2.4 Stirling motor

Stirling motor je klipna mašina sa zatvorenim ciklusom, gde radni medijum ostaje unutar radnog cilindra. Klasifikuje se kao motor sa spoljašnjim sagorevanjem, iako nije pravilo da se izvor toplotne energije obezbeđuje sagorevanjem (moguće je korišćenje solarne, geotermalne ili nuklearne energije).

Princip rada

Princip rada Stirling motora zasniva se na korišćenju razlike energije ostvarene ekspanzijom na višoj i potrebne energije za sabijanje na nižoj temperaturi. Razlika ovih energija koristi se za proizvodnju rada, koji se ostvaruje na vratilu motora.

Radni fluid, koji se nalazi zatvoren u sistemu cilindara, najčešće je vazduh, vodonik ili helijum. Ne postoji potreba za ventilima kao kod ostalih klipnih mašina, jer se radna materija, tj. gas ne razmenjuje sa okolinom. Kružni termodinamički proces Stirling motora sastoji se od 4 glavna procesa: hlađenje, kompresija, zagrevanje i ekspanzija. Ovo se ostvaruje na taj način što se gas transportuje od toplog do hladnog razmenjivača. Topli razmenjivač je u kontaktu s spoljašnjim izvorom toplote, npr. gorionikom, dok je hladni razmenjivač u kontaktu sa toplotnim ponorom, npr. rebrastim vazdušnim hladnjakom. Kogeneracija se ostvaruje korišćenjem otpadne toplote, koja se odaje na hladnoj strani.

U okviru konstrukcije Stirling motora nalazi se regenerator, čijom upotrebom se pove-ćava stepen korisnosti Stirling motora. Regenerator predstavlja mrežu metalnih žica, koje se nalaze na traktu kroz koji gas prolazi na putu od toplog do hladnog cilindra i obrnuto. Kada se gas kreće od toplog cilindra, zagreva regenerator, pa je potrebno oduzeti manju količinu energije u hladnom cilindru. Pri povratku ohlađenog gasa do toplog cilindra, gas ponovo prolazi kroz regenerator koji je sada na višoj temperaturi, pa se gas sada zagreva. Na taj način smanjena je potreba za toplotnom energijom koja se mora dovesti u toplom cilindru. Šema postrojenja sa Stirling motorom prikazana je na sl. 2.7.

Sl. 2.7 Šematski prikaz kogeneracionog postrojenja na biomasu sa Stirling motorom

(Obernberger, Biederman, 2007)

Toplotni izvori, biomasa kao gorivo

Toplotni izvor može biti proces sagorevanja, iz čega proizilazi naziv „motor sa spoljašnjim sagorevanjem“. Međutim, izvor takođe može biti solarna, geotermalna i nuklearna energija. Toplotni ponor može biti bilo koji medijum, sa temperaturom nižom od temperature okoline. Ukoliko se koriste male temperaturne razlike, potrebni su veliki maseni protoci grejnog i rashladnog fluida u eksternim razmenjivačima toplote. Tada su prisutni visoki pumpni gubici, što snižava ukupni stepen efikasnosti. Pošto grejni medijum ne dolazi u kontakt sa pokretnim delovima Stirling motora, mogu da se upotrebe goriva čijim sagorevanjem se ne oštećuje unutrašnjost motora, koja se, inače, ne bi mogla da se upotrebi u motorima SUS.

Pošto proces sagorevanja može da predstavlja izvor toplote, moguće je upotrebiti biomasu kao energent, čvrstu tečnu ili gasovitu, s tim da se konstrukcije međusobno razlikuju, usled različitih tehnologija sagorevanja.

Snage, stepeni korisnosti

Generalno, električni stepeni korisnosti Stirling motora kreću se u intervalu od 10 do 15%, dok su termički stepeni korisnosti do 75%, tako da se dostiže maksimalni stepen korisnosti do 90%. Povećanje električnog stepena korisnosti može se izvesti na račun smanjenja termičkog stepena korisnosti, iskorišćenjem dela toplotne energije, na primer, za predgrevanje vazduha koji ulazi u proces sagorevanja.

Za primer postrojenja sa Stirling motorom električne snage 35 kWe, prikazan je Senkijev dijagram na sl. 2.8. Da bi se dobilo 35 kWe snage i 219 kWt, potrebno je uložiti 300 kW primarne energije biomase. Time je postignut električni stepen korisnosti od oko 12%, dok termički stepen korisnosti iznosi 73%. Ukupan stepen korisnosti, električni i termički, iznosi oko 85%. Stirling motor u praksi primenjuje se za snage manje od 100 kWe (Thek i Obernberger, 2007).

Stepen „zrelosti“ tehnologije

Do sada, razvijena su pilot postrojenja sa Stirling motorom, a počela je se i izgradnja demonstracionih postrojenja. Tržišno zrela rešenja još uvek ne postoje, a pojava Stirling motora na tržištu za sektor kogeneracije očekuje se do 2010. godine.

Sl. 2.8 Senkijev dijagram Stirling motora u sistemu kogeneracije

Prednosti

Toplota se dovodi eksterno, pa su zahtevi za uslovima sagorevanja fleksibilni,širok opseg toplotnih izvora, dobijenih ne samo sagorevanjem,mehanizmi u Stirling motoru jednostavniji su od drugih tipova motora (npr. nisu

potrebni ventili i sistem sagorevanja je jednostavniji),radni fluid tokom procesa ne menja fazu,u nekim rešenjima, nizak radni pritisak omogućava upotrebu cilindara niže

čvrstoće,u uslovima niske okolne temperature, oni se startuju brzo, za razliku od

motora sa spoljašnjim sagorevanjem koji dobro startuju kada je toplo, a loše kada je hladno,

može da se iskoristi i za proizvodnju toplotne energije i za proizvodnju rashladne energije.

Nedostaci

Stirling motor zahteva 2 razmenjivača toplote, koji su na pritisku radnog fluida, a moraju biti otporni na korozivna dejstva toplotnog izvora i atmosfere. Ovi zahtevi poskupljuju konstrukciju, naročito kada se želi postići što viša efikasnost razmenjivača. U nekim slučajevima, ovi izdaci bili bi opravdani upotrebom jeftinih, obnovljivih izvora energije,

Stirling motori, koji koriste male temperaturne razlike, veći su po gabaritima za istu snagu od onih koji koriste veće temperaturne razlike, zbog većih masenih protoka grejnog i rashladnog fluida,

Stirling motor nema mogućnost trenutnog startovanja, već se mora takoreći prethodno „zagrejati“,

vodonik ima nisku viskoznost, visok koeficijent termičke provodljivosti i specifične toplote, pa je zbog toga on najpogodniji gas za upotrebu u Stirling motorima. Međutim, procesom difuzije, molekuli vodonika prolaze kroz metalne zidove, pa je zbog toga teško održavati pritisak unutar motora, bez zamene fluida. Zbog toga se koriste pomoćni sistemi za održavanje potrebne količine radnog fluida. Osim toga, vodonik može negativno da utiče na karakteristike metala i učini ga krtim. Zbog svega toga, češće se koristi vazduh kao radni fluid, iako ima nepovoljnije termodinamičke karakteristike.

2.11 Gorive ćelije

Gorive ćelije predstavljaju elektrohemijske pretvarače energije, koji hemijsku energiju goriva pretvaraju u električnu i toplotnu energiju bez procesa sagorevanja. Zbog elektro-hemijskog mehanizma konverzije energije, tj. odsustva sagorevanja u procesu, gorive ćelije imaju prednost nad tradicionalnim sistemima za proizvodnju energije u vidu smanje-nja emisije štetnih gasova. U procesu učestvuju gorivo (najčešće vodonik), oksidant (okolni vazduh ili čist kiseonik), a kao produkti dobijaju se voda, električna i toplotna energija.

Princip rada

Osnovne delove gorive ćelije čine elektrolit, elektrode (anoda i katoda) i katalizator, koji se nalazi između elektroda i elektrolita. Šematski prikaz sastavnih delova gorive ćelije dat je na sl. 2.15.

Sl. 2.15 Šematski prikaz sastavnih delova gorive ćelije

Anoda ima ulogu da provodi elektrone koje odaje gorivo do spoljašnjeg strujnog kruga i da obezbedi kontakt između molekula vodonika i katalizatora pomoću kanala. Kroz kanale katode dovodi se kiseonik u kontakt sa katalizatorom i provode elektroni po povratku iz spoljašnjeg strujnog kruga. Elektrolit provodi jonizovane čestice goriva, u ovom slučaju atome vodonika, do anode, a osim toga sprečava i kratko spajanje elektroda. Šematski prikaz principa rada gorive ćelije, dat je na sl. 2.16.

Katalizator predstavlja specijalan materijal koji obezbeđuje reakciju vodonika i kiseonika, tj. nastajanje vode. Katalizator je izrađen od grafitnog platna, koje je fino presvučeno prahom platine i to na strani koja naleže na membranu. Po površini je hrapav, a po strukturi porozan, tako da može da propusti atome vodonika.

Sl. 2.16 Šematski prikaz principa rada gorive ćelije

Tipovi gorivih ćelija

Gorive ćelije mogu biti klasifikovane na više načina, prema kombinaciji goriva i oksidanta, vrsti elektrolita, temperaturi procesa itd. Najčešće upotrebljavana klasifikacija je prema tipu elektrolita, koji se koristi u gorivoj ćeliji. Prema ovoj podeli, postoje sledeći tipovi gorivih ćelija:

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) ili Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC),

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC),Alkaline Fuel Cell (AFC),Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC),Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC),Solid Oxide Fuel Cell (SOFC).

Biomasa kao gorivoLista biljnih vrsta, sporednih i otpadnih proizvoda poljoprivrede i industrije koji

se mogu koristiti kao sirovina za dobijanje goriva za primenu u gorivim ćelijama, praktično je beskonačna.

Reformiranje

Jedan od načina za proizvodnju vodonika može predstavljati tzv. proces reformiranja iz gasovitog ugljovodonika, a vodonik dobijen na taj način naziva se reformirani. Biogas, kao gasovita biomasa može da bude značajna sirovina za proizvodnju vodonika, jer u sebi sadrži 50 do 75% metana (CH4). Problem koji se javlja kod proizvodnje vodonika na taj način je emitovanje ugljendioksida. Da bi se ovakva reakcija odvijala, potrebno je održavati temperaturu 800 do 900º C, uz prisustvo katalizatora. Emisija ugljendioksida može biti smanjena procesom karbonacije, ubacivanjem kalcijumoksida u proces, koji vezuje ugljen-dioksid za sebe i nastaje kalcijumkarbonat.

Gasifikacija

Obnovljiva biomasa i goriva dobijena iz biomase mogu da se gasifikuju i na taj način dobiju gasovi koji sadrže vodonik ili se dobije čist vodonik. U samom procesu, u gasifika-toru, biomasa prolazi kroz tri procesa: piroliza (devolatilizacija), nepotpuno sagorevanje i sam proces gasifikacije. U procesu pirolize, koja se odvija bez prisustva kiseonika i na višim temperaturama, ugljovodonici iz biomase isparavaju. Ako se nastalim ugljovodonici-ma doda ograničena količina kiseonika oni nepotpuno sagorevaju oslobađajući toplotu koja služi za zagrevanje novog goriva, zatim razgrađuju svoju složenu strukturu, reaguju s čvrstim delom goriva i istovremeno formiraju komponente koje imaju toplotnu moć i mogu dalje da sagorevaju. U reaktoru je dalje sagorevanje ovih komponenti sprečeno zbog nedostatka kiseonika. Dodavanjem vodene pare nastali laki ugljovodonici reaguju sa vodenom parom i formiraju takozvani sintetički gas, koji se u najvećoj meri sastoji od ugljenmonoksida i vodonika.

Stepeni korisnosti

Generalno, gorive ćelije imaju viši električni stepen korisnosti od postrojenja zasnovanih na termodinamičkom ciklusu, naročito kad kao gorivo koriste vodonik, a kao oksidant čist kiseonik. Tada on iznosi 60%, a pri upotrebi nekog drugog goriva električni stepen korisnosti je 40 do 50%. Električni stepeni korisnosti za pojedine vrste gorivih ćelija dati su u tab. 2 7, kao i radne temperature na kojima se proces odvija.

Prilikom sjedinjavanja kiseonika i jonizovanog atoma vodonika u SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) gorivim ćelijama, što je egzotermna reakcija, stvara se temperatura okruženja oko 800º C, što je najviša temperatura koja se može postići u gorivim ćelijama. Toplotna energija na ovom nivou temperatura može da se iskoristi za zagrevanje vode u sistemu kogeneracije i da se na taj način postigne ukupni stepen korisnosti 80 do 90%. Ukupni stepen korisnosti zavisi od načina iskorišćenja toplotne energije, a za različite vrste gorivih ćelija javlja se toplotna energija na različitim temperaturama, pa se prema tome ostvaruju i različiti ukupni stepeni korisnosti.

Tab. 2.7 Električni stepeni korisnosti i radne temperature odvijanja procesa pojedinih vrsta gorivih ćelija

PEMFC AFC PAFC MCFC SOFCElektrični stepen korisnosti, %

50 - 60 ~ 70 40 50 - 60 50 - 60

Radna temperatura, °C

80 - 90 100 200 - 250 650 800 – 1.000

Trenutno stanje i perspektive – stepen „zrelosti“ tehnologije

Gorive ćelije mogu da se koriste za stacionarne ili mobilne sisteme. U svetu trenutno postoje stacionarna postrojenja za proizvodnju električne energije, snaga od nekoliko stotina kW, međutim, ona još uvek nisu u potpunosti komercijalizovana. Manja stacionarna postrojenja u budućnosti bi mogla da nađu primenu u kućnim instalacijama, uz mogućnost dopremanja goriva javnom mrežom.

Mobilne gorive ćelije zasad svoju najveću primenu nalaze u motornim vozilima, pa su zbog toga najveći svetski proizvođači uključeni u njihov razvoj. Zemlje kao što su SAD, Japan i Nemačka, još od 1999. godine počele su izgradnju pumpnih stanica za punjenje vodonika za potrebe motornih vozila.

Oblasti snaga

Mogućnost razvijanja određene snage u gorivoj ćeliji najviše zavisi od tipa same gorive ćelije, tj. od njene konstrukcije. Opsezi električnih snaga koje je moguće ostvariti kod određenih tipova gorivih ćelija, dati su u tab. 2.8.

Tab. 2.8 Opsezi snaga koje pokrivaju određeni tipovi gorivih ćelija

SOFC MCFC PAFC PEMFC DMFC AFCOpseg snage

do 100 kW do 100 kW do 10 kW 100 W-500 kW 1 mW-100 kW 10 kW-100 kW

Investicije, cene goriva

Pošto upotreba gorivih ćelija nije u potpunosti komercijalizovana, njihova proizvodnja je u malim količinama, pa je prema tome i njihova cena visoka. Goriva ćelija tipa PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) košta oko 3.200 €/kWe, dok neki tipovi imaju cenu od 1.200 €/kWe. Zatim, date su cene neinstaliranih postrojenja za još 3 tipa gorivih ćelija. Investicija za MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) iznosi 960 do 1.200 €/kWe, a za SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) od 800 do 1.200 €/kWe, dok za PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) investicija je 800 €/kWe.

Cena proizvedenog vodonika iznosi 1,5 do 2,2 €/kg ili cca. 0,055 €/kWh. Ova cena se odnosi na vodonik, koji nije komprimovan i nije skladišten.

Prednosti

Produkt reakcije je voda, čime je u potpunosti sprečeno zagađenje okoline,visoki stepeni električne efikasnosti,supstitucija fosilnih goriva obnovljivim izvorima energije iz kojih se dobija

vodonik, koji je osnovno gorivo za gorive ćelije,mogućnost transportovanja goriva javnom mrežom i korišćenje prema potrebi

u lokalnim postrojenjima sa gorivim ćelijama, čime bi se ostvarila prednost nad električnom energijom koja nema mogućnost skladištenja.

Nedostaci

Proizvodnja i dobijanje vodonika predstavljaju skupe procese,visoka cena za upotrebu na širem tržištu.

Zaključci

Primena gorivih ćelija kao nove tehnologije, perspektivna je ukoliko se koristi obnovljiv energent – biomasa. Za sada se razvojne aktivnosti sprovode na nivou istraživanja, pilot i demonstracionih postrojenja. Međutim, troškovi proizvodnje vodonika iz biomase su visoki, što predstavlja ograničenje za primenu biomase u proizvodnji energije u gorivim ćelijama. Visina investicije u postrojenje, koja se postigla za većinu tipova gorivih ćelija, 1.000 do 3.000 €/kWe, nije previsoka, ali za komercijalizovanu upotrebu, npr. u kućnim instalacijama ona jeste još uvek visoka.

Električni stepeni korisnosti koji se postižu u gorivim ćelijama, nešto su viši od termičkih postrojenja za proizvodnju energije, ali primenom kogeneracije ili trigeneracije, stepen efikasnosti može značajno da se uveća. Osim toga, opsezi snaga koje pokrivaju gorive ćelije, od nekoliko W do 100 kWe, zadovoljavaju zahteve za praktičnu upotrebu u većini slučajeva, gde postoji potreba za energijom.

2. Senkijev dijagram

Kao što se navodi u [1] osnovni prioritet kogeneracije proizilazi iz činjenice da se na taj način štedi primarna energija, izbegavaju se određeni gubici u prenosu energije i redukuje se emisija gasova koji stvaraju efekat staklene bašte. Na ovome se zasniva podrška međunarodne zajednice i promocija kogeneracije kao pogodne tehnologije za prizvodnju električne energije na bazi korisne, potrebne toplotne energije i energije za hlađenje prostora.

Sa slike 1, prema [2], očita je energetska superiornost kogeneracije u odnosu na odvojenu proizvodnju u savremenim postrojenjima gasnih kondenzacionih turbina i kotlova, jer je za zadovoljenje istih energetskih potreba potrebno 40% manje goriva.

Gubici mreže daljinskog grejanja

5 EJ

Odvojena proizvodnja - gorivo 310 EJ

Elektricna energija – gorivo197 EJ

Toplotna energija - gorivo 113 EJ

Elektricna energija100 EJ

Toplota energija100 EJ

Gub

ici

sago

reva

nja

14 E

J

Gub

ici

kond

enz

aci

je81

EJ

Gubici distribucije

2 EJ

Gubicisagorevanja

8 EJ

Gubici mreže daljinskog grejanja

5 EJ

Spregnuta proizvodnja - gorivo 222 EJ

Elektricna energija100 EJ

Toplota energija100 EJ

Gubici distribucije

2 EJ

Gubicisagorevanja

15 EJ

a) b)

Slika 1. Senkijev dijagram opconih rešenja (EJ – energetska jedinica)a) odvojena proizvodnja električne i toplotne energije b) kogeneracija

Kogeneracijom se za približno toliko smanjuje i emisija CO2 što je favorizuje i sa aspekta smanjenja zagađenja atmosfere. Zato je ona pogodno rešenje za obaveze o sniženju emisije gasova koji izazivaju efekat staklene bašte a koje proističu iz Kjoto protokola [3]. Prognozira se da će zbog tog efekta [4], prosečno povišenje temperature na Zemlji do 2010. godine iznositi (1.4 – 5.8) oC. To je najveće povišenje u toku jednog veka od ledenog doba.

Osim toga, toplotna energija iz kogeneracionih postrojenja se može koristiti kao pogonska energija i za istovremeno rashlađivanje prostora primenom absorpcionih čilera. Time se dodatno rasterećuje elektroenergetski sistem. Smanjuju se potrebe za proizvodnjom električne energije, samim tim i korišćenje fosilnih goriva, a redukuje se i emisija gasova.