Nasadenie Stirlingovho motora v rodinnom dome s vyššou potrebou tepelnej energie
9. 12. 2021Modelový príklad predpokladá nasadenie mikrokogeneračnej jednotky na báze stirlingovho motora malého výkonu v rodinnom dome. Stirlingov motor patrí do skupiny zariadení s kombinovanou výrobou elektrickej energie a tepla.
1. POPIS ZDROJA A TECHNICKÁ CHARAKTERISTIKA PROJEKTU
Pre rodinný dom je potrebné zabezpečiť tepelný zdroj na krytie tepelných strát budovy a zabezpečiť zvýšenú potrebu teplej úžitkovej vody (ďalej len „TÚV“). Zároveň má systém zabezpečiť nepretržitú dodávku elektrickej energie pre zariadenie o výkone 1 kWe, ktorý bude plniť funkciu aktívneho záložného zdroja (základná spotreba).
Na základe vypočítaných tepelných strát a ziskov domu je navrhnutý výkon tepelného zdroja 20 kW. Predpokladaná potreba tepelnej energie na krytie tepelných strát je 22 000 kWh.
Zároveň je potrebné zabezpečiť zvýšenú potrebu TÚV. Predpokladaná potreba tepelnej energie je 24 000 kWh, čo odpovedá približne 4 000 hod. / rok prevádzky tepelného zdroja o výkone 6 kWt.
Popis zdroja
Jedná sa o kompaktné, kombinované zariadenie, ktorého súčasťou je Stirlingov motor a vysokoúčinný kondenzačný kotol. Zariadenie slúži na prípravu tepelnej energie na krytie tepelných strát rodinného domu a prípravu TÚV. Tepelný výkon stirlingového motora zodpovedá základnej potrebe rodinného domu a elektrický výkon základnej potrebe elektrickej energie v rodinnom dome. Na pokrytie špičiek počas vykurovacieho obdobia, resp. rýchlu prípravu teplej vody sa použije kondenzačný plynový kotol.
Montáž kompaktného zdroja (Stirlingov motor a kondenzačný kotol) je jednoduchá a je porovnateľná s montážou a inštaláciou bežného plynového kotla. Odvod spalín pre Stirlingov motor je spoločný s odvodom pre kondenzačný kotol. Pripojenie na zemný plyn je tak isto spoločné pre obe zariadenia.
Údržba horákov v kondenzačnom kotle pre špičkovú záťaž je zhodná s údržbou bežného kondenzačného kotla. Stirlingov motor je zapuzdrený, bezúdržbový. Motor nepotrebuje filtre, nie sú potrebné mazivá. Všetky pohyblivé diely sú v hermeticky uzavretom puzdre, ktoré je vyplnené héliom.
Výkon zariadenia (elektrický / tepelný) je zvolený tak, aby sa energia spotrebovala v rámci objektu, bez jeho predaja do verejnej elektrickej, resp. tepelnej siete alebo jej marenia (napr. v dodatkových chladičoch).
Princíp stirlingovho motora
Stirlingov motor je motor s vonkajším spaľovaním – s vonkajším prívodom tepla. Tento princíp umožňuje jeho výbornú súčinnosť s bežným plynovým kotlom, čo umožňuje jeho dobrú regulovateľnosť pomocou plynových horákov. Jedná sa o uzatvorený systém, žiadna látka do motora nevstupuje a ani nevystupuje. Motor je dokonale zapuzdrený.
Prívod tepla z plynových horákov je znázornený červenými šípkami.
Ohriatím teplovýmennej časti motora okolo priestoru (4) dôjde k ohriatiu plynu (napr. hélia) v motore. Ohriatím dôjde k zväčšeniu objemu plynu, zvýšeniu tlaku, čo spôsobí pohyb piesta (1) doprava. Pomocný piest (3) sa presunie smerom dole. Plyn okolo pracovného piesta pretečie z priestoru (4) do priestoru (2). Ďalšia teplovýmenná plocha – tentoraz chladič motora okolo priestoru (2) zabezpečí odovzdanie tepla plynu, cez plášť motora vode. Voda ochladí plyn v priestore (2). Ochladenie plynu spôsobí pokles objemu plynu a pokles tlaku, čo spôsobí pohyb piesta (1) doľava. Pomocný piest (3) sa posunie smerom hore a vytlačí plyn z priestoru (2) do priestoru (4). Cyklus sa opakuje.
Základné parametre kompaktnej jednotky
2. ZÁKLADNÉ VSTUPY A VÝSTUPY
Cieľom analýzy je porovnať plynový kotol na prípravu tepelnej energie a nákup elektrickej energie z verejnej siete s kompaktným zariadením so stirlingovým motorom.
Porovnanie riešení
3. EKONOMIKA PROJEKTU
Cieľom ekonomickej analýzy nasadenia kompaktného zariadenia so stirlingovým motorom je porovnanie nákladov na štandardné (konvenčné) získavania elektrickej a tepelnej energie a nákladov na alternatívne získanie elektrickej a tepelnej energie v zariadení so stirlingovým motorom.
Štandardné riešenie – Elektrická energia pre základné zaťaženie je nakúpená z verejnej siete, príprava tepla na krytie tepelných strát a TÚV prebieha v plynovom kotle. Zvyšná elektrická energia sa nakúpi z verejnej siete.
Alternatívne riešenie – Elektrická energia pre základné zaťaženie je vyrobená v kompaktnom zariadení so stirlingovým motorom, zvyšná elektrická energia sa nakúpi z verejnej siete. Príprava TÚV a tepelnej energie na krytie tepelných strát je vyrobená tiež v kompaktnom zariadení so stirlingovým motorom.
Porovnanie riešení
Ekonomická analýza (štandardné riešenie / riešenie so stirlingovým motorom)
Aby investícia do mikrokogeneračnej jednotky – kompaktného zariadenia so stirlingovým motorom – bola návratná do 10 rokov, investičné náklady musia byť nižšie ako 3 255 €.
Na návratnosť investície nemá významný vplyv ani doba prevádzky zariadenia. Investícia pri celkových investičných nákladoch nad 3255 € je nenávratná ani pri celoročnej nepretržitej prevádzke 8 700 hodín / rok.
Poznámky:
- Investícia do kompaktného zariadenia bude návratná až za predpokladu, že cena kompaktného zariadenia so stirlingovým motorom klesne pod čiastku 3 255 €.
- Ide o prvé komerčné zariadenie tohto druhu dostupné na trhu.
4. VÝHODY PROJEKTU
- Kombinovaná výroba elektriny a tepla
- Cena vygenerovanej elektrickej energie je o viac ak 50% nižšia ako trhová cena elektrickej energie
- Vysoká účinnosť zariadenia
- Vysoká spoľahlivosť jednotky
- Nízka hlučnosť – na úrovni kotla
5. NEVÝHODY A RIZIKÁ
- Vysoké investičné náklady do zariadenia
- Nenávratná investícia do doby 15 rokov
6. ZÁVER
Použitá technológia ako zariadenie na kombinovanú výrobu elektrickej energie a tepla z pohľadu technológie plní svoj účel. Cena vygenerovanej elektrickej energie je viac ako o 50% nižšia ako cena elektrickej energie nakupovanej z distribučnej siete. Využité odpadové teplo je možné použiť na prípravu TÚV.
Aby doba návratnosti zariadenia bola do 10 rokov, cena zariadenia musí byť nižšia ako 3 255 €.
Zdroj: Prevádzkovateľ Internetových stránok