vidutinės kainos yra didesnės – 0,05-0,15 €/kWh, tačiau yra ir labai brangių, bet mažai efektyvių MVE [17, 18], kurių pagamintos energijos kaina yra žymiai didesnė. VE pagamintos energijos kaina priklauso nuo įvairių faktorių, bet daugiausiai nuo vėjo energijos išteklių jos įrengimo vietoje, VE kainos, jos darbo efektyvumo (galios faktoriaus cp) ir veikimo patikimumo.

Įvertinus išvardytus VE energetinius-ekonominius rodiklius ir tolimesnes vėjo energijos technologijų tobulinimo galimybes ir perspektyvas, galima teigti, kad vėjuotose vietovėse naudoti iš vėjo pagamintą elektrą šilumai gaminti jau dabar yra tikslinga [19, 20], ko nebūtų galima pasakyti apie fotoelektrą.

Vėjo energiją naudojančios pastato energijos sistemos blokinė schema pateikta 8 pav. Esant gerai apšiltintam namui (esant A ir B klasių pastato energetiniam efektyvumui) vietovėje su gerais vėjo energijos ištekliais (pavyzdžiui, Lietuvos pajūryje) vidutinio dydžio pastatui (100200 m2) apšildyti pakanka iki 10 kW galios VE [19]. Tokių VES įdiegimas dideliu mastu vėjuotose rajonuose leistų sutaupyti daug biokuro (medienos atliekos, malkos, šiaudai, medienos ir šiaudų granulės, briketai ir kt.), kurį būtų galima naudoti rajonuose, turinčiuose mažesnius vėjo energijos išteklius. Taip būtų galima ženkliai išplėsti „žaliosios“ energetikos naudojimo zoną ir sumažinti aplinkos taršą.

Pastato šilumos ir elektros energijos poreikius tenkinanti VES turi šiuos privalumus:

normalaus darbo metu sistema nenaudoja jokio kuro ir į aplinką neišmeta jokių teršalų (biomasės kuras gali būti naudojamas tik nenumatytais atvejais),

energija sistemoje lengvai paskirstoma su nedideliais galios nuostoliais (laidus ar kabelius galim pravesti lengviau ir ekonomiškai efektyviau, negu šilumos tiekimo vamzdynus),

elektros energijos pavertimas į šilumą yra labai paprastas ir efektyvus, šilumos kaupimas yra lengvai realizuojamas, tokie elektros parametrai, kaip įtampa ir dažnis bei galios nestabilumas nėra svarbūs, kai elektra verčiama

į šilumą, šilumos nuostoliai gali būti išvis eliminuojami įrengus šilumos kaupimo talpas apšildomose patalpose

(pavyzdžiui, sienose tarp kambarių), energijos sistema nereikalauja iš VE aukštos kokybės elektros energijos parametrų, todėl VE gali būti

paprastesnė, esant poreikiui, vėjo energijos sistemą galima nesunkiai kombinuoti su pagalbinėmis šildymo

sistemomis, naudojančiomis AEI: biomase kūrenamais katilais, kogeneracinėmis mikroelektrinėmis, įvairiomis saulės šilumos sistemomis ir kt.

8 pav. Vėjo energiją naudojančios pastato energijos sistemos blokinė schema


65

3. Kogeneracinių mikroelektrinių plėtros perspektyvos

Lietuva kol kas neturi jokių planų plėtoti mažąją kogeneraciją, o rūpinasi tik didelių KE statyba. Pagal Nacionalinę energetikos strategiją, patvirtintą LR Seime 2007 m. numatyta iki 2025 m. elektros energijos, pagamintos KE, dalį bendrame elektros energijos gamybos balanse padidinti iki 35 %. Norint šį rodiklį pasiekti, Lietuvoje iki 2020 m. numatoma pastatyti keletą naujų KE, kurių bendroji galia sudarys apie 400 MW [4]. Vykdant šį planą Panevėžyje 2008 m. vasarą pradėjo veikti šiuolaikinė KE, kurios elektrinė galia lygi jos šiluminei galiai – po 35 MW. Be to, kogeneracines elektrines numatoma pastatyti Klaipėdoje, Alytuje, Marijampolėje ir kituose miestuose. Lietuvos KE plėtros prognozė iki 2020 m. pateikta 4 lentelėje (CŠT – centralizuotas šilumos tiekimas).

4 lentele E k o n o m i š k a i p a g r į s t o d i d e l i o e f e k t y v u m o k o g e n e r a c i j o s

p o t e n c i a l o p l ė t r o s L i e t u v o j e p r o g n o z ė [ 4 ]

Metai Rodikliai 2005 2010 2015 2020 Elektros energijos poreikis, TWh 11,4 12,5 13,5 15,5 Šilumos energijos poreikis CŠT, TWh 10,1 10,1 10,1 10,1 Numatoma papildoma KE galia CŠT, MWel 108 215 400 Numatoma papildoma šilumos energijos gamyba CŠT iš papildomų KE, TWh – 0,6 1,1 2,1 Šilumos energijos gamyba kogeneracijos būdu CŠT, TWh 5,5 6,1 6,6 7,6 Šilumos energijos, pagamintos kogeneracijos būdu, dalis nuo CŠT poreikio, % 54 60 66 75 Numatoma papildoma elektros energijos gamyba CŠT, TWh – 0,5 1,0 1,9 Elektros energijos gamyba kogeneracijos būdu, TWh 2,3 3,1 3,9 4,8 Numatoma papildoma KE galia pramonės įmonėse, MWel – 30 65 – Numatoma papildoma elektros energijos gamyba pramonės įmonėse, TWh – 0,25 0,55 – Elektros energijos, pagamintos kogeneracijos būdu, dalis nuo elektros energijos poreikio, % 16 25 29 31

Tačiau didelės Lietuvos KE šiluma gali aprūpinti tik didelių miestų pastatus. Kaimuose, mažuose miesteliuose ir netgi dideliuose miestuose yra labai daug nedidelių ir vidutinio dydžio namų, kurių nepasiekia CŠT sistemos šiluminės trasos ir kuriuose sėkmingai ir ekonomiškai efektyviai būtų galima naudoti mažąsias kogeneracines elektrines. Naudojant KME, tų namų apšildymo kaina būtų mažesnė, negu naudojantis CŠT sistemos paslaugomis, nes šiuo atveju nereikėtų įrengti ir išlaikyti griozdiškų šiluminių trasų, būtų išvengta jose susidarančių šilumos nuostolių, nesusidarytų CŠT sistemos infrastruktūros ir personalo išlaikymo kaštai ir dar būtų gauta pajamų už KME pagamintos elektros energijos pardavimą į elektros tinklą. Tuo tarpu kitose šalyse skiriamas didelis dėmesys kuo spartesnei KME plėtrai, nes jos pirminę energiją taupo ne mažiau, kaip didelės KE, kurios negali išvengti nuostolių, susijusių su energijos perdavimu dideliais atstumais. Kaip pavyzdys 5 lentelėje pateikta Jungtinės Karalystės KME plėtros prognozė pagal vidutinės sėkmės scenarijų [3]. Sprendžiant pagal šios lentelės duomenis, britai numato labai spartų šiuo metu patalpoms šildyti naudojamų katilų keitimą į KME: per ateinančius 9 metus (2020 m.) suminis šalyje veikiančių KME skaičius pasieks daugiau kaip 9 mln. vienetų ir jie bus įrengti jau kas trečiame JK namų ūkyje. Nors KME elektrinė galia ir labai nedidelė (1-5 kW), bet, kaip numatoma šiame scenarijuje, didelis jų skaičius per 2020 metus pagamins gana daug elektros energijos – 4,8 TWh. Panašūs planai jau sudaryti arba kuriami ir kitose šalyse. Kad KME plėtros procesas vyktų sėkmingai ir sklandžiai, kad būtų paskatintas vietinis verslas šioje srityje, tose šalyse įteisinamos įvairios paramos sistemos šioms mikroelektrinėms įsirengti. Analogiškas priemones mažosios energetikos srityje būtų tikslinga įdiegti ir Lietuvoje.

5 lentelė. K M E p l ė t r o s J K p r o g n o z ė p a g a l v i d u t i n ė s s ė k m ė s s c e n a r i j ų

Metai 2010 2015 2020 Naujai įrengtų KME skaičius (tūkst. vnt.) 384 1010 1100 KME dalis (%) nuo visų naudojamų katilų skaičiaus 23.3 57 57 Suminis veikiančių KME skaičius šalyje (tūkst. vnt.) 635 4420 9170 KME dalis (%) nuo visų namų ūkių skaičiaus 2.4 16 32 Suminė KME elektros galia (GW) 0.6 4.4 9.2 Suminis KME pagamintas energijos kiekis (TWh/m) 1.8 12.1 24.6 Metinis anglies išlakų sumažėjimas (106 t C/m) 0.1 0.9 1.8 Suminės anglies santaupos (106 t C) 0.2 2.9 10.1


66

4. Kogeneracinių mikroelektrinių naudojimo galimybės mikrotinkluose

Per pastaruosius keletą metų pasaulyje buvo pradėtos kurti naujos elektros energijos paskirstymo technologijos – mikrotinklai, kurie kelia vis didėjantį mažųjų energijos gamintojų bei vartotojų susidomėjimą. Mikrotinklai gali apjungti keletą ar keliolika mažos galios šaltinių ir mikrošaltinių ir visus prie šio tinklo prisijungusius energijos vartotojus. Jame gali būti naudojamos vien tik AEI elektrinės arba dalis iš jų gali naudoti AEI, o kitos – iškastinį kurą. Mikrotinklas gali apjungti ne tik elektros energijos, bet ir šilumos bei dujų tinklus. Mikrotinkluose gali būti naudojami kuro elementai, mikroturbinos ir kiti efektyvūs energijos generatoriai. Visada gali būti naudojami ir įvairių tipų energijos kaupikliai. Mikrotinklų tyrimai, projektai, studijos vykdomos visame pasaulyje [21, 22, 23, 24, 25, 26]. JAV mikrotinklų įsirengimu daugiau suinteresuotos įvairios kompanijos, siekiančios apsirūpinti pačios elektros energija, o ES – namų ūkių bendrijos.

Mikrotinklai gali dirbti autonomiškai arba per skaitiklį gali būti sujungti su EEST ir su juo apsikeitinėti elektros energija, jei tai yra naudinga abiems pusėms, o taip pat gali turėti energetines sąsajas su kaimyniniais mikrotinklais, kad galėtų rezervuoti vienas kitą. Daugelyje liberalizuotų energijos rinkų paskirstytas generavimas ir AEI naudojimas rinkos dalyviams teikia įvairiapusę naudą ir galimybę pasirinkti energijos šaltinius. Inovacijos energetikoje, elektronikoje ir valdymo technologijose sudaro prielaidas tokiems mikrotinklams plėtotis, juos tobulinti bei optimaliai ir patikimai valdyti užtikrinant įtampos stabilumą ir tiekiamos energijos kokybę, nepaisant padidinto masto nepastovios galios energijos šaltinių integracijos (vėjo, saulės) juose [23, 24]. Šiuolaikiniai sumanieji mikrotinklai yra mažosios didžiojo EES tinklo versijos. Lygiai kaip didžiajame tinkle, mikrotinkle gali būti generuojami, skirstomi ir reguliuojami elektros energijos srautai.

Mikrotinkle lengviau užtikrinti galių balansą ir rezervavimą. Didžioji mikrotinkle pagamintos energijos dalis sunaudojama vietoje, todėl jis neturi žymesnio poveikio EES tinklui tuo atveju, kai tie tinklai yra sujungti. Mikrotinkle lengviau pasiekti gerą santykį tarp tradicinių generuojančių galių dydžio ir pagamintos energijos kiekio, t.y., galima pasiekti gerą tų galių išnaudojimo koeficientą. Čia gali būti panaudotos labai dinamiškos rezervinės galios ir efektyvūs energijos kaupikliai. Tuo tarpu EES tinkle tenka išlaikyti dideles, brangias ir dažnai nepaslankias rezervines galias.

Mikrotinklo atveju taip pat nereikia naudotis aukštos įtampos perdavimo tinklo paslaugomis, nes didžioji generuojamos energijos dalis sunaudojama vietoje. Tuo sumažinami elektros energijos nuostoliai energetikos sistemoje. Į mikrotinkle pagamintos elektros energijos kainą neįeina dedamosios griozdiškai energetikos sistemos infrastruktūrai, skaitlingam personalui ir didelėms rezervinėms generuojančioms galioms išlaikyti. Tokį elektros mikrotinklą gali įsirengti ir būti jo savininkais keli ar keliolika namų, esančių netoli vienas nuo kito, nedidelė gyvenvietė, universitetai, ligoninės, atskira įmonė arba jų grupės. Mikrotinklas gali priklausyti tų namų bendrijai, kooperatyvui ar bendrovei, kurie patys gali tą mikrotinklą eksploatuoti. Tokiame mikrotinkle energijos vartotojai tuo pačiu metu gali būti ir energijos tiekėjais. Jame nebūtų biurokratinių problemų dėl VE, fotoelektrinių ar kitų reikalingų elektros generatorių integravimo į šį tinklą. Tai yra vienas iš būdų mažiesiems elektros vartotojams ir gamintojams sumažinti priklausomybę nuo didžiųjų energijos tiekėjų, o autonominio elektros mikrotinklo atveju įmanoma pasiekti visišką energetinę nepriklausomybę. Vietinė mikrotinklo nuosavybė ir palyginti mažas jo dydis sudaro labai geras sąlygas privačioms investicijoms į mikrotinklo plėtrą ir geriausias galimybes įdiegti jame pačias naujausias sumaniąsias technologijas, didinančias mikrotinklo efektyvumą ir energijos tiekimo patikimumą. Mikrotinkle kur kas lengviau patenkinti augančius energijos vartotojų poreikius.

Parama mikrotinklų plėtrai leistų žymiai padidinti AEI naudojimą ir Lietuvoje bei padėtų pasiekti ES iškeltus tikslus šioje srityje. Ateityje, brangstant iškastiniam kurui ir mažėjant SE ir VE pagamintos energijos kainoms, mikrotinklai palaipsniui užims vis didesnę šalies elektros energijos gamybos rinkos dalį.

9 pav. pateikta viena iš galimų mikrotinklo su kogeneracine mikroelektrine, kurią sudaro vidaus degimo variklis VDV ir generatorius G, principinių galios grandinių schemų.

Kaip parodyta šiame paveikslėlyje, toks mikrotinklas galėtų tenkinti visus vartotojų energijos poreikius, tarp jų ir lengvųjų elektrinių transporto priemonių. Pagrindiniai elektros energijos gamintojai čia būtų vėjo elektrinės VE1-VEm ir kogeneracinė mikroelektrinė VDV-G. Mikrotinklas turėtų vieną bendrą didesnės įkrovos talpos elektros energijos kaupiklį, sudarytą iš srautinės baterijos SB, elektrolitų rezervuarų EL1, EL2 bei elektrolitų siurblių S1, S2. Namų energetinės sistemos NES1-NESn gali turėti savo elektros energijos kaupiklius AB ir šilumos kaupiklius vandeniui bei patalpoms šildyti. Be to, namų energetinės sistemos dar gali turėti savo mažąsias vėjo ir saulės elektrines, gaminti ir kaupti elektros energiją savo poreikiams, o jos perteklių tiekti kitų prie mikrotinklo prisijungusių namų poreikiams tenkinti. Elektros energijos apskaitai kiekviena NES turi savo skaitiklį Wh. Mikrotinklą valdo 9 pav. supaprastintai pavaizduota valdymo sistema VS, kuri reguliuoja srautinės baterijos SB ir kogeneracinės mikroelektrinės VDV-G galias, kad mikrotinkle nepritruktų galios. Ji taip pat per srautinę bateriją SB valdo elektrolitų EL1, EL2 įkrovimo procesus, kai yra generuojamos elektros energijos perteklius.

Įvairių tipų mažosios kogeneracinės mikroelektrinės mikrotinkluose gali atlikti ne tik elektros bei šilumos energijos generavimo funkcijas, bet ir labai svarbias elektros galios balansavimo ir rezervavimo funkcijas, kad būtų kompensuota saulės ir vėjo elektrinių galios kaita bei subalansuoti energijos vartotojų poreikių svyravimai.


67

Todėl pageidautina, kad mikrotinkle dirbančios mažosios kogeneracinės atsinaujinančių energijos išteklių elektrinės būtų dinamiškos, greitai paleidžiamos ir turėtų kuo platesnes galios reguliavimo ribas.

9 pav. Mikrotinklo, skirto gyvenamųjų namų grupės energetiniams poreikiams tenkinti, schema

AB – akumuliatorių baterija, SG – sinchroninis generatorius, FEM, fotoelektros modulynas, NES – namo energetinė sistema, SB – srautinė baterija, EL1 – teigiamai įkrauto elektrolito talpa, EL2 – neigiamai įkrauto elektrolito talpa, S1-S2 –

elektrolitų siurbliai, VDV – vidaus degimo variklis, G – generatorius, VS – valdymo sistema, Wh – elektros energijos skaitikliai, MTML – mikrotinklo magistralinė linija


68

5. Išvados

1. Pasaulyje jau yra sukurta daug įvairių tipų ir galių kogeneracinių mikroelektrinių, kurios kasmet vis plačiau įdiegiamos siekiant įgyvendinti paskirstyto elektros ir šilumos energijos generavimo idėją.

2. Ypač patrauklios yra vietinius ir atsinaujinančiuosius energijos išteklius naudojančios kogeneracinės mikroelektrinės, kurių naudojimas plačiu mastu prisidėtų prie aplinkos taršos mažinimo, energetinės nepriklausomybės didinimo bei vietinių ekonominių-socialinių problemų sprendimo.

3. Pagrindiniai kogeneracinių mikroelektrinių privalumai yra aukštas kuro energetinio potencialo išnaudojimo laipsnis, siekiantis iki 90 %, ir galimybė pagamintą šilumos ir elektros energiją naudoti vietoje bei išvengti nuostolių, susijusių su energijos perdavimu per atstumą.

4. Prognozuojama, kad netolimoje ateityje kogeneracinių mikroelektrinių poreikis žymiai didės, kai prasidės prognozuojamas elektros ir šilumos mikrotinklų proveržis pereinant prie pastatams reikalingos energijos gamybos pačiuose pastatuose.

5. Pagrindiniai reikalavimai toms kogeneracinėms mikroelektrinėms, kurios bus naudojamos ateities mikrotinkluose, yra atsinaujinančiųjų ir vietinių energijos išteklių naudojimas, kuo aukštesnis kuro energetinio potencialo išnaudojimo laipsnis ir kuo platesnės, tolydinės bei ekonomiškos elektros generatoriaus galios reguliavimo ribos.

Padėka

Straipsnis parengtas pagal LMT remiamo projekto „Kogeneracinės autonominės biomasės mikroelektrinės galios reguliavimo sistema“ programą (paraiškos Nr. SMT-BFT-2010-00176). Autoriai dėkoja Lietuvos Mokslo tarybai už suteiktą Studentų mokslinės praktikos stipendiją. Literatūra

1. Žukauskas, G.; Zinevičius, F. Mažos galios kogeneracinės jėgainės Lietuvoje. Energetika, Nr. 2, 2007. 43-47 psl. 2. www.energy.eu 3. MicroCHP – Updated market projections. Report, prepared by the Domestic CHP Section of the SBGI, March 2006. – 20 p. 4. Ignotas, A. Lietuvos Respublikos ataskaita apie pastangų padidinti didelio efektyvumo kogeneracijos dalį rezultatų pirmąjį

įvertinimą. LR Ūkio ministerija, 2007. – 6 p. 5. Slowe, J. Micro-CHP: Global Industry Status and Commercial Prospects. 23rd World Gas Conference, Amsterdam, 2006. – 9 p. 6. Balčiūnas, P.; Adomavičius, V. Mathematical simulation of thermoelectric energy conversion. The International Conference

Energy Efficiency and agricultural engineering. Rousse, Bulgaria, 4-6 April, 2002. Vol. 1. P.141-148. 7. The Dachs. Technical data. 2 p. Prieiga: http://www.senertec.de/index.php?id=3&L=1 8. http://www.docstoc.com/docs/610613/Microturbine-Combined-Heat-and-Power-CHP 9. http://www.usea.org/Programs/APP/Punjab_Workshop/04_Gas_Turbine%20_Turbomach.pdf 10. http://www.gazogenerator.com.ua/index.php/gazgenerators 11. Narbutas L., Narbutas S. Stirlingo ir Viulemje šiluminių mašinų kietam kurui plėtra. Energetika Nr. 2, 2002. 51-56 psl. 12. Obenberger, I.; Carlsen, H.; Biedermann, F. State-of-the-art and future developments regarding small-scale biomass CHP systems

with a special focus on ORK and Stirling engine technologies. Proceeding of the International Nordic Bioenergy 2003 conference. Prieiga: http://www.bios-bioenergy.at/en/downloads-publications/chp-stirling-engine.html.

13. Obenberger, I.; Carlsen, H.; Biedermann, F. Small-scale CHP plant based on a 75 kWel Hermetic Cylinder Stirling Engine for Biomass Fuels- Development, Technology and Operating Expierences. Proceeding of the 2nd World Conference and Exhibition on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 10-14 May 20047, Rome, taly.

14. Stanford, L. A Rankine cycle made for two. Prieiga: http://www.modernpowersystems.com/story.asp?storyCode=2050561 15. NedStack FC technology. Large Stationary PEMFC. Prieiga per internetą: http://www.nedstack.com/applications_stationary.html 16. 100 kW PV/Thermal system at Concordia University in Montreal, Canada. Prieiga: http://solarwall.com/en/products/solarwall-

pvt.php 17. Basantani, M. The Maglev: The Super-powered Magnetic Wind Turbine. Prieiga: www.inhabitat.com/2007/11/26/super-powered-

magnetic-wind-turbine-maglev/ 18. Adomavičius, V.; Watkowski, T.; Žilinskas, E.; Adomavičius, A. Comparison of small wind turbines properties // Proceedings of

International Conference Electrical and Control Technologies – 2009. Kaunas: KTU, 2009. P. 374-379. 19. AWEA Small Wind Turbine Global Market Study. AWEA, 2007. 14 p. Prieiga:

www.awea.org/smallwind/documents/aweasmallwindmarketstudy2007.pdf 20. Adomavičius, V. Sizing of wind-based energy system for homestead's power and heat // Electrical and Control Technologies -

2007: selected papers of the 2nd international conference, May 3-4, 2007. Kaunas, Lithuania / KTU, IFAC Committee of National Lithuanian Organisation, Lithuanian Electricity Association. P. 157-162.

21. Adomavičius, V. The concept of wind energy consumption for heat and power in the dwelling houses. Proceedings of the 12th International conference on Technical and Technological Progress in Agriculture. Raudondvaris: IAE at LUA, 20-21 September, 2007. P. 226-230.

22. Buchholz, B.; Erge, T; Natziargyriou, N. Long Term European Field Tests for Microgrids. Power Conversion Conference – Nagoya (PCC’07) IEEE CNF, 2 – 5 April, 2007. P. 643-645.

23. Asanol, H.; Bandol, S. Economic Analysis of Microgrids. Power Conversion Conference – Nagoya (PCC’07) IEEE CNF, 2 – 5 April, 2007. P. 654-658.

24. Liu, X.; Su, B. Microgrids – An Integration of RE Technologies. China International Conference on Electricity Distribution, IEEE CNF, 10-13 Dec., 2008. P. 1-7.

25. Kroposki, B. An International Facility to Accelerate Deployment of Distributed Energy Resources in Microgrids. International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS 2008), 17 – 20 October, 2008. P. 2667-2671.


69

26. Laria, A. et. al. Survey on microgrids: analysis of technical limitations to carry out new solutions. 13th European Conference on Power Electronics and Applications, 2009 (EPE’09) 8-10 Sept., 2009. P. 1-8.

27. Yubing, D. et. al. Modelling and Simulation of the Microsourse within a Microgrid. Power and Energy Society General Meeting (PES‘os) IEEE, 26-30 July 2009. P. 1-4.

SMALL SCALE COMBINED HEAT AND POWER PLANTS AND POSSIBILITIES OF THEIR FUTURE DEVELOPMENT V. Adomavičius, L. Žukienė Kaunas University of Technology S u m m a r y The increasing climate change and limited sources of the fossil fuels enforce our society to look for the alternative energy extraction methods. Combined heat and power plants are advantageous for the effective consumption of the fuel. The diversity of the micro-CHP is very high at this time. It is micro CHP with internal combustion engine that is making heat and power using natural gas, liquefies petroleum gas (LPG), oil or biodiesel. For example, German company SenerTec Kraft-Wärme-Energiesysteme GmbH manufactures DACH plants, which consist of a single-cylinder four-stroke internal combustion engine coupled to an asynchronous generator. The efficiency of this plant for the electricity – 27-30 %, for the heat– 59-63 %, consumption of the fuel is 88-89 % [7]. A similar small scale heat and power plant is micro CHP based on gas micro turbine with the efficiency for the electricity around 20-26 %, for the heat- 34-47 %, total consumption of the fuel is 54-72 % [8]. Natural gas is commonly used for the fuel, but there are some microturbines that use biodiesel and landfill gas. The fuel must be very clean. Another method for combined heat and power currently is under investigation. It is micro CHP with biomass gasification unit that uses a solid fuel – wood, wood pellets, straw, sawdust, etc. This micro CHP, like aforesaid, can be installed in a house and is environmentally friendly with its small amount of emissions. Stirling engine invented in XIX century also is used for generation of heat and power together with electric generator. Micro CHP based on Stirling engine can use very different fuel: natural gas and other gas, liquid or solid fuel, and even solar energy. This plant works quietly, because it has just few moving parts, can be compacted and ideal for residential sector. About 20-30% of primary energy supplied to the Stirling engine goes to generate the electricity, about 60% – for the heat production and about 10% make up various losses. Organic Renkine cycle micro-CHP systems are also used for heat and power supply in households. Genlec organic Rankine cycle module is elaborated in the UK for incorporation it in the domestic condensing boilers running on natural gas. A large scale deployment of these systems is anticipated in this country. Two varieties of fuel cells are the most suitable for their application as micro-CHP and they are close to the commercial status. It is the Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) and Solid Oxide Fuel Cells (SOFC). They are expected to appear in the market after 2-3 years. One of the newest technologies is a small scale solar micro CHP that is making heat and electric power at the same time. It is 200-300% more efficient than the purely PV system. The total efficiency of the small scale solar micro CHP is about 50 %. This system consists of a solar panel and solar collectors that are usually mounted on a flat roof. And the last type of micro CHP that is in our interest is the wind power systems for CHP. So far, the absolute majority of wind plants (> 99 %) currently are used just for electric power needs. There is a good technical and economic condition on the use of wind power plants for heat also. Electricity technology is penetrating not only into heat sector, but also to transport. Electric cars, electric motorcycles, bicycles, boats and small electric trucks are already produced and they can be fed from wind energy systems or micro CHP plants. Relatively new and promising energy distribution technology is micro-grids. Micro-grids may combine several low-power sources, micro-sources and all energy users connected to this network. Power plants based only on alternative and renewable energy sources can be included into the micro-grids or combination of power plants running on renewable and fossil fuels can be used. Micro-grids can unite not only electricity but also heat and gas networks.

Gauta 2010 11 15

Spausdinti rekomendavo: doc. dr. Č. Ramonas ir doc. dr. V. Kepalas

Documents

MAŽOSIOS KOGENERACIN IR JŲ PLĖTROS PERSPEKTYVOSgjstudija.net/ltma/ltma-darbai/Str-LZ-galutinis-T.pdf · UAB „Plungės bioenergija“ 1,2 16 Biokuras Priešslėginė garo turbina