UPORABA STIRLINGOVEGA MOTORJA V KOGENERACIJSKE … · Kogeneracija, soproizvodnja toplotne in elektri čne energije ali SPTE, je so časna proizvodnja toplotne in elektri čne energije

I

UPORABA STIRLINGOVEGA MOTORJA

V KOGENERACIJSKE NAMENE

Diplomsko delo

Študent(ka): Tomislav Buben

Študijski program: visokošolski strokovni študijski program 1. stopnja Energetika

Mentor(ica): doc. dr. Zdravko Praunseis

Somentor(ica): asist. Simon Marčič

Lektor(ica): Urška Vračun, univ. dipl. prof. angl. in slov.

Krško, september 2014

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Zdravku Praunseisu ter somentorju

asist. Simonu Marčiču za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala gre družini in vsem najbližjim, ki so mi pri študiju stali ob strani.

IV

UPORABA STIRLINGOVEGA MOTORJA V KOGENERACIJSKE NAME NE

Klju čne besede: kogeneracija, Stirlingov motor, zemeljski plin, peleti

UDK: 620.92:621.412(043.2)

Povzetek

V diplomski nalogi je opisana kogeneracija toplotne in električne energije. Predstavljen je

tudi Stirlingov motor in njegovo delovanje ter vgradnja dveh mikro kogeneracijskih

sistemov namesto sedanjega klasičnega sistema za ogrevanje in sistema za oskrbo z

električno energijo. Glede na trenutne stroške električne energije in primarnega energenta

je bilo ugotovljeno, da uporaba mikro kogeneracijske enote na zemeljski plin ni ekonomsko

upravičena. Uporaba enote na pelete, ki ima večjo električno in toplotno moč, pa je

rentabilna.

V

COMBINED HEAT AND POWER USE OF STIRLING ENGINE

Key words: cogeneration, Stirling engine, natural gas, pellets

UDK: 620.92:621.412(043.2)

Abstract

The thesis describes cogeneration of heat and electricity featuring Stirling engine, its

operation, and installation of two micro cogeneration systems instead of the currently used

conventional heating system and electricity supply. Given the current cost of electricity

and the primary energy source, the use of micro cogeneration units with natural gas is not

found to be economically justified. The use of pellets as a primary energy source with the

unit is economical due to its higher electrical and thermal power efficiency.

VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ............................................................................................................................................... 1

2 KOGENERACIJA ........................................................................................................................... 2

2.1 DELEŽ KOGENERACIJE V PROIZVODNJI ELEKTRIČNE ENERGIJE V EU ............................. 3

2.2 UPORABA IN VRSTE SPTE ............................................................................................................. 4

2.2.1 SPTE v industriji ................................................................................................................ 4

2.2.2 Mikro kogeneracijski sistemi .............................................................................................. 5

2.2.3 Nove tehnologije SPTE ....................................................................................................... 6

2.2.3.1 Gorivne celice ................................................................................................................................. 6

2.2.4 Vrste goriv .......................................................................................................................... 8

2.2.4.1 Zemeljski plin ................................................................................................................................. 9

2.2.4.2 Obnovljivi viri energije ................................................................................................................... 9

3 STIRLINGOV MOTOR ................................................................................................................ 11

3.1 ZGODOVINA ................................................................................................................................... 11

3.2 DELOVANJE ................................................................................................................................... 13

3.2.1 Idealni termodinamični cikel ............................................................................................ 13

3.3 ANALIZA STIRLINGOVEGA KROŽNEGA PROCESA ............................................................... 14

3.3.1 Delo ................................................................................................................................... 14

3.3.2 Izkoristek .......................................................................................................................... 16

3.4 IZVEDBE STIRLINGOVEGA MOTORJA ..................................................................................... 17

3.4.1 Alfa izvedba Stirling motorja ........................................................................................... 17

3.4.2 Beta izvedba Stirlingovega motorja ................................................................................. 18

3.4.3 Gama izvedba Stirlingovega motorja ............................................................................... 19

4 STIRLINGOV MOTOR V KOGENERACIJSKE NAMENE ..................................................... 20

4.1 MIKRO KOGENERACIJA .............................................................................................................. 21

4.1.1 Višina podpore za SPTE za leto 2014 ............................................................................... 22

4.2 KRATEK PREGLED GORIV .......................................................................................................... 23

4.2.1 Zemeljski plin ................................................................................................................... 23

4.2.2 Lesna biomasa .................................................................................................................. 23

5 PREGLED OBSTOJEČEGA STANJA IN PORABE ENERGENTOV ....................................... 27

5.1 PORABA ENERGENTOV IN STROŠKI ......................................................................................... 27

6 IZVEDBA MIKRO KOGENERACIJSKEGA SISTEMA ............................................................ 28

VII

6.1 OPIS SISTEMA VITOTWIN 300 W ................................................................................................ 28

7 STROŠKI VGRADNJE MIKRO KOGENERACIJSKE ENOTE ................................................ 30

7.1 VIESSMANN VITOTWIN 300 W ................................................................................................... 30

7.2 SUNMACHINE PELLET ................................................................................................................. 31

8 SKLEP ............................................................................................................................................ 34

VIRI IN LITERATURA .......................................................................................................................... 35

PRILOGE ................................................................................................................................................ 36

PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA

DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV ............................................................... 36

PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA.......................................................... 37

VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Princip kogeneracije [1] ........................................................................................ 2

Slika 2.2: Delež SPTE v proizvodnji električne energije [1] ................................................ 3

Slika 2.3: Primer sistema SPTE v industriji [1] .................................................................... 5

Slika 2.4: Mikro kogeneracijski sistem ................................................................................. 6

Slika 2.5: Delovanje gorivne celice [2] ................................................................................. 7

Slika 2.6: Prikaz SPTE na osnovi gorivne celice PEM [2] ................................................... 8

Slika 2.7: Prikaz porazdelitve uporabe različnih energentov[1] ............................................ 9

Slika 3.1: Stirlingov motor skozi čas ................................................................................... 12

Slika 3.2: Prikaz Stirlingovega procesa v diagramih p-v in T-s .......................................... 13

Slika 3.3: Alfa izvedba Stirlingovega motorja .................................................................... 18

Slika 3.4: Beta izvedba Stirlingovega motorja .................................................................... 18

Slika 3.5: Gama izvedba Stirlingovega motorja .................................................................. 19

Slika 4.1: Prikaz SPTE na osnovi Stirlingovega motorja .................................................... 21

Slika 4.2: Kogeneracijska enota s Stirling motorjem .......................................................... 21

Slika 4.3: Energijske vrednosti drevesnih vrst na osnovi mase [9] ..................................... 24

Slika 4.4: Energijske vrednosti drevesnih vrst na osnovi prostornine [9] ........................... 25

Slika 6.1: Vitotwin 300 W [13] ........................................................................................... 28

Slika 6.2: Stirlingov motor v Vitotwin 300 W [13] ............................................................. 29

Slika 6.3: Vgradnja naprave v objekt [14] ........................................................................... 29

IX

KAZALO TABEL

Tabela 3.1: Plinske konstante za nekatere pline [3] ............................................................ 16

Tabela 4.1: SPTE na lesno biomaso – obratovanje več kot 4000 obratovalnih ur na leto [6]

............................................................................................................................................. 22

Tabela 4.2: Podpore za proizvodnjo v obdobju 1. 7. 2014–31. 12. 2014 – nad 4000

obratovalnih ur na leto ......................................................................................................... 23

Tabela 7.1: Prikaz stroškov za primer vgradnje Viessmann Vitotwin 300 W .................... 31

Tabela 7.2: Prikaz stroškov v primeru vgradnje Sunmachine Pellet ................................... 32

Tabela 7.3: Primerjava med Vitotwin 300 W in Sunmachine Pellet ................................... 32

X

UPORABLJENI SIMBOLI

€ - Evro

η - izkoristek

∫ - integral

% - odstotek

kg - kilogram

�� - kubični meter

° - stopinja

CO2 - ogljikov dioksid

XI

UPORABLJENE KRATICE

SPTE - soproizvodnja toplotne in električne energije

EU - Evropska unija

PEM - protonska izmenjevalna membrana (Proton Exchange Membrane)

ZO - zagotovljeni odkup

OP - obratovalna podpora

MW - megavat

kW - kilovat

kWh - kilovatna ura

MWh - megavatna ura

MJ - mega joule

R - plinska konstanta

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

1

1 UVOD

Industrijski in tehnološki razvoj ter razvoj človeštva nasploh predstavljata velike potrebe

po energiji. Na začetku so se največ uporabljali obnovljivi viri energije v obliki lesne

biomase. Pozneje in danes pa se v velikih količinah izkoriščajo neobnovljivi viri, in sicer

premog in nafta. Potrebe po teh energentih naraščajo, zaloge pa so omejene. Zaradi

omejenih količin fosilnih goriv in vse večjega onesnaženja okolja ter s tem povezanih

klimatskih sprememb bo v prihodnosti zagotovo potrebno prestrukturirati energetski

sektor. Eden od možnih načinov je uporaba kogeneracijskih sistemov in naprav, bodisi na

zemeljski plin ali lesno biomaso. S tem se bo povečala zanesljivost oskrbe z energijo,

zmanjšale se bodo emisije toplogrednih plinov. Kogeneracijski sistemi se že veliko

uporabljajo v industriji, hotelih, šolah, bolnišnicah ali pa za daljinsko ogrevanje. To so

veliki sistemi, katerih pogonski agregati so motorji z notranjim zgorevanjem, plinske ali

parne turbine. Stirlingov motor pa se bo, kot kaže, najbolj uporabljal v mikro

kogeneracijskih enotah za proizvodnjo toplotne in električne energije v eno- ali

večdružinskih hišah.


2

2 KOGENERACIJA

Kogeneracija, soproizvodnja toplotne in električne energije ali SPTE, je sočasna

proizvodnja toplotne in električne energije (slika 2.1). Obe energiji se izkoriščata. Temeljni

princip kogeneracije je, da morajo biti sistemi projektirani glede na potrebe porabnika. Na

tak način se izkoristijo vse prednosti kogeneracije. Porabniki so lahko mesta, industrija,

hoteli, družinske hiše, stolpnice. Skozi izkoriščanje toplotne energije lahko učinkovitost

kogeneracijskega sistema doseže tudi 90 %. (COGEN Europe)

V primerjavi s tradicionalnimi sistemi za oskrbo z električno in toplotno energijo nudijo

kogeneracijski sistemi za 15–40 % boljše varčevanje z energijo.

Prednosti kogeneracije:

- povečana učinkovitost pretvorbe in uporabe energije;

- manjše emisije v okolje, še posebej CO2;

- priložnost za bolj decentralizirano proizvodnjo električne energije;

- kogeneracijska enota je projektirana za potrebe porabnika, kar omogoča večjo

učinkovitost;

- lokalna proizvodnja električne in toplotne energije ter s tem večja neodvisnost od

oskrbe iz konvencionalnih virov;

- povečanje števila delovnih mest, saj razvoj in izdelava kogeneracijskih enot

ustvarita potrebe po zaposlovanju.

Slika 2.1: Princip kogeneracije [1]


3

2.1 DELEŽ KOGENERACIJE V PROIZVODNJI ELEKTRIČNE ENERGIJE V EU Evropska unija proizvede 11,2 % skupne električne energije s pomočjo kogeneracije.

Obstajajo pa velike razlike v kogeneraciji med državami članicami, in sicer od 0 % do 47,4

%. Uradni podatki kažejo, da ima Malta 0-odstotni delež kogeneracije. Zelo malo

kogeneracije je na Cipru (0,9 %) in Grčiji (4,5 %). Največ kogeneracije uporablja Latvija

(47,4 %), sledi ji Danska (46,2 %). Velik potencial za uporabo kogeneracije imajo nove

države članice EU. Potrebno pa bi bilo obnoviti sisteme za ogrevanje ter jih nadgraditi, s

tem pa omogočiti vklju čevanje in uporabo kogeneracijskih sistemov (slika 2.2).

Slika 2.2: Delež SPTE v proizvodnji električne energije [1]


4

2.2 UPORABA IN VRSTE SPTE 2.2.1 SPTE v industriji

Moči teh kogeneracijskih sistemov znašajo od 1–500 MW in so običajno največji

predstavniki kogeneracijskih enot (slika 2.3). Proizvajajo električno in toplotno energijo,

katerih temperatura in tlak sta tolikšna, kot jih potrebuje industrija. Odvečna toplotna

energija se lahko uporabi za ogrevanje naselij v okolici industrije, višek električne energije

pa se lahko oddaja v omrežje.

Takšne enote za SPTE se uporabljajo v vseh panogah. Nekako najbolj zastopane so v

rafinerijah, tovarnah papirja in kemični industriji. Kogeneracijski sistemi v teh treh vejah

predstavljajo dve tretjini vseh kogeneracijskih sistemov v industriji. Energija je zelo

pomemben faktor v teh treh vejah industrije. Obratovalno osebje in osebje vzdrževanja sta

na lokaciji in usposobljeni so za upravljanje enot za SPTE.

Industrijski sistemi nad 1 MW predstavljajo glavnino svetovnih kogeneracijskih kapacitet.

Veliko manjših panog tudi uporablja kogeneracijske sisteme, ki so zelo podobni tistim v

poslovnih objektih. (COGEN Europe)

Pogonske enote, ki se najbolj uporabljajo v takšnih sistemih, so parne turbine, plinske

turbine, motorji z notranjim izgorevanje in kombinirani cikel.


5

Slika 2.3: Primer sistema SPTE v industriji [1]

2.2.2 Mikro kogeneracijski sistemi

Zagotavljanje ogrevanja in tople sanitarne vode doživlja revolucijo, osredotočeno okoli

mikro kogeneracijskih enot. Tradicionalni sistemi za ogrevanje se nadomeščajo z mikro

kogeneracijskimi enotami. Te enote so veliko bolj učinkovite, zaradi česar se zmanjšajo

mesečni stroški za ogrevanje. Zmanjšata pa se seveda tudi poraba energije in emisije v

ozračje.

Mikro kogeneracijski sistemi so manjši sistemi za proizvodnjo toplotne in električne

energije. Uporabljajo se v družinskih hišah, poslovnih objektih (slika 2.4). Te enote

zagotavljajo potrebo za ogrevanje prostorov in toplo sanitarno vodo, hkrati pa proizvajajo

električno energijo za lokalne potrebe. Višek se lahko oddaja v omrežje.


6

Prednosti takšnih sistemov so: lokalna proizvodnja električne energije, neodvisnost od

obstoječega omrežja, višek električne energije se lahko odda nazaj v omrežje, zmanjšanje

emisij zaradi lokalne proizvodnje (ni izgub pri prenosu) in seveda nižji stroški električne

energije in ogrevanja.

Slika 2.4: Mikro kogeneracijski sistem

2.2.3 Nove tehnologije SPTE

2.2.3.1 Gorivne celice

Mnogi proizvajalci iščejo nove rešitve in tehnologije za sisteme ogrevanja. Ena teh rešitev

je uporaba gorivnih celic. Princip delovanja gorivnih celic so odkrili že v 19. stoletju.

Delovanje temelji na kemični reakciji med vodikom in kisikom (slika 2.5). Pri tem

nastanejo toplota, električna energija in voda. Toplota se lahko uporablja za pripravo tople

sanitarne vode.


7

Gorivne celice so sestavljene iz dveh elektrod, ki sta ločeni z membrano. Membrana je

prevlečena s plastjo platine, ki omogoča prepuščanje protonov. Samo protoni gredo lahko

skozi membrano, elektroni ne morejo. Elektroni v procesu, ko obidejo membrano,

proizvajajo električno energijo. Gorivne celice se imenujejo tudi trde elektrolitske gorilne

celice. Obratujejo lahko na temperaturah nižjih od 200 °C. Za uporabo v sistemih za

ogrevanje so se najbolje odrezale nizkotemperaturne celice. Te dosežejo temperature od 80

do 90 °C.

Slika 2.5: Delovanje gorivne celice [2]

Gorivne celice PEM so sestavljene iz dve elektrod (katoda in anoda) in membrane. Kisik in

vodik se nahajata na obeh straneh membrane. Ta je propustna za pozitivno nabite protone

vodika. Anoda, katere površina je katalitična, omogoča sprostitev elektronov iz molekul

vodika. Vodik razpade na protone, ki potujejo skozi membrano, in elektrone, ki gredo prek

vodnika na drugo stran membrane. Atomi kisika reagirajo s protoni vodika. Posledica te

reakcije je nastanek vode in toplote, usmerjeno gibanje elektronov po vodniku pa je

električni tok.


8

Slika 2.6: Prikaz SPTE na osnovi gorivne celice PEM [2]

Vodik kot gorivo še ni na voljo, zato je v sistemu za ogrevanje potrebno imeti napravo, ki

se imenuje reformer. V reformerju iz zemeljskega plina pridobimo zmes vodika in

ogljikovega dioksida, gorivne celice pa se zlagajo v sklope z močjo od 1 do 10 kW (slika

2.6). Gorivna celica moči 1 kW proizvede dovolj energije za oskrbo ene družinske hiše. Ta

tehnologija je še v razvojni fazi in je predraga za široko uporabo.

2.2.4 Vrste goriv

Kogeneracijski sistemi lahko uporabljajo različne vrste goriv. Z 48,2-odstotnim deležem se

v Evropi največ uporablja zemeljski plin (slika 2.7).


9

Slika 2.7: Prikaz porazdelitve uporabe različnih energentov[1]

2.2.4.1 Zemeljski plin

Zemeljski plin ima veliko prednosti. Nekatere od njih so nizka cena, visoka kalorična

vrednost in razpoložljivost. Je tudi »zeleni energent«, saj ima najmanjšo emisijo CO2 pri

zgorevanju.

2.2.4.2 Obnovljivi viri energije

Kogeneracijske enote, ki uporabljajo obnovljive vire energije kot pogonsko gorivo,

proizvedejo 11 % električne energije v Evropi. Najpogosteje se uporabljajo biomasa,

bioplin in biodizel. Razmišljati se je začelo tudi o uporabi geotermalne energije. Poleg

zemeljskega plina je najbolj razširjena uporaba lesne biomase kot pogonskega goriva.

Manjši sistemi v družinskih hišah uporabljajo les za kurjavo ali pelete, srednje veliki in

veliki sistemi v industrijah pa lahko uporabljajo različne vrste lesne biomase, kot so

sekanci in odpadni les.

Proizvodnja bioplina, podprta z uredbami EU, narašča. Veliko manjših in srednjevelikih

kogeneracijskih enot poganja bioplin. Biodizel pridobivamo iz rastlinskega olja in bo, kot


10

kaže, v prihodnosti cenovno konkurenčen. Geotermalna energija je prepoznana kot vir

energije prihodnosti. Uporabljala bi se toplota iz geotermalnega izvora, priključenega na

enoto SPTE.


11

3 STIRLINGOV MOTOR

3.1 ZGODOVINA Stirlingov motor je najverjetneje najenostavnejša oblika motorja. Razvil in patentiral ga je

Robert Stirling leta 1816. Pozneje so ta motor še dodatno razvijali, nikdar pa ni popolnoma

zaživel (slika 3.1). Vedno je na nek način zaostajal za bolj priljubljenim parnim strojem in

motorjem z notranjim zgorevanjem.

Danes, ko je zalog fosilnih goriv vse manj, se je zanimanje za Stirlingov motor spet

povečalo. Je namreč motor z zunanjim zgorevanjem in uporablja toplotno energijo iz

različnih virov.


12

Slika 3.1: Stirlingov motor skozi čas


13

3.2 DELOVANJE Stirlingov motor je toplotni stroj, ki je zelo različen od motorja z notranjim zgorevanjem.

Za svoje delovanje potrebuje dovolj veliko razliko v temperaturah in delovni plin (zrak,

vodik, helij, dušik …), ki se med delovanjem ohlaja, tlači, segreva in razširja. Konstrukcija

motorja je enostavnejša. Sestavljen je iz manj gibljivih elementov. Plini, ki se nahajajo v

motorju, motorja nikdar ne zapustijo. Znotraj motorja se ne odvijajo detonacije oziroma ni

vžiga. V motorju ni zgorevanja, zato so ti motorji zelo tihi. Kot že omenjeno, je to motor z

zunanjim zgorevanjem. Kot zunanji izvor toplote lahko uporablja karkoli: sončno energijo,

biomaso, fosilna goriva, geotermalno energijo.

3.2.1 Idealni termodinamični cikel

Stirlingov proces je sestavljen iz izotermne kompresije pri nizki temperaturi (1–2),

izohornega dovajanja toplote (2–3), izotermne ekspanzije pri višji temperaturi (3–4) in

izohornega odvajanja toplote (4–1) (slika 3.2).

Slika 3.2: Prikaz Stirlingovega procesa v diagramih p-v in T-s

1–2 Faza stiskanja delovnega plina, ki je izotermna. Delovni plin se ohlaja s pomočjo

hladilnega sredstva. S pomočjo vztrajnika dobi delovni bat potrebno delo za

stiskanje.


14

2–3 Izohorno dodajanje toplote. Delovni medij gre skozi regenerator, preko katerega

sprejme toploto in se posledično segreva. Regenerator se ohlaja. Delovni bat je na

najvišji točki. Tlak delovnega plina je največji.

3–4 Med točkama 3 in 4 poteka izotermna ekspanzija. Delovni bat potuje navzdol. Pri

ekspanziji temperatura pada, zato je potrebno dovajati toploto. Tlak delovnega plina

pada.

4–1 Izohorna ekspanzija oziroma odvajanje toplote. Delovni plin prehaja v hladen del in

se pri tem ohlaja. Regenerator se segreva. Tlak delovnega plina pade na najnižjo

vrednost in tako vstopa v nov cikel.

3.3 ANALIZA STIRLINGOVEGA KROŽNEGA PROCESA 3.3.1 Delo

Delo, ki ga opravi Stirlingov motor, zapišemo z enačbo:

� �∮�� ( 3.1)

kjer je:

W – delo (J),

p – tlak (Pa),

V – prostornina (m�).

Glede na to, da se v izohornih procesih ne opravlja delo, je potrebno upoštevati samo

kompresijski in ekspanzijski del. V fazi stiskanja in ekspanzije delovni bat opravlja delo.

� � � ��

� � ( 3.2)

kjer je:

W – delo (J),

p – tlak (Pa),

V – prostornina (m�).

Upoštevamo tudi enačbo stanja � � ��. Glede na to, da govorimo o izotermnih

procesih, je temperatura T konstantna. Masa m je tudi konstantna.

Enačbo stanja vstavimo v enačbo za izračun dela in dobimo:


15

� ��

� � ( 3.3)

kjer je:

W – delo (J),

V – prostornina (m�),

m – masa (kg),

T – temperatura (K),

R – plinska konstanta (J/kgK).

Ko vstavimo enačbo (3.3) v enačbo (3.2), dobimo:

� � �� !�� " #� ( 3.4)

kjer je:

W – delo (J),


m – masa (kg),



Zgornja enačba se lahko še dodatno poenostavi, ker je V1=V4 in V2=V3:

� � �� $�� % �&' ( 3.5)

kjer je:

W – delo (J),


m – masa (kg),



Iz enačbe (3.5) lahko vidimo, da lahko delo, ki ga motor opravi, povečamo s povečanjem

temperaturne razlike med TH in TL, kompresijskega ramerja V2/V1, mase plina (ali z

večanjem celotnega volumna motorja in/ali srednjega delovnega tlaka) in specifične

plinske konstante. Izbira materiala, velikost motorja in namen uporabe običajno pogojujejo

oziroma omejujejo višanje temperature, prostornine in tlaka. Zanimivo pa je, da se lahko


16

specifično delo motorja zelo poveča samo z izbiro delovnega plina za večjo specifično

plinsko konstanto. Zaradi velike specifične plinske konstante se v velikih Stirlingovih

motorjih uporabljata vodik in helij (tabela 3.1).

Tabela 3.1: Plinske konstante za nekatere pline [3]

Plin Plinska konstanta, R (J/kgK)

Vodik 4122

Helij 2078

Dušik 296,7

Kisik 259,7

Zrak 287,0

3.3.2 Izkoristek

Izkoristek vsakega toplotnega stroja je definiran kot razmerje med delom in dodatno

toplotno energijo,

( � )*+ ( 3.6)

kjer je:

η – izkoristek,

W – delo (J),

QH – toplotni tok (W).

Enačba za toplotni tok Stirlingovega motorja je:

,� � ��ln� �� ( 3.7)

kjer je:

QH – toplotni tok (W),

m – masa (kg),

R – plinska konstanta (J/kgK),


V – prostornina (m�'.


17

Enačbi (3.5) in (3.7) vstavimo v enačbo za izkoristek in dobimo enačbo za izkoristek

Stirlingovega motorja:

(/ ��&0�1 1��$�+2�3'

��+45�1 1�� ( 3.8)

kjer je:

ηs – izkoristek Stirlingovega motorja,

m – masa (kg),

R – plinska konstanta (J/kgK),


V – prostornina (m�'. Enačbo lahko skrajšamo in dobimo, da je izkoristek Stirlingovega motorja:

(/ � �+2�6�+ ( 3.9)

kjer je:

ηs – izkoristek Stirlingovega motorja,

T – temperatura (K).

Enačba (3.9) nam pove, da je izkoristek odvisen le od temperature.

3.4 IZVEDBE STIRLINGOVEGA MOTORJA Razvitih je bilo nekaj različnih izvedb Stirlingovega motorja za različne namene. Najbolj

znane so izvedbe Alfa, Beta in Gama. Delovanje vseh treh izvedb je enako, in sicer

temeljijo na ekspanziji delovnega plina pri visokih temperaturah.

3.4.1 Alfa izvedba Stirling motorja

Je najenostavnejša izvedba Stirlingovega motorja (slika 3.3). Popravila in vzdrževanje sta

enostavna, le da je potrebnega več materiala za izgradnjo tega motorja, zato je najbolj

uporaben v večjih izvedbah oziroma kot veliki motor. Izkoristek je lahko manjši.


18

Slika 3.3: Alfa izvedba Stirlingovega motorja

3.4.2 Beta izvedba Stirlingovega motorja

Beta Stirlingov motor je bolj zapleten (slika 3.4). Za njegovo izdelavo je potrebnih več

komponent, posledično so vzdrževanja in popravila bolj zahtevna. Izkoristek je nekoliko

višji. Uporabljajo se predvsem v manjših in mobilnih enotah.

Slika 3.4: Beta izvedba Stirlingovega motorja


19

3.4.3 Gama izvedba Stirlingovega motorja

Stirlingov motor tipa Gama je zelo podoben Beta Stirlingovemu motorju (slika 3.5).

Razlika med njima je v tem, da sta pri Gama Stirlingovem motorju delovni in kompresijski

bat nameščena v ločenih valjih. Delovni plin prosto potuje med obema valjema. Taka

oblika Stirlingovega motorja ima manjše kompresijsko razmerje. Mehansko je bolj

enostavna in se najpogosteje uporablja v večvaljnih izvedbah Stirlingovega motorja.

Slika 3.5: Gama izvedba Stirlingovega motorja

Kompresijski

valj

Dovod

toplote

Hladilna rebra

Delovni valj


20

4 STIRLINGOV MOTOR V KOGENERACIJSKE NAMENE

Stirlingovi motorji imajo dosti manjšo učinkovitost kot motorji z notranjim zgorevanjem.

Zaradi tega se uporabljajo samo v specifičnih primerih. Trenutno so tržno dostopni

Stirlingovi motorji z močjo do 40 kWe. Tehnologija na osnovi Stirlingovega motorja

predstavlja alternativo parnim motorjem v mikro in majhnih postrojenjih. Sistem je

zasnovan na zaprtem ciklu, v katerem se delovni plin stisne v hladnem valju, ekspandira

pa potem v vročem valju. Temperatura delovnega plina znaša od 680–800 ºC. Kot delovni

plin se uporablja predvsem helij. Lahko se uporablja tudi vodik, vendar se v tem primeru

pojavi problem tesnjenja. Stirlingov motor lahko uporablja vse vrste goriv. Tako lahko

uporablja fosilna goriva, biomaso, solarno, geotermalno in nuklearno energijo. Kadar se

uporabljata biomasa in fosilno gorivo, je zgorevanje konstantno in izognemo se

temperaturnim skokom, kar ima za posledico manjše emisije. Manjše emisije tudi lažje

nadziramo.

Čeprav so zelo majhnih dimenzij, je njihov električni izkoristek lahko tudi večji od 30 %.

V kogeneraciji lahko Stirlingov motor z dobro tehnologijo izkoriščanja toplotne energije

doseže izkoristek tudi do 98 %, saj na nek način izkorišča skoraj vso toplotno energijo.

Stirlingov motor izkorišča toplotno energijo podobno kot parna turbina, vendar se zaradi

majhnih moči od 1 kW do nekje 40 kW največ uporablja v mikro kogeneraciji v manjših

objektih (družinske hiše, stanovanjski bloki …). Soproizvodnja toplotne in električne

energije na osnovi Stirlingovega motorja je prikazana spodaj (slika 4.1; slika 4.2).

Investicijski stroški mikro kogeneracijskega sistema s Stirlingovim motorjem so še vedno

zelo visoki, poleg tega pa se pri teh motorjih pojavlja problem korozije, nabiranja nesnag

na izmenjevalcih toplote ter tesnjenja.


21

Slika 4.1: Prikaz SPTE na osnovi Stirlingovega motorja

Slika 4.2: Kogeneracijska enota s Stirling motorjem

4.1 MIKRO KOGENERACIJA Mikro kogeneracijski sistemi temeljijo predvsem na Stirlingovem motorju. Tehnologija je

že na voljo. V manjši meri se uporabljajo tudi gorivne celice. Kot pogonsko gorivo se

lahko uporabljajo različne vrste energentov. Nekako najbolj razširjena sta zemeljski plin in

biomasa. Zemeljski plin se uporablja zaradi nizke cene in visoke kalorične vrednosti,

odvisno od možnosti in same lokacije pa se uporablja tudi lesna biomasa, in sicer peleti.

Prednosti takšnih sistemov sta prijaznost do uporabnika in enostavnost uporabe. [5]


22

Primarna naloga tega sistema je proizvodnja toplotne energije, ki se uporablja za ogrevanje

in za sanitarno vodo. Proizvedena električna energija se deloma porabi za lastno rabo, večji

del pa se oddaja nazaj v omrežje. V primeru oddaje električne energije nazaj v omrežje

omogoča država subvencijo za prodajo električne energije. [5] Subvencijo oziroma

podporo je možno dobiti prek zagotovljenega odkupa (ZO) ali obratovalne podpore (OP).

[6]

4.1.1 Višina podpore za SPTE za leto 2014

V nadaljevanju so prikazane višine podpor za leto 2014 za SPTE na lesno biomaso in

fosilna goriva (tabela 4.1; tabela 4.2). [6]

Tabela 4.1: SPTE na lesno biomaso – obratovanje več kot 4000 obratovalnih ur na leto [6]

SPTE Spremenljivi

stroški 2009 –

SDRS (0)

Faktor B Referenčni

stroški 2014

Cena ZO

(EUR/MWh)

Cena OP

(EUR/MWh)

mikro od 50 kW Indiv.

obravnava

0,90 Indiv.

obravnava

Indiv. obravnava Indiv.

obravnava

male od 1 MW 33,43 0,92 234,92 234,92 195,07

srednja -

od 1 do 5 MW

31,46 0,94 186,26 / 145,55

srednja -

od 5 do 25 MW

27,73 0,94 141,42 / 100,71

velika -

od 25 do 50 MW

28,65 0,97 122,24 / 80,23

velika -

od 50 do 200 MW

Indiv.

obravnava

0,97 Indiv.

obravnava

/ Indiv.

obravnava


23

Tabela 4.2: Podpore za proizvodnjo v obdobju 1. 7. 2014–31. 12. 2014 – nad 4000 obratovalnih ur na leto

SPTE Cena ZO

(EUR/MWh)

Cena OP

(EUR/MWh)

mikro od 50 kW 191,29 152,31

male od 1 MW 138,23 98,38

srednja -

od 1 do 5 MW

/ 70,65

srednja -

od 5 do 25 MW

/ 72,14

velika -

od 25 do 50 MW

/ 68,62

velika -

od 50 do 200 MW

/ 58,99

4.2 KRATEK PREGLED GORIV Pri kogeneracijskih sistemih s Stirlingovim motorjem se uporabljajo različne vrste

energentov. Pri mikro kogeneraciji se najpogosteje uporabljata zemeljski plin in lesna

biomasa.

4.2.1 Zemeljski plin

V kogeneraciji se zemeljski plin uporablja najpogosteje. Prednosti zemeljskega plina so

njegova nizka cena, visoka kalorična vrednost ter razvejanost plinovodnega omrežja. Z

okoljevarstvenega vidika je od vseh fosilnih goriv najmanj sporen. Povprečna energetska

vrednost zemeljskega plina znaša: [7]

- 10,5817 kWh/Sm� zgornja kurilna vrednost,

- 9,473 kWh/Sm� spodnja kurilna vrednost.

4.2.2 Lesna biomasa

Lesna biomasa je vir, ki se uporablja že od nekdaj za ogrevanje in kot gradbeni material.

Uporablja se tudi za proizvodnjo papirja. V zadnjih letih je uporaba lesne biomase spet

zaživela. Uporabljamo jo za ogrevanje, v kogeneraciji pa za proizvodnjo mehanskega dela

in električne energije ter, seveda, toplotne energije. Koristimo jo v parnih kotlih, uplinjena


24

pa se lahko uporablja za turbine, plinske motorje. Slovenija ima velik potencial, saj

gozdovi pokrivajo 58,4 % naše domovine. [8]

V današnjih časih se uporaba lesa kot vira energije povečuje zaradi cenovne

konkurenčnosti, obnovljivosti vira ter razvoje tehnologije priprave in rabe lesa. Osnovna

lastnost je kurilnost, ki je definirana kot količina toplote, ki nastane pri popolnem

zgorevanju enote goriva. Izražena je v kWh/kg, kWh/m3, MJ/kg ali MJ/m3. V nadaljevanju

so prikazane energijske vrednosti posameznih drevesnih vrst (slika 4.3; slika 4.4). [9]

Slika 4.3: Energijske vrednosti drevesnih vrst na osnovi mase [9]


25

Slika 4.4: Energijske vrednosti drevesnih vrst na osnovi prostornine [9]

Na kurilnost lesa vplivajo različni dejavniki, in sicer: [9]

- vlažnost

- gostota

- drevesna vrsta

- zdravstveno stanje

Obstajajo različne tehnologije pridobivanja lesne biomase, in sicer tehnologije za

pridobivanje polen in sekancev ter tehnologije za pridobivanje lesnih peletov. V diplomski

nalogi bom podrobneje opisal tehnologije pridobivanja peletov, saj mikro kogeneracijski

sistemi s Stirlingovim motorjem uporabljajo te kot pogonski energent.

Pridobivanje lesnih peletov delimo na devet faz:

- zbiranje surovine

- grobo drobljenje

- sušenje

- fino drobljenje

- kondicioniranje in mešanje

- stiskanje

- hlajenje in sušenje


26

- skladiščenje

- pakiranje

Za izdelavo peletov se uporabljajo lesni ostanki, ki se po svojih lastnostih razlikujejo.

Homogenost materiala se reši s sušenjem in drobljenjem. Pomembno pa je, kakšen je

vhodni material. Razmerje med trdim in mehkim lesom naj bi bilo približno 40 : 60 v prid

mehkega lesa. [10]

Za pravilno izbiro peletov je potrebno poznati nekatere lastnost, s katerimi določamo

kakovost peletov, in sicer:

- nasipna gostota – mora biti 650 kg/m3 ali več

- vsebnost vode – standard določa, da mora biti vsebnost vode manjša ali enaka 10 %

- vsebnost pepela – peleti so klasificirani po razredih: A1, A2, B

• razred A1 vsebnost pepela pod 0,7 %

• razred A2 vsebnost pepela do 1,5 %

• razred B vsebnost pepela 3,5 %

- dimenzije peletov

- kurilnost peletov

• kurilna vrednost peletov se podaja v MJ/kg ali kWh/kg. Vrednost se giblje

med 4,7 in 5 kWh/kg. Peleti iz iglavcev imajo višjo kurilno vrednost kot

peleti iz listavcev.

- barva peletov


27

5 PREGLED OBSTOJEČEGA STANJA IN PORABE ENERGENTOV

Za prikaz praktične uporabe mikro kogeneracijskega sistema s Stirlingovim motorjem bom

vzel starejšo družinsko hišo. Za ogrevanje in pripravo tople sanitarne vode se uporablja

Vaillantova kombinirana naprava za ogrevanje in pripravo tople vode moči 24 kW.

Naprava je priključena in deluje na plin. Hiša se ogreva z desetimi radiatorji s

pripadajočimi bakrenimi cevmi. Električno energijo dobi iz omrežja.

5.1 PORABA ENERGENTOV IN STROŠKI Poraba energentov na letni ravni:

- poraba plina: 3628 m3

- poraba elektrike: 4350 kWh

Cena energentov: [11], [12]

- cena plina: 0,7415 €/m3

- cena elektrike: 0,1633 €/kWh

Stroški za energijo pred vgradnjo mikro kogeneracijskega sistema:

- plin: 2.690 €

- elektrika: 710 €

Skupni stroški za energijo torej znašajo 3.400 € na letni ravni.


28

6 IZVEDBA MIKRO KOGENERACIJSKEGA SISTEMA

V diplomski nalogi in na podlagi trenutnih podatkov sem se odločil, da bom namesto

obstoječega sistema vgradil mikro kogeneracijska sistema Viessmann Vitotwin 300 W in

Sunmachine Pellet, tudi gnan s Stirlingovim motorjem. Primarni energent so v tem primeru

peleti.

6.1 OPIS SISTEMA VITOTWIN 300 W Viessmann Vitotwin 300 W je mikro kogeneracijska enota s Stirlingovim motorjem. Je

posebej zasnovan za posodobitve ogrevalnega sistema družinskih hiš. Stirlingov motor ima

električno moč 1 kWe, toplotno moč 6 kWt in skupni izkoristek 96 %. Na spodnjih slikah

so prikazane komponente sistema.

Slika 6.1: Vitotwin 300 W [13]

1

2

3

4

5

6


29

Komponente mikro kogeneracijske enote Vitotwin 300 W (Slika 6.1; Slika 6.2): [13]

1 Kotel za konična bremena

2 Ventil za razdelitev zraka

3 Prenosnik toplote Inox-Radial iz plemenitega nerjavnega jekla

4 Obročni gorilnik

5 Stirlingov motor

6 Regulacija

Slika 6.2: Stirlingov motor v Vitotwin 300 W [13]

Prikaz vgradnje naprave v objekt (slika 6.3).

Slika 6.3: Vgradnja naprave v objekt [14]


30

7 STROŠKI VGRADNJE MIKRO KOGENERACIJSKE ENOTE

V 5. poglavju smo opisali trenutno stanje porabe in stroškov plina, ki ga porabimo za

ogrevanje in pripravo tople sanitarne vode. V nadaljevanju bomo na enak način izračunali

stroške porabe plina ter peletov, izračunali količino proizvedene električne energije ter

izračunali, koliko električne energije bomo prodali.

7.1 VIESSMANN VITOTWIN 300 W

Strošek investicije v samo napravo, hranilnik tople vode in kondenzacijski kotel 20 kWt

znaša približno 16.500 €. Predpostavili bomo, da kogeneracijska naprava obratuje celo

leto, in sicer 8640 ur. Da bi proizvedli 6 kW toplotne energije in 1 kW električne energije,

moramo na vhod pripeljati 7,3 kW primarne energije. Upoštevajoč kurilno vrednost

zemeljskega plina, mora urni pritok plina znašati 0,767 m3.

Izračun porabe plina in stroškov:

- poraba plina, kot v (7.1)

8640; ∗ 0,767�"

? � 6627�� ( 7.1)

- stroški, kot v (7.2)

6627�� ∗ 0,7415 €�" � 4913€ ( 7.2)

Proizvedena količina električne energije, kot v (7.3):

8640; ∗ 1F� � 8640F�; ( 7.3)

Poraba električne energije na letni ravni znaša 4350 kWh. Predpostavimo, da je bomo

4290 kWh prodali, kot v (7.4).

8640F�; % 4350F�; � 4290F�; ( 7.4)

Odkupna cena električne energije za STPE na fosilna goriva za obdobje od 1. 7. 2014 do

31. 12. 2014 in obratovalni čas nad 4000 obratovalnih ur znaša 191,29 €/MWh (tabela 4.2).


31

- prihodek od električne energije, kot v (7.5)

4290F�; ∗ 0,19129 €G)? � 820€ ( 7.5)

Tabela 7.1: Prikaz stroškov za primer vgradnje Viessmann Vitotwin 300 W

Stara naprava Mikro kogeneracija

Poraba/letno Plin 3628 m3 Plin 6627 m3

Električna

energija

4350 kWh Električna

energija

/

Stroški/letno Plin 2.690 € Plin 4.913 €

Električna

energija

710 € Električna

energija

(prihodek)

820 €

Z enostavnimi izračuni ter dobljenimi rezultati, smo pokazali, da vgradnja takšne naprave

ni ekonomsko upravičena (tabela 7.1).

7.2 SUNMACHINE PELLET Sunmachine Pellet je prav tako mikro kogeneracijska naprava na Stirlingov motor,

primarni energent pa so peleti. Naprava ima 3 kW električne moči in 10,5 kW toplotne

moči. Predpostavimo, da bomo na sezono porabili 6000 kg peletov. Cena ene tone peletov

znaša 260 €. [15] Strošek investicije v to napravo in ostale potrebne komponente znaša

30.000 €.

- strošek za pelete, kot v (7.6)

6 ∗ 260€ � 1560€ ( 7.6)

- proizvedena količina električne energije, kot v (7.7)

3F� ∗ 8640; � 25920F�; ( 7.7)


32

Enako kot v prvem primeru bomo porabili 4350 kWh električne energije, kar pomeni, da

bomo prodali 21570 kWh električne energije, kot v (7.8).

25920F�; % 4350F�; � 21570F�; ( 7.8)

Odkupna cena električne energije se za mikro STPE do 50 kW na lesno biomaso in

obratovalnim časom nad 4000 obratovalnih ur obravnava na individualni ravni (tabela 4.1).

Gibala naj bi se okoli 280 €/MWh. Ta podatek bomo upoštevali pri izračunu.

- prihodek od električne energije, kot v (7.9)

21570F�; ∗ 0,28 €G)? � 6039€ ( 7.9)

Tabela 7.2: Prikaz stroškov v primeru vgradnje Sunmachine Pellet

Stara naprava Mikro kogeneracija

Poraba/letno Plin 3628 m3 Peleti 6000 kg

Električna

energija

4350 kWh Električna

energija

/

Stroški/letno Plin 2.690 € Peleti 1.560 €

Električna

energija

710 € Električna

energija

(prihodek)

6.039 €

Tabela 7.3: Primerjava med Vitotwin 300 W in Sunmachine Pellet

Vitotwin 300 W Mikro kogeneracija

Poraba/letno Plin 6627 m3 Peleti 6000 kg

Električna

energija

/ Električna

energija

/

Stroški/letno Plin 4.913 € Peleti 1.560 €

Električna

energija

(prihodek)

820 € Električna

energija

(prihodek)

6.039 €


33

Iz izračunov ter dobljenih rezultatov (tabela 7.2; tabela 7.3), vidimo, da je v tem primeru

proizvodnja električne energije veliko višja. Prodamo večjo količino električne energije,

kar pomeni, da je zaslužek večji. Strošek primarnega energenta je nižji v primerjavi z

zemeljskim plinom. Če od prihodka od električne energije odštejemo strošek za pelete,

ostane 4.479 €. Glede na ceno celotnega sistema se nam investicija v tem primeru povrne

v približno osmih letih.


34

8 SKLEP

V diplomski nalogi je opisana vse bolj razširjena uporaba kogeneracijskih sistemov za

pridobivanje toplotne in električne energije. Najbolj so razširjeni večji kogeneracijski

sistemi. Uporaba kogeneracijskih sistemov v družinskih hišah še ni zelo razširjena. V

Evropi se sicer že uporablja, v Sloveniji pa zelo malo. Ugotovljeno je, da je Stirlingov

motor najbolj primeren pogonski agregat za mikro kogeneracijske sisteme.

V diplomski nalogi sta prikazana poraba in stroški primarnega energenta v družinski hiši.

Prikazana je tudi vgradnja dveh različnih mikro kogeneracijskih sistemov ter narejen

izračun ekonomske upravičenost uporabe takšnih sistemov.

Ugotovljeno je bilo, da je uporaba mikro kogeneracijskega sistema na zemeljski plin

ekonomsko neupravičena, kljub temu da so investicijski stroški nižji. Izkaže se, da sta

poraba in s tem povezan strošek zemeljskega plina dokaj velika, delež prodane električne

energije pa je premajhen, da bi pokrili te stroške.

V drugem primeru smo uporabili mikro kogeneracijsko napravo na pelete, ki ima večjo

električno in toplotno moč. Čeprav je investicija v napravo veliko večja kot pri napravi na

zemeljski plin, se je izkazalo, da je vgradnja ekonomsko upravičena. Cena primarnega

energenta je nizka, proizvedene in prodane električne energije je veliko več kot v prvem

primeru. Iz izračunov smo videli, da se nam v tem primeru investicija povrne nekje v

osmih letih.

Če želimo, da mikro kogeneracijski sistemi postanejo še bolj komercialno dostopni, se

morajo cene teh naprav še znižati. Država bi z višjimi subvencijami in z višanjem odkupne

cene električne energije zagotovo spodbudila k bolj razširjeni uporabi mikro

kogeneracijskih sistemov. Če bodo navedeni pogoji v prihodnosti izpolnjeni, pričakujemo,

da bo investicija v te naprave še bolj oziroma popolnoma ekonomsko upravičena. [8]


35

VIRI IN LITERATURA

[1] http://www.cogeneurope.eu/what-is-cogeneration_19.html [29.7.2014]

[2] http://gcs.gi-zrmk.si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT78.htm [2.8.2014]

[3] Strojarski priručnik: 9. Izdanje. Zagreb: Tehnička knjiga Zagreb, 1988.

[4] UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Katedra za energetsko strojništvo – Gospodarjenje z energijo

[5] VEČER Kvadrati, KOGENERACIJA, ponedeljek, 24. februar. 2014, str. 10–12

[6] Borzen, organizator trga z električno energijo, d.o.o. Določanje višine podpor

električni energiji proizvedeni iz OVE in STPE in višine podpor v letu 2014

[7] http://www.adriaplin.si/adriaplin/zemeljski-plin/zemeljski-plin-2/energijska-

vrednost/ [8.8.2014]

[8] Košir, M. Analiza ekonomske upravičenosti ogrevanja z lesno biomaso ob

soproizvodnji toplote in električne energije. Diplomsko delo: Univerza v Mariboru –

Fakulteta za strojništvo, 2010.

[9] http://www.zgs.si/slo/delovna-podrocja/lesna-biomasa/les-kot-gorivo/index.html

[12.8.2014]

[10] http://www.zgs.si/slo/delovna-podrocja/lesna-biomasa/tehnologije-pridobivanja-in-

rabe-lesne-biomase/index.html. [12.8.2014]

[11] http://www.energetika-portal.si/statistika/statisticna-podrocja/elektricna-energija-

cene/ [13.8.2014]

[12] http://www.energetika-portal.si/novica/n/v-prvem-cetrtletju-2014-povisanje-cen-

zemeljskega-plina-za-gospodinjstva-in-znizanje-za-industrij/ [13.8.2014]

[13] http://kek.si/files/2013/03/Vitotwin-300-W-2012-web.pdf [21.8.2014]

[14] Komplet P. udis., Viessmann d.o.o. Modernizacija energetike v družinski hiši z

'nano' kogeneracijsko napravo, Kogeneracija na zemeljski plin in nove tehnologije, 7. 12.

2012, Ljubljana

[15] http://www.biogen.si/peleti/cenik [26.8.2014]


36

PRILOGE

PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV


37

PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA

Documents

UPORABA STIRLINGOVEGA MOTORJA V KOGENERACIJSKE … · Kogeneracija, soproizvodnja toplotne in elektri čne energije ali SPTE, je so časna proizvodnja toplotne in elektri čne energije