Využití kogeneračních mikrojednotek Mikro-zdroje - Energetické produkce v domácnostech Přehled mikro-kogeneračních jednotek

Cíl presentace: Proč bychom se měli zajímat o mikro-zdroje, o KVET? Co je domácí kogenerace? Současný stav - technologie. Co se musí změnit?

Proč bych se měli zajímat o mini a mikro zdroje - KVET 1 Vysoké využívání uhlíkových-vodíkových paliv 2 Nízká účinnost transformace PEZ na elektřinu 3 Náklady na řízení a ztráty v energetických sítích 4 Dominantní postavení zisku

Co jsou mikro-zdroje?

Co jsou mikro-zdroje?

Proč usilovat o domácí energetickou výrobu? Může pomoci dosáhnout smysluplné splnění účelové funkce systému – zvláště zredukovat uhlíkové emise Výzva pro spotřebitele – budou moci být více aktivní v otázce své energetické samostatnosti Vyhovuje obecným zásadám politiky – provádět lokálně; vzájemné spojenectví mezi státem a individualitou (komunitami). Podpoří úlohu individualismu osobnosti?

Mikroenergetická vize Politická Domácí energetické zdroje a lokální distribuční sítě mají potenciál podnítit přirozené lidské snahy. Mnoho lidí je ochotno převzít vlastní zodpovědnost k životnímu prostředí.

Mikroenergetická vize Technická Distribuovaná energetika může změnit samotnou podstatu fungování energetických sítí, zvláště elektrizačních, tj. obrátit diktát monopolů směrem k demokratickému trhu. Přidejme k mikro-generátorům trochu více informačních technologií a budou schopné svého vlastního monitorování i komunikace s ostatními zdroji v síti.

Mikro-energetická vize Výchovná Energetická domácí výroba nutí veřejnost aktivně se spolupodílet na omezení znečistění životního prostředí, což je lepší než pasivní energetická spotřeba zatížená restriktivními opatřeními. Je to pořád výhodnější, než se smířit s apatickým konstatováním „co můžeme dělat ?“, jak je také často veřejnosti vštěpováno mediálními akcemi. Manifest Energetické Mikro-výroby (Říjen 2004)

Domácí kogenerace = = mini a mikro-kogenerace

Výhody decentralizovaných KVET  vyšší využití primárních zdrojů,  snadná dostupnost paliva,  zmenšení závislosti na oscilaci cen elektřiny,  zmenšení ztrát při dopravě,  snížení produkcí emisí,  soustředění jednotlivých prvků KS,  vysoká spolehlivost při zajištění dodávky,  snadná regulace,  jednoduchý návrh a optimalizace provozu,  minimální nároky na údržbu,  možnost využití už realizovaných dopravních systémů

Nevýhody decentralizovaných KS Snížená efektivnost vlivem nesoudobosti DZ, vysoké investiční náklady KJ, malá vyspělost kogeneračních technologií, malý trh s kogeneračními KS technologiemi, nevyřešená legislativa související s provozem.

Jak zajistit pokrytí spotřeby?

Požadavky na mikro-kogeneraci velikost váha Vypadá jako kotel Pracuje jako kotel Dělá hluk jako kotel Spoří peníze TUV UV Podle potřeb tichá nižší platba za elektřinu vyšší celková účinnost přijatelné investiční náklady spolehlivost jednoduchá a levná údržba CO2 úspora PALIVO

Současný stav – technologie Bariéry k překonání Ekonomické: vysoké investiční náklady, dlouhá doba návratnosti Technologie: některé technologie nejsou ještě ve stadiu komerčního využití Podpora: obtížné získání podpory, nutnost přesného plánování Informace a zkušenosti: nedostatek informací založených na provozních zkušenostech

Jak realizovat KVET ? Minulost: hlavně centralizovaná KVET Oběhy s parní turbínou Oběhy s plynovou turbínou Kombinovaný cyklus (paroplyn) Současnost: počátky decentralizované KVET KVET na bázi pístových spalovacích motorů Zavádění nových technologií Budoucnost: hlavně decentralizovaná KVET ORC cyklus Mikroturbíny Stirlingův motor Parní motor (SteamCell) Palivové články, hybridní systémy (FC + plynová turbína)

Rozdělení technologií Nepřímá přeměna: pal.  tep.  mech.  elektřina Přímá přeměna: pal.  elektřina

Přímá přeměna

Výhody palivových článků pro KVET Palivové články mají vysokou elektrickou účinnost Palivové články jsou vhodným řešením zdrojů pro Smart Grids Můžou být decentralizovanými zdroji pro potřeby centrálních elektrizačních sítí

Články PEM - Vilant PEM články (proton exchange membrane fuel cells) – membránové nízkoteplotní, které potřebují pro reakci vodíkové palivo a membrány. U článku PEM je problém s výrobou a udržováním čistoty PC. Výrobci těchto membrán jsou hlavně v Japonsku a USA. Pe Pq Typ PC he hq hluk sevis rozměry váha cena [kWe] [kWt] - [%] [db] [hod] [cm] [kg] [€] 1,5-4,6 1,5-7 PM 35 50 8 000 55x55x160 170

 Ebara Ballard Corporation Pe Pq Typ PC he hq hluk servis rozměry váha cena [kWe] [kWt] - [%] [db] [hod] [cm] [kg] [€] 1 1,5 PEM 35 48 40 000 8500

Články SOFC - SULZER HEXIS SOFC články (solid oxide fuel cells) - vysokoteplotní články pracující s elektrolytem tvořeným z oxidů vybraných kovů. Jejich výhodou je, že nepotřebují pro reakci drahé materiály. Mohou používat přímo plyn nebo využívat vnitřního reformingu. Jejich relativní nevýhodou je delší doba náběhu na jmenovité parametry .

Ceramic Fuel Cells Limited Pe Pq Typ PC he hq hluk sevis rozměry váha cena [kWe] [kWt] - [%] [db] [hod] [cm] [kg] [€] 1 SOFC 40 45 8 000 70x60x120 170

THE ene.field PROJECT Největší demonstrační projekt využití palivových článků pro micro-KVET v domácnostech Více jak 1,000 residenčních palivových jednotek v 12 zemích Doba trvání projektu 2012 -2017 26 účastníků Výrobci – Energetické společnosti – Výzkumné instituty Použité PČ jsou nízko a vysokoteplotní PEM články a SOFC články

Dodavatelé jednotek

Nepřímá přeměna Stirling kinematické – pro předávání momentu mezi motorem a generátorem používají klikový mechanismus, lineární (Free-Piston Stirling Engines –FPSE) - nemají klikový mechanismus, takže vystačí s jednoduchou mechanickou konstrukcí. Předností lineárního motoru je hlavně skoro nulová potřeba údržby, vysoká účinnost a dlouhá životnost.

Stirling - principy

Mikrogen Jednotka Microgen je vyvíjena společností BG Group – US (Sunpower). Firma spolupracuje s Japanese Rinnai Corporation – zařízení na výrobu tepla z plynu. Provedení jednotky je nástěnné a umožňuje pokrýt dodatečné nároky na teplo (bez použití tepelného zásobníku).

Parní článek Parní články využívají možností uzavřených parních oběhů - Rankine-Clausiův oběh OTAG GmbH & CO KG

Parní článek Spalování v keramickém materiálu – vyšší výkony Engion

Motory s vnitřním spalováním Baxi Dachs (5.5kWe) Ecopower (5kWe) EC Power (4-13kWe) Honda (1kWe)

Co potřebujeme změnit? Daně: - Osvobození od placení ekologických daní pro fyzické osoby Technické podmínky: - Vzájemná spolupráce s energetickými sítěmi - Systém řízení mikro-sítí a domácích výrobců - Informovanost pro potenciální výrobce Státní zájem: - Pilotní projekty - Podpora výzkumu - Vyhodnocování

Co se musí změnit ? Energetické služby Musíme najít způsob, jak vytvořit vzájemnou motivující vazbu mezi zákazníky a dodavateli, abychom mohli snížit energetické požadavky. Snažme se změnit chování energetických dodavatelů z čistě prodejního postoje na poskytování energetických služeb.

Ekonomika provozu Hlavní otázky: Velikost spotřeby elektřiny a tepla, vzájemný poměr Tvar křivky zatížení (Pmax, Pstř, Pmin) Dostupné palivo, kvalita tepla, spolehlivost → Použitá technologie → Koncepce KVET systému (KJ, kotel) → Provozní režim

Možnosti optimalizace Zrovnoměrnění spotřeby tepla: Během roku: TRIGENERACE (KVET + absorpční chlazení) Během dne: TEPELNÝ AKUMULÁTOR Správná volba KVET systému: Skladba (počet a výkon zdrojů) Provozní režim (sledování Pel, Ptep, kombi)

Data spotřeby Východisko pro sestavení RDZ: Aproximace měsíčních spotřeb – jednoduché, ale obecně nedostatečně přesné Typický průběh denního zatížení pro jednotlivé měsíce (pracovní den, volný den) – přesné, ale pracné sestavení DZ Aproximace měsíčních spotřeb + modulace sinusoidy – relativně jednoduché a přitom přesné

Typické zátěžné profily Charakteristický tvar křivky pro určitý typ spotřebitele

Doplnění týdenní fluktuace Aproximace + sinus Doplnění týdenní fluktuace

Sinusoida modelového případu P(t) = Pstř(t) + 0,35·Pstř(t)·sin(2πt/24 – 0,8) Poměr spotřeby o víkendovém a pracovním dnu: = 0,62

Návrh skladby a provozu systému Možnost využití počítačového modelování: Optimalizační model: hledání optimální varianty pro zadané vnější parametry na základě definice cílové funkce Simulační model: citlivostní analýza vybrané varianty (změna výsledných hodnot při změně vnějších parametrů)

Simulačně-optimalizační model Finální řešení Vnější parametry Nejlepší OV Simulačně- optimalizační model Celkově nejlepší řešení Specifikace úlohy Nejlepší KVET-Pel Nejlepší KVET-Ptep Databáze zdrojů Citlivostní analýza

Návrh skladby a provozu systému Možnost využití počítačového modelování: Optimalizační model: hledání optimální varianty pro zadané vnější parametry na základě definice cílové funkce Simulační model: citlivostní analýza vybrané varianty (změna výsledných hodnot při změně vnějších parametrů)

Obecné výsledky modelování Kombinace 1 KJ + 1 K je zpravidla pro DKVET ekonomicky nejvýhodnější Výkon KJ dimenzovat cca na střední zatížení (Pstř), nikoliv na Pmax, ani Pmin Výsledky pro provoz KJ dle Pel a dle Ptep jsou obdobné – vychází stejná optimální skladba KVET systému PP preferuje levnější varianty (menší jednotkový výkon, vysoká hodnota Tmax) LCC preferuje dlouhodobě výhodnější varianty (střední výkon) Výsledky dle PP a dle LCC však NEJSOU diametrálně odlišné (výhodné varianty dle PP mají obvykle příznivé i LCC a naopak)

Závěr Energetická mikro-výroba má obrovský potenciál, většinou jen obecně uznávaný Možnost využití technologií ja závislá na místě, typu zákazníka a typu domácnosti (budovy) – příliš brzo na definice možnosti využití Současná politika chápe význam, ale neumožňuje podporu energetické mikro-výroby v širším měřítku tak, aby to bylo stimulující Budou nutné reformy, aby mohly být podpořeny a zavedeny energetické služby

Děkuji za pozornost