Aktualny stan rozwoju systemów kogeneracyjnych z silnikami Stirlinga

Zaostrzające się regulacje prawne dotyczące emisji zanieczyszczeń do atmosfery determinują rozwój odnawialnych źródeł energii oraz wymuszają zmniejszanie zużycia, a tym samym oszczędzanie energii pierwotnej. Jednym z kierunków pozwalających na dostosowanie się do tych regulacji jest wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w wysokosprawnej kogeneracji, z uwzględnieniem wykorzystania ekologicznych paliw. Z tego względu w ostatnich latach wzrasta wśród użytkowników zainteresowanie układami kogeneracyjnymi wykorzystującymi technologię opartą na silnikach Stirlinga.

Układy kogeneracyjne z silnikami Stirlinga

Biorąc pod uwagę użytkownika oraz środowisko naturalne do najważniejszych zalet silników Stirlinga należą:

• bardzo duży wybór możliwych do zastosowania źródeł energii, zarówno konwencjonalnych, jak i alternatywnych,
• bardzo niska emisja szkodliwych dla środowiska substancji, wynikająca z możliwości zapewnienia pełnego spalania paliw lub wykorzystania ekologicznych źródeł energii,
• niski poziom hałasu i generowanych drgań,
• wysoka sprawność i wysoki stopień odzyskiwania ciepła, co wpływa na stosunkowo niskie zużycie paliwa.

W świetle zalet charakteryzujących silniki Stirlinga mogą one stać się bardzo konkurencyjne w odniesieniu do klasycznych silników spalinowych, mikroturbin czy ogniw paliwowych, które są stosowane w układach kogeneracyjnych.

Rynek układów kogeneracyjnych wykorzystujących technologię opartą na silnikach Stirlinga w ostatnim dziesięcioleciu podlegał dość dynamicznym zmianom, m.in. poprzez łączenie się i kooperację przedsiębiorstw związanych z tą branżą, co niewątpliwie przyczyniło się do dynamicznego rozwoju tej technologii. Wiele lat badań i rozwoju silników Stirlinga zaowocowało opracowaniem kilku rozwiązań konstrukcyjnych zastosowanych w zespołach prądotwórczych czy zespołach kogeneracyjnych, które są gotowe do wprowadzenia na rynek.

Wśród zespołów kogeneracyjnych z silnikami Stirlinga dostępnych na rynku lub gotowych do wprowadzenia na rynek można wyróżnić dwie grupy:

• zespoły małych mocy (micro- CHP) o zakresie mocy od 0,5 do 10 (15) kW, przeznaczone do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w prywatnych domkach i małych przedsiębiorstwach,
• zespoły średnich mocy (CHP) o zakresie mocy od 20 (25) do 75 (100) kW, przeznaczone do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w budynkach mieszkalnych, obiektach przemysłowych czy gospodarstwach rolnych.

W tabeli 1. zestawiono charakterystyczne dane dotyczące generowanych mocy i osiąganych sprawności współczesnych zespołów kogeneracyjnych z silnikami Stirlinga.

Zespoły kogeneracyjne z czterocylindrowym silnikiem Stirlinga DMC 5

Nowozelandzka firma Whisper Tech Ltd. opracowała i wdrożyła w 2002 roku do seryjnej produkcji zespoły cieplno-energetyczne pod nazwą WhisperGen^TM o mocy w zakresie 0,7–1,2 kW_e (7,5–12 kW_th). W zespołach tych wykorzystywany był czterocylindrowy silnik Stirlinga DMC 5 przedstawiony w pracy [6].Obecnie firma oferuje zespoły kogeneracyjne z silnikami Stirlinga DMC 5 w dwóch wariantach [7]:

• AC WhisperGen^TM zasilane gazem ziemnym, o mocy elektrycznej 1 kW_e i mocy cieplnej 7,5–12 kW_th, przeznaczone do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej na potrzeby gospodarstw domowych i małych przedsiębiorstw (fot. 1.),
• DC WhisperGen^TM zasilane gazem ziemnym, o mocy elektrycznej 0,8 kW_e i mocy cieplnej 5,5 kW_th, przeznaczone do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej na potrzeby łodzi motorowych i żaglowych lub gospodarstw domowych (przedstawione w pracy [6]).

Zespoły WhisperGenTM wytwarzają energię elektryczną ze sprawnością 11–12% oraz ciepło ze sprawnością 80–85%, osiągając przy tym sprawność całkowitą rzędu 90–95% [8].

We wrześniu 2008 roku hiszpańska firma Efficient Home Energy (EHE) z Tuluzy uzyskała prawo do produkcji i dystrybucji na terenie Unii Europejskiej zespołów kogeneracyjnych WhisperGen^®, które trafiają na rynek w Wielkiej Brytanii, Niemczech, Austrii, Belgii, Holandii oraz we Włoszech. Zespoły te zasilane gazem ziemnym przeznaczone są do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w prywatnych domach i niewielkich przedsiębiorstwach.

Szacunkowa liczba zespołów kogeneracyjnych WhisperGen^® zainstalowanych w krajach europejskich w latach 2007–2010 wynosi [9]:

• Niemcy – 249,
• Austria – 56,
• Wielka Brytania – 133,
• Holandia – 107,
• Włochy – 9.

Łącznie zainstalowanych jest już ponad 500 zespołów kogeneracyjnych WhisperGen^®, w większości w prywatnych domach.

Zespoły kogeneracyjne z bezkorbowym silnikiem Stirlinga firmy Sunpower

Brytyjska firma Microgen Engine Corporation, będąca częścią międzynarodowego koncernu BG Group, wprowadza na rynek zespół kogeneracyjny o mocy 1,1 kW_e, w którym zastosowano bezkorbowy silnik Stirlinga opracowany przez amerykańską firmę Sunpower. Domowy zespół energetyczny firmy Microgen (fot. 2.) zasilany jest gazem ziemnym i przeznaczony do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej na potrzeby gospodarstw domowych i małych przedsiębiorstw, przy czym ciepło wytwarzane przez silnik podczas pracy zapewnia ciepło użytkowe i ciepłą wodę [10].

Zespół kogeneracyjny Microgen o mocy 1,1 kWe (15–36 kW_th) osiąga sprawność elektryczną rzędu 28%, a sprawność całkowitą powyżej 90% [10].

Zespoły kogeneracyjne z bezkorbowym silnikiem Stirlinga firmy Infinia

Amerykańska firma Infinia Corporation (poprzednio Stirling Technology Company) opracowała na przełomie 2004 i 2005 roku zespoły cieplno-energetyczne pod nazwą RemoteGen^TM o mocy w zakresie 0,055–3 kWe (zespoły prądotwórcze RG-55 i RG-350 oraz zespół kogeneracyjny RG-1000). W zezespołach tych wykorzystywany był bezkorbowy silnik Stirlinga przedstawiony w pracy [6].

W 2001 roku firma Infinia Corporation (Kennewick, USA) przyznała koncesję na wykorzystanie swojej konstrukcji silnika Stirlinga holenderskiej firmie ENATEC B.V. i japońskiej firmie Rinnai. Firmy te mogą produkować i dystrybuować odpowiednio na rynek europejski i azjatycki układy kogeneracyjne oparte na bezkorbowym silniku Stirlinga Infinia (STC), przeznaczone do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej na potrzeby gospodarstw domowych i małych przedsiębiorstw. Produkty te są przygotowywane do wejścia na rynek w najbliższej przyszłości [11].

W 2007 roku niemiecka firma Bosch Thermotechnik GmbH, holenderska ENATEC Micro-cogen B.V., włoska Merloni TermoSanitari (MTS Group) oraz japońska Rinnai podpisały porozumienie o współpracy w celu opracowania komercyjnego systemu skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. Obecnie, przy współpracy z firmą Infinia Corporation, firmy te rozwijają technologię wykorzystującą bezkorbowy silnik Stirlinga Infinia (STC) do zastosowania w małych zespołach kogeneracyjnych zasilanych gazem ziemnym. Pierwsza generacja tych zespołów kogeneracyjnych o mocy 1 kWe, była testowana w latach 2008–2010. Zespoły produkowane przez firmę Rinnai mają trafić na rynek japoński, natomiast firmy Bosch Thermotechnik i Merloni TermoSanitari (MTS Group) mają zaadaptować to rozwiązanie na rynek europejski. Jak dotychczas produkcja tych zespołów pozostaje w planach, choć zakładano, że w 2011 roku do masowej produkcji wejdzie ich druga generacja [12].

Obecnie firma Infinia Corporation oferuje następujące rozwiązania z silnikami bezkorbowymi [11]:

• zespoły kogeneracyjne o mocy 1–3,2 kW_e zasilane gazem ziemnym, z których ciepło wykorzystywane jest do suszenia lub ogrzewania pomieszczeń i wody (fot. 3.),
• agregaty prądotwórcze o mocy 1–3,2 kW_e zasilane gazem ziemnym, przeznaczone dla małych gospodarstw domowych, 
• agregaty prądotwórcze o mocy 3,2 kW_e zasilane olejem napędowym, przeznaczone do zastosowania w trudnych warunkach eksploatacji,
• systemy prądotwórcze Power Dish^TM o mocy 3,2 kW_e zasilane energią słoneczną.

Zespoły kogeneracyjne firmy Infinia Corporation wytwarzają energię elektryczną ze sprawnością około 30%, osiągając sprawność całkowitą rzędu 95% [11].

Z kolei firma Bosch Thermotechnik GmbH, należąca do konsorcjum Bosch Group, opracowała zespół kogeneracyjny o mocy 1 kW_e (3–24 kW_th), w którym zastosowany jest bezkorbowy silnik Stirlinga opracowany przez amerykańską firmę Infinia (STC) [12]. Urządzenie to, zasilane gazem ziemnym, przeznaczone jest do wytwarzania ciepłej wody, ciepła użytkowego i energii elektrycznej na potrzeby domków jednorodzinnych i małych przedsiębiorstw.

Pierwsza generacja tych urządzeń z wbudowanym zbiornikiem gorącej wody testowana była w latach 2008–2010, a w 2011 roku planowane jest wprowadzenie na rynek drugiej generacji tych urządzeń (fot. 4.), w których zastosowano zewnętrzny zbiornik gorącej wody [13].

Zespół kogeneracyjny firmy Bosch Thermotechnik GmbH o mocy elektrycznej 1 kWe i mocy cieplnej 3–24 kW_th osiąga sprawność elektryczną na poziomie 13%, sprawność cieplną na poziomie 82%, a sprawność całkowitą rzędu 95% [13].

Zespoły kogeneracyjne z silnikiem Sigma Stirling typu ß

Brytyjska firma Disenco Ltd., współpracująca ze szwedzką firmą Kockums AB oraz norweską firmą Sigma Elektroteknisk nad rozwojem konstrukcji silnika Sigma Stirling, wprowadza na rynek urządzenie kogeneracyjne Disenco HomePowerPlant o mocy 3 kW_e (12–18 kW_th) [14]. Urządzenie to, zasilane gazem ziemnym, przeznaczone jest do wytwarzania ciepłej wody, ciepła użytkowego i energii elektrycznej na potrzeby domków jednorodzinnych i małych przedsiębiorstw, a zastosowano w nim silnik Stirlinga typu ß.

Urządzenie kogeneracyjne Disenco HomePowerPlant (rys. 1.) o mocy elektrycznej 3 kW_e i mocy cieplnej 12–18 kW_th osiąga sprawność elektryczną na poziomie 15%, sprawność cieplną na poziomie 87%, a sprawność całkowitą rzędu 92% [14].

Zespoły kogeneracyjne z silnikiem Stirlinga v.161 typu β

Niemiecka firma SOLO Kleinmotoren GmbH (w 2004 roku przekształcona w firmę SOLO Stirling GmbH) opracowała i wdrożyła w 2002 roku do seryjnej produkcji zespoły cieplnoenergetyczne pod nazwą SOLO Stirling 161 microCHP-Module o mocy w zakresie 2–9 kW_e (8–26 kW_th). W zespołach tych wykorzystywany był silnik Stirlinga SOLO Striling 161 przedstawiony w pracy [5].

Firma SOLO Stirling GmbH została w 2008 roku przekształcona w firmę Cleanergy (Gothenburg, Szwecja). W 2009 roku Cleanergy przeniosła produkcję silników Stirlinga z Niemiec do nowo wyremontowanych zakładów w Szwecji, w celu zwiększenia produkcji. Obecnie firma oferuje następujące rozwiązania z silnikami Stirling v.161 [15]:

• zespół kogeneracyjny zasilany biogazem i gazem ziemnym – o mocy elektrycznej 2–9 kW_e i mocy cieplnej 8–26 kW_th (fot. 5.),
• system Solar Dish Stirling zasilany energią słoneczną – o mocy elektrycznej 9 kW_e (fot. 6.).

Zespoły te przeznaczone są do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej dla średnich przedsiębiorstw.

Jednostki Cleanergy’s Stirling charakteryzują się bardzo długą żywotnością, wysoką sprawnością oraz są przyjazne dla środowiska. Wytwarzają one energię elektryczną ze sprawnością 24–26% oraz ciepło ze sprawnością 65–75%, osiągając sprawność całkowitą rzędu 92–96% [16].

Zespoły kogeneracyjne z czterocylindrowym silnikiem Stirlinga SD4-E

Duńska firma Stirling DK opracowała i wdrożyła w 2006 roku zespoły cieplno-energetyczne (fot. 7.) o mocy 35 kWe (140 kW_th), które do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej wykorzystują praktycznie każde źródło wysokiej temperatury. W zespołach tych wykorzystywany jest silnik Stirlinga SD4-E.

W głównej mierze silniki te zasilane są ciepłem spalania różnego rodzaju biomasy i biopaliw gazowych, i mogą znaleźć zastosowanie do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w gospodarstwach rolnych, niewielkich obiektach przemysłowych, budynkach mieszkalnych oraz budynkach użyteczności publicznej, takich jak szkoły, szpitale, supermarkety czy hale sportowe [18].

Silnik Stirlinga SD4-E (rys. 2.) jest to czterocylindrowy silnik dwustronnego działania, skonstruowany jako jednostka hermetycznie zamknięta. Cylindry usytuowane są pionowo w dwóch rzędach w taki sposób, że ich osie ustawione są w kwadracie. Alternator umieszczony jest w hermetycznej ciśnieniowej skrzyni korbowej. W celu uniknięcia zanieczyszczenia olejem czynnika roboczego, a tym samym wymienników ciepła (nagrzewnicy i regeneratora), zastosowano bezolejową konstrukcję skrzyni korbowej. Z tego względu układ korbowy ułożyskowany jest na zamkniętych łożyskach tocznych, a uszczelnienia tłoka i trzonu tłoka wykonane są z tworzyw na bazie PTFE. Specjalny mechanizm korbowy eliminuje występowanie siły normalnej na tłoku i wodziku, która jest nieunikniona w konwencjonalnym mechanizmie korbowym [18].

Czterocylindrowy silnik Stirlinga dwustronnego działania SD4-E charakteryzują następujące parametry [19]:

• objętość skokowa cylindra – 1204 cm³,
• średnica cylindra – 142 mm,
• skok tłoka – 76 mm,
• prędkość obrotowa – 1010 obr./min.

Gazem roboczym jest hel o średnim ciśnieniu 4,5 MPa.

Zespoły kogeneracyjne mogą być ze sobą łączone, co pozwala na zwiększenie generowanej mocy. Firma Stirling DK standardowo oferuje rozwiązania od 1 do 4 połączonych zespołów (fot. 8.), co zapewnia uzyskanie mocy od 35 kW_e (140 kW_th) do 140 kW_e (560 kW_th) [18].

Obecnie w Europie pracuje 9 instalacji z silnikami firmy Stirling DK: po trzy w Danii i w Niemczech oraz po jednej w Austrii, we Włoszech i w Irlandii. W tym roku planowane jest uruchomienie kolejnych instalacji w Danii i Niemczech oraz w Irlandii i w Wielkiej Brytanii.

Zespół kogeneracyjny firmy Stirling DK o mocy elektrycznej 35 kW_e i mocy cieplnej 140 kW_th osiąga sprawność elektryczną na poziomie 18%, a sprawność całkowitą rzędu 90% [19].

Zespoły kogeneracyjne z czterocylindrowym silnikiem Stirlinga STM 4-120

Amerykańska firma STM Power Inc. opracowała i wdrożyła w 2003 roku do seryjnej produkcji zespoły cieplnoenergetyczne pod nazwą PowerUnitTM o mocach 25 kWe (44 kWth) oraz 55 kWe (91 kWth). W zespołach tych wykorzystywany był silnik Stirlinga STM 4-120 przedstawiony w pracy [5].

Firma STM Power Inc. została w lipcu 2007 roku przekształcona w firmę Stirling Biopower Inc. (Ann Arbor, USA). Obecnie firma oferuje zespoły kogeneracyjne z silnikami Stirlinga STM 4-120 pod nazwą FleXgen^TM G38 o mocy 38 kW_e (65 kW_th) przy częstotliwości 50 Hz oraz FleXgen^TM G43 (rys. 3.) o mocy 43 kW_e (79 kW_th) przy częstotliwości 60 Hz [20]. Zespoły te oferowane są m.in. przez węgierską firmę FlexEnergy Ltd. z Budapesztu [21], a wykorzystywane są m.in. przez niemiecką firmę Qalovis Farmer Automatic Energy z Laer [4]. Znajdują one zastosowanie do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w gospodarstwach rolnych, niewielkich obiektach przemysłowych, budynkach mieszkalnych oraz budynkach użyteczności publicznej, takich jak szkoły, szpitale, supermarkety czy hale sportowe.

Zespoły kogeneracyjne FleXgen^TM budowane są w dwóch wersjach [4]:

• seria G – z systemem zasilania i spalania paliwa gazowego, zasilana paliwami gazowymi, np. gazem ze składowisk odpadów czy gazem z biomasy roślinnej,
• seria H – bez systemu zasilania i spalania paliwa, zasilana gorącymi gazami pochodzącymi np. z palenisk biomasy, jak również wysokotemperaturowymi spalinami wylotowymi.

Zespoły te wytwarzają energię elektryczną ze sprawnością 27–29%, a w przypadku zastosowania jako zespoły kogeneracyjne (CHP) osiągają sprawność całkowitą rzędu 81% [1].

Podsumowanie

Według raportu European Climate Foundation [3] w 2007 roku energia pozyskana z biomasy i z biogazów stanowiła 60% całkowitej energii pozyskanej z odnawialnych źródeł energii i pozostanie ona na tym poziomie do 2020 roku. W raporcie tym założono, że do 2020 roku ponaddwukrotnie wzrośnie pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych w porównaniu z rokiem 2007, tj. z wartości 1330 TWh do wartości 3030 TWh. Jest to zgodne z założeniami strategii Unii Europejskiej, że do 2020 roku odnawialne źródła energii mają pokrywać 20% całkowitego zużycia energii (w roku 2007 stanowiły one 9,95%).

Ponadto w raporcie założono również, że pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych w 2020 roku (w porównaniu z rokiem 2007) będzie rozkładać się następująco [3]:

• energia wytwarzana przez turbiny wiatrowe – 370 TWh (100 TWh),
• energia wytwarzana w elektrowniach wodnych – 350 TWh (310 TWh),
• pozostałe odnawialne źródła energii, obejmujące źródła geotermiczne, słoneczne oraz energię pływów i falowania morskiego – 280 TWh (30 TWh),
• biopaliwa w transporcie – 380 TWh (90 TWh),
• biomasa i biogazy – 1650 TWh (800 TWh).

Uwzględniając powyższe wyraźnie widać bardzo duże możliwości rozwoju systemów energetycznych wykorzystujących biomasę i biogazy, gdyż pozyskiwanie energii z tych źródeł ma wzrosnąć o około 850 TWh do roku 2020. Jest to niewątpliwie ogromna szansa rozwoju układów kogeneracyjnych z silnikami Stirlinga, które umożliwiają wykorzystanie biomasy i biogazów do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej z odpowiednio wysoką sprawnością.

W Polsce rozwój kogeneracji uwarunkowany jest w głównej mierze czynnikami ekonomicznymi, które zależą od ceny paliwa stosowanego w układzie kogeneracyjnym oraz od cen sprzedaży wytworzonej energii elektrycznej. Konieczne jest zatem wprowadzenie odpowiednich regulacji prawnych w postaci premii, ulg czy dopłat, podobnie jak w Niemczech, Wielkiej Brytanii czy w Irlandii, gdzie przykładowo cena gazu zużywanego do produkcji energii elektrycznej w skojarzeniu jest zdecydowanie niższa od ceny gazu zużywanego do innych potrzeb. Odpowiednie formy wsparcia dla produkowania energii elektrycznej w skojarzeniu są warunkiem koniecznym dla szybkiego rozwoju kogeneracji, szczególnie z wykorzystaniem paliw ze źródeł odnawialnych.

Literatura

1. Anaerobic Digestion and Combined Heat and Power. Feasibility Study. Prepared for Town of Fairhaven, Massachusetts Board of Public Works, 2008.
2. Aprile Marcello: The market potential of micro-CHCP. PolySMART (http://www.polysmart.org), 2009.
3. Biomass for heat and power – opportunity and economics. Raport European Climate Foundation (http://www.europeanclimate.org), 2010.
4. Qalovis Energy Introduction and FleXgen Overview. Qalovis Farmer Automatic Energy (http://www.qalovis.com), 2011.
5. A. Zmuda, Przegląd i perspektywy rozwoju systemów kogeneracyjnych z silnikami Stirlinga (część 1.), „elektro.info” nr 11/2007.
6. A. Zmuda, Przegląd i perspektywy rozwoju systemów kogeneracyjnych z silnikami Stirlinga (część 2.), „elektro.info” nr 12/2007.
7. Whisper Tech Limited (http://www.whispergen.com).
8. Produktdatenblatt Sanevo WhisperGen – Sanevo Vertriebs-GmbH & Co. KG (http://www.sanevo.de), 2010.
9. Sanevo Vertriebs-GmbH & Co. KG (http://www.sanevo.de).
10. Microgen Engine Corporation Limited (http://www.microgen-engine.com).
11. Infinia Corporation (http://www.infiniacorp.com).
12. Bosch Thermotechnik GmbH (http://www.bosch-thermotechnology.com).
13. Combined Heat and Power – Stirling Technology. Current status of development at Bosch Thermotechnology, 2008.
14. Disenco Limited (http://www.disenco.com)
15. Cleanergy Industries (http://www.cleanergyindustries.com).
16. Stirling v.161. Combined Heat and Power Unit. Cleanergy Industries, 2009.
17. Dish Stirling Activities at Schlaich Bergermann und Partner. Cleanergy Industries, 2007.
18. Stirling DK (http://www.stirling.dk).
19. Highly Efficient Small-Scale Power Production. Stirling DK, 2009.
20. Stirling Biopower Inc. (http://www.stirlingbiopower.com).
21. FlexEnergy Limited (http://www.flexenergy.hu/en/products.html).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!