9. 8. 2011
Slovenská technická univerzita v Bratislave v rámci výzvy na projekty transferov technológií financovaných zo štrukturálnych fondov Európskej Únie rieši projekt využitia prebytočného tepla z kogeneračných zariadení. V Ústave elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky Fakulty elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave budujeme laboratórium so zameraním na využitie obnoviteľných zdrojov energie. V tomto laboratóriu s rôzne detašovanými pracoviskami budujeme pre výskumné a pedagogické účely rôzne zariadenia – funkčné modely technológií.

 

 

V projekte sa zaoberáme vývojom experimentálneho prototypu zariadenia pre navýšenie elektrického výkonu jestvujúceho kogeneračného zariadenia na základe využitia prebytku tepla. Kogeneračná jednotka s výkonom 200 kWe je využívaná v elektrárenskom režime, pričom ňou produkovaným teplom s výkonom približne 300 kW sa pokrýva spotreba tepla na prípravu teplej úžitkovej vody a čiastočne spotreba tepla na kúrenie. V letných mesiacoch je teda výroba tepla vyššia ako spotreba a preto sa teplo marí chladičom do atmosféry. Táto neupotrebená tepelná energia je teda nežiaducou stratou, ktorú sa snažíme prídavným zariadením zužitkovať premenou na ušľachtilú elektrickú energiu.  Toto experimentálne zariadenie má preskúmať reálne možnosti a praktické limity nasadenia takejto technológie.

Prebytočné teplo z kogenerácie

V rámci riešeného projektu vzniká experimentálne zariadenie, ktoré bude využívať nízkopotenciálové teplo na výrobu elektrickej energie. Na tomto prototype sa bude realizovať aplikovaný výskum, ktorého výstupy budú využiteľné v jednej z prioritných rozvojových oblastí nielen na Slovensku, ale v celosvetovom meradle – energetike na báze obnoviteľných zdrojov energie.

Zariadenie sme navrhli ako doplnok jestvujúcej plynovej kotolne objektu STU v Gabčíkove, v ktorej bola inštalovaná kogeneračná jednotka, ktorá však ak má vyrábať elektrinu v letných mesiacoch, musí mariť teplo v núdzovom chladiči do atmosféry, čo je nie príliš hospodárne. Preto by sa mala podľa nášho návrhu kogeneračná jednotka v čase prebytku tepla tepelne zaťažovať navrhnutým zariadením na báze ORC.

Účelové zariadenie v Gabčíkove je komplex budov ktorý bol postavený v roku 1978. Pôvodne bol určený robotníkom, pri stavbe Vodného diela v Gabčíkove. STU prebrala tieto priestory v roku 1992 a zriadila tam účelové zariadenie (ÚZ) pre vlastných študentov. Toto zariadenie v súčasnosti poskytuje vzdelávacie, a k nim doplnkové ubytovacie, stravovacie a iné sociálne služby fakultám, zamestnancom a všetkým zložkám STU. Na zabezpečenie rôznych servisných činností má ÚZ STU k dispozícií 8 päťpodlažných budov pre ubytovanie. Miesto realizácie projektu je naznačené na ortofotomape na obr.1

obr1

Popis zariadenia

Zariadenie pracuje na princípoch termodynamiky. Organický Rankionov Cyklus – ORC – je v svojej podstate rovnaký ako u tepelných elektrární, ktoré využívajú ako pracovnú látku tepelného obehu vodu/vodnú paru. Pri ORC je ako pracovná látka použité organické médium, ktoré má nízky bod varu („nízko vrúce médium“), a tak na vznik admisnej pary stačí primárny výmenník (parogenerátor – ktorý v analógii nahrádza kotol tepelnej elektrárne) vyhrievať i na teplotu pod 100°C. Čím má byť však táto teplota nižšia, tým väčší problém je nájsť vhodnú pracovnú látku. Zvyčajne nás zaujímajú pracovné látky také ako v obehoch tepelných čerpadiel. Obecne však platí, že účinnosť premeny primárnej tepelnej energie na elektrickú je horšia pri znižovaní systémovej teploty admisnej pary. V prípade potreby využitia tepla z vody kogeneračnej jednotky, kde uvažujeme zvyčajne s tepelným spádom 90/70°C, je predpokladaná účinnosť relatívne malá, nakoľko tepelný spád na turbíne bude zdola prirodzene limitovaný kondenzačnou teplotou danou teplotou média chladiaceho kondenzujúce pary. Zvýšiť účinnosť teda môžeme napríklad náhradou konvenčného, avšak relatívne lacného chladenia atmosférickým vzduchom (napríklad suchým chladičom) – pri ktorom by sa táto teplota v letných mesiacoch mohla pohybovať aj okolo 35°C, za chladenie vodou z vrtu, s relatívne stabilnou teplotou cca 13°C. Takto nie celkom konvenčne využívane nízkopotenciálovú geotermálnu energiu, takže môžeme hovoriť o zariadení pracujúcom tiež i na báze obnoviteľných zdrojov energie. Práve takýmto spôsobom riešime požiadavku čo najvyššej účinnosti nášho zariadenia na báze ORC v účelovom zariadení STU v Gabčíkove. Samotný princíp zvyšovania účinnosti kogenerácie použitím ORC je však možné aplikovať napríklad i na zariadenia bioplynových staníc, kde je už potom možné hovoriť o zariadení na báze obnoviteľných zdrojov energie v pravom a úplnom zmysle.

Inštalovaná kogeneračná jednotka má elektrický výkon 200kW, čomu zodpovedá približne 300kW tepelný výkon pri tepelnom spáde 90/70°C. Táto jednotka v letných mesiacoch pracuje iba do piatich akumulačných zásobníkov (každý 10m3) na prípravu TÚV, pričom najmä v prípade nedostatočnej obsadenosti ubytovacieho objektu je tento výkon neupotrebiteľný a ak chceme vyrábať elektrinu, maríme teplo do atmosféry. Jestvujúcu kogeneračnú jednotku a zásobníky TÚV vidno na nasledovnom obr.2.

obr2a obr2b
obr2c obr2d

Bolo preto navrhnuté zariadenie prototypu experimentálnej jednotky na báze ORC, na ktorom sa majú prakticky preveriť teoretické predpoklady takéhoto prepojenia energetických zdrojov. Realizované zariadenie na báze ORC môžeme vidieť na obr.3

obr3a obr3b obr3c

Záver

Nakoľko v čase písania tohto článku bolo zariadenie testované iba po častiach, nie je možné sumarizovať výsledné charakteristiky, ktoré by boli zrejme najzaujímavejšie. Takéto výsledky sa pokúsime priniesť čo najskôr, po prebehnutí testovacej a skúšobnej prevádzky.

Do budúcna plánujeme vytvoriť i internetový portál s vizualizáciou okamžitého stavu zariadenia a jeho prevádzkových parametrov, ako aj histórie meraných dát s verejným prístupom.

Poďakovanie

Tento príspevok je výsledkom implementácie projektu: Podpora výskumu a transferu technológií v oblasti využitia nízkopotenciálového tepla na výrobu elektriny na STU, ktorý je realizovaný na Slovenskej technickej univerzite v Bratislave (ITMS: 26220220023) a ktorý podporil Operačný program Výskum a vývoj financovaný z fondu ERDF EÚ.

Literatúra

[1]   Janíček, F. et al.: Renewable Energy Sources 1. FEI STU, Bratislava : Renesans, 2009,
ISBN 978-80-89402-05-2

[2]   Janíček, F. et al.: Obnoviteľné zdroje energie 2. FEI STU, Bratislava : Renesans, 2010,
ISBN 978-80-89402-13-7

TEXT/FOTO: Marek Pípa, Juraj Kubica, STU FEI UEAE Bratislava