Ilario VIGANI

Jednym z najciekawszych zastosowań z punktu widzenia oszczędności energii jest system oparty na mikroturbinach kogeneracyjnych połączonych z chillerami – w ten sposób możliwa jest tórjgeneracja, pozwalająca na wykorzystanie odpadów termicznych wytworzonych w trakcie pracy maszyn do celów schładzania.

Warto pokazać na czym polega trójgenracja i jej zastosowanie z punktu widzenia chłodzenia / klimatyzacji w oparciu o konkretne zastosowanie, np. w szpitalu, gdzie wymagana jest duża ilość energii elektrycznej, a dodatkowo przydatna jest modulacja natężenia prądu.

Czym są turbiny kogeneracyjne?

Mikroturbina kogeneracyjna to zestaw elementów montowanych razem, który pozwala na jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła. System taki składa się z powiązanych ze sobą instalacji, w które wchodzą mikroturbiny, system konwersji energii elektrycznej oraz system odzysku ciepła. Mikroturbina zbudowana jest z jednej obrotowej części, wału silnika przymocowanego do turbiny, sprężarki powietrza do spalania oraz wirnika generatora elektrycznego. Wał silnika jest zawieszony na bezolejowych łożyskach powietrznych niewymagających smarowania. Powietrze do spalania – po skompresowaniu przez sprężarkę (stopień kompresji 4:1) – jest przesyłane do regeneratora, gdzie uzyskuje ciepło z gazów spalinowych z turbiny, a następnie kierowane jest do komory spalania, gdzie miesza się ze spalinami i rozprzestrzenia w turbinie. Celem regeneratora typu pierścieniowatego, zintegrowanego w bloku silnika jest poprawa sprawności mechanicznej mikroturbiny oraz elektrycznego kogeneratora poprzez podwyższenie temperatury powietrza wchodzącego do komory spalania.

Jak wytwarzana jest energia elektryczna i cieplna w kogeneracji?

Energia elektryczna wytwarzana jest z wysoką częstotliwością (700÷1600 Hz) przez generator z magnesem stałym z dwoma biegunami, połączony integralnie z wałem obrotu. W pierwszej kolejności wytwarzany jest prąd stały, a następnie przekształcany jest na prąd zmienny o napięciu 400V, 50 Hz przez statyczny układ przemiany energii. Nie istnieje w związku z tym system mechanicznego zmniejszenia prędkości obrotowej wału pomiędzy turbiną a generatorem. Wytwarzanie energii zaczyna się z prędkością obrotową 40 000 obr./min (700 Hz), a następnie, wraz ze wzrostem wytwarzanej energii, prędkość obrotowa wału zwiększa się do maksimum – 96 000 obr./min (1600 Hz), utrzymując nominalne wartości wytwarzanej mocy elektrycznej (30 lub 65 kW, w zależności od modelu). Gazy spalinowe z turbiny, po oddaniu ciepła do spalanego powietrza w regeneratorze pierścieniowym, wciąż wykazują wystarczająco wysoką temperaturę, aby zapewnić dobry odzysk termiczny. System kogeneracyjny wyposażony jest w gaz lub wodę odzyskujące ciepło. Bateria jest połączona z mikroturbiną za pośrednictwem komina wyposażonego w zawór kontrolowany opornikami siłowymi. Działanie zaworu spalin jest zarządzane przez układ sterowania kogeneratora w zależności od potrzeb użytkownika. Można także zdecydować czy termiczna kogeneracja ma używać ciepła do produkcji elektrycznej, czy używać energii elektrycznej do produkcji ciepła. Pozwala to na lepsze dostosowanie instalacji do potrzeb danego systemu.

Czym jest trójgeneracja?

Trójgeneracja to jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła oraz zimna za pomocą jednego paliwa. W konwencjonalnych elektrowniach cieplnych w rzeczywistości tylko 1/3 energii paliwa zamieniana jest na energię elektryczną – reszta tracona jest w postaci ciepła. Oczywistym jest także negatywny wpływ na środowisko, wynikający z powstałych w tym procesie odpadów. Idealnym rozwiązaniem, co do „uratowania” pozostałych 2/3 energii jest zwiększenie efektywności produkcji energii elektrycznej. Na przykład poprzez połączone instalacji mikroturbinowej z chillerami absorpcyjnymi, które dają możliwość jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej, ciepła oraz chłodzenia. Chillery absorpcyjne są równie elastyczne, jeśli chodzi o warunki termiczne, co mikroturbiny i mogą pracować nawet w obecności silnych wahań temperatury ciepłej wody. Bardzo często zdarza się także, że produkcja ciepła nie należy do pierwszych potrzeb użytkownika – w takiej sytuacji chiller absorpcyjny musi być w stanie zamienić w chłód to ciepło, które pozostało do dyspozycji.

Inną podstawową cechą trójgeneracji jest to, że absorber zachowuje ciągłość działania i jest w stanie utrzymać stałą temperaturę wyjścia zimnej wody, nie powodując ciągłych wahań termicznych w obiegu ciepłej wody. Typowe zastosowanie do komercyjnego budynku zawiera dwie mikroturbiny, dopasowane do chillera absorpcji, wytwarzające moc elektryczną wynoszącą 120 kW, energię termiczną (woda grzewcza w temperaturze 90/80°C) na poziomie 200 kW oraz chłodzenia (woda lodowa w temperaturze 7/12°C) równą 140 kW. Przestrzeń potrzebna do tego typu elektrowni wraz z wieżą chłodniczą to obszar o wielkości 5x5 metrów. Takie rozwiązanie techniczne jest najbardziej niezawodne, praktyczne i przyjazne środowisku, w szczególności biorąc pod uwagę dzisiejszy krajobraz energetyczn coraz bardziej nastawiony na oszczędne, a zarazem wydajne rozwiązania.

(...)