Obr. 1 Mikrokogeneraฤnรก jednotka s palivovรฝmi ฤlรกnkami b pohฤพad na integrovanรฝ kondenzaฤnรฝ kotol โ€“ spodnรก ฤasลฅ jednotky
Galรฉria(11)

Testovanie mikrokogeneraฤnej jednotky v rodinnom dome

Partneri sekcie:

ฤŒlรกnok sa zaoberรก ลกtรบdiou moลพnosti inลกtalรกcie mikrokogeneraฤnej jednotky s palivovรฝmi ฤlรกnkami na zemnรฝ plyn v rodinnom dome. Dlhodobou testovacou prevรกdzkou v laboratรณrnych podmienkach sa overovali vรฝkonovรฉ a emisnรฉ parametre mikrokogeneraฤnej jednotky v ustรกlenรฝch a prechodovรฝch reลพimoch, ktorรฉ mรดลพu nastaลฅ pri prevรกdzke v rodinnom dome.

Ako podklady slรบลพili nameranรฉ hodnoty potreby tepla aย elektrickej energie vย reรกlnom rodinnom dome. รšdaje sa zaznamenรกvali poฤas celรฉho roka 2018 aย slรบลพili na vytvorenie zaลฅaลพovacieho algoritmu.

Dlhodobรฝm testovanรญm sa potvrdila nรกroฤnosลฅ sprรกvneho nรกvrhu inลกtalรกcie mikrokogeneraฤnej jednotky vย rodinnom dome, aย to vzhฤพadom na jej ลกpecifikรก, ako sรบ vรฝrazne premenlivรก spotreba elektrickej aย tepelnej energie vย zรกvislosti od roฤnรฉho obdobia ฤi dennรฉho reลพimu obyvateฤพov domu.

Kogenerรกcia je zdruลพenรก vรฝroba elektrickej energie aย tepla vย jednom technologickom zariadenรญ. Vย sรบฤasnosti si kogeneraฤnรฉ jednotky nachรกdzajรบ svoje uplatnenie aj vย inลกtalรกciรกch, kde sa poลพaduje nรญzky elektrickรฝ aย tepelnรฝ vรฝkon, naprรญklad vย rodinnรฝch domoch alebo vย menลกรญch objektoch.

Vย tรฝchto oblastiach sa uplatลˆuje mikrokogenerรกcia, ฤiลพe kogenerรกcia sย maximรกlnym elektrickรฝm vรฝkonom do 50 kWe. Okrem tradiฤnรฝch motorov sย vnรบtornรฝm spaฤพovanรญm prichรกdzajรบ na trh aj novรฉ technolรณgie pre kogeneraฤnรฉ jednotky, naprรญklad palivovรฝ ฤlรกnok, Stirlingov motor, parnรฝ stroj, mikrospaฤพovacie turbรญny aย podobne.

Tieto jednotky sรบ schopnรฉ dosahovaลฅ elektrickรฝ vรฝkon od 0,6 kWe aย tepelnรฝ vรฝkon od 1,0 kWt (naprรญklad vย prรญpade pouลพitia palivovรฝch ฤlรกnkov). Filozofia ich pouลพitia spoฤรญva vo vรฝrobe tepla na pokrytie tepelnรฝch strรกt objektu aย na prรญpravu teplej vody, ako bonus zรญskava uลพรญvateฤพ elektrickรบ energiu.

Vyrobenรก elektrickรก energia nie je primรกrne urฤenรก na predaj, spotrebovรกva sa priamo vย mieste vรฝroby, preto elektrickรฝ aย tepelnรฝ vรฝkon mikrokogeneraฤnej jednotky musia ฤo najlepลกie kopรญrovaลฅ potreby danรฉho objektu.

Rodinnรฝ dom je ako miesto inลกtalรกcie mikrokogeneraฤnej jednotky pomerne ลกpecifickรฝ, aย to pre svoju vรฝrazne premenlivรบ spotrebu elektrickej aย tepelnej energie, ktorรบ moลพno vopred len ลฅaลพko predpokladaลฅ, preto je zloลพitรฉ zosรบladiลฅ elektrickรฝ aย tepelnรฝ vรฝkon mikrokogeneraฤnej jednotky sย potrebou rodinnรฉho domu.

Vย dneลกnej dobe inteligentnรฝch technolรณgiรญ pouลพรญvanรฝch vย rodinnรฝch domoch vลกak moลพno uลพ pri nรกvrhu inลกtalรกcie mikrokogeneraฤnej jednotky poznaลฅ reรกlnu spotrebu elektrickej aย tepelnej energie vย danom objekte poฤas celรฉho roka zย jednoduchรฝch meranรญ, ktorรฉ tieto technolรณgie poskytujรบ.

Tieto dรกta predstavujรบ vstupnรฉ รบdaje na vรฝpoฤet poฤtu prevรกdzkovรฝch hodรญn mikrokogeneraฤnej jednotky vย roku, zaลฅaลพovateฤพa aย zย toho vyplรฝvajรบce mnoลพstvo vyprodukovanรฉho tepla aย elektrickej energie aย vย neposlednom rade aj ฤasu nรกvratnosti investรญcie.

Obr. 1 Mikrokogeneraฤnรก jednotka s palivovรฝmi ฤlรกnkami a) pohฤพad na modul palivovรฝch ฤlรกnkov โ€“ vrchnรก ฤasลฅ jednotky
Obr. 1 Mikrokogeneraฤnรก jednotka s palivovรฝmi ฤlรกnkami b pohฤพad na integrovanรฝ kondenzaฤnรฝ kotol โ€“ spodnรก ฤasลฅ jednotky
Obr. 1 Mikrokogeneraฤnรก jednotka s palivovรฝmi ฤlรกnkami c zostava mikrokogeneraฤnej jednotky
Obr. 2 ล tart mikrokogeneraฤnej jednotky studenรฝ ลกtart mikrokogeneraฤnej jednotky
Obr. 2 ล tart mikrokogeneraฤnej jednotky ลกtart zo stand by reลพimu
Obr. 3 Priebeh elektrickรฉho a tepelnรฉho vรฝkonu poฤas reลพimu palivovรฉho ฤlรกnku
Obr. 4 Priebeh elektrickรฉho a tepelnรฉho vรฝkonu poฤas kombinovanรฉho reลพimu
Obr. 5 Priebeh potreby elektrickej a tepelnej energie

Modelovรฝ rodinnรฝ dom

Rodinnรฝ dom, vย ktorom sa uvaลพovalo oย inลกtalรกcii mikrokogeneraฤnej jednotky sย palivovรฝmi ฤlรกnkami na zemnรฝ plyn, predstavuje novostavbu obรฝvanรบ ลกtvorฤlennou rodinou vย blรญzkosti ลฝiliny. Ide oย dvojpodlaลพnรฝ dom sย plochou strechou so zastavanou plochou 100 m2, postavenรฝ vย nรญzkoenergetickom ลกtandarde.

Rodinnรฝ dom je vybavenรฝ smart technolรณgiami pre inteligentnรฉ domy, ktorรฉ poskytujรบ nielen vรฝrazne vyลกลกรญ komfort bรฝvania, ale vย tomto prรญpade aj dรดleลพitรฉ dรกta oย spotrebe elektrickej energie aย tepla poฤas ktorรฉhokoฤพvek obdobia vย roku.

Vย sรบฤasnosti sa vย dome ako zdroj tepla na vykurovanie aย prรญpravu teplej vody vyuลพรญva kondenzaฤnรฝ kotol na zemnรฝ plyn, elektrickรก energia sa dodรกva zย vonkajลกej rozvodnej elektrickej siete.

Princรญp testovania

รšdaje oย spotrebe elektrickej aย tepelnej energie sa zaznamenรกvali poฤas celรฉho roka 2018 aย slรบลพili na vytvorenie zaลฅaลพovacieho algoritmu, podฤพa ktorรฉho bola mikrokogeneraฤnรก jednotka sย palivovรฝmi ฤlรกnkami zaลฅaลพovanรก vย laboratรณrnych podmienkach ลฝilinskej univerzity.

Za elektrickรบ zรกลฅaลพ tejto jednotky slรบลพil odpornรญk (reostat โ€“ rezistor sย plynulo meniteฤพnรฝm elektrickรฝm odporom, elektrickรก energia sa premieลˆa na teplo), teplo sa marilo vย teplovzduลกnej jednotke alebo vย doskovom vรฝmennรญku ochladzovanom prietokovรฝm termostatom.

Prevรกdzka aย meranie elektrickรฉho aย tepelnรฉho vรฝkonu mikrokogeneraฤnej jednotky prebiehali vย automatickom reลพime, vลกetky konลกtanty aย nastavenia sa zรญskali zo zaลฅaลพovacieho algoritmu.

Tento algoritmus predpokladรก vย sรบฤasnosti vyuลพitie tepla zย mikrokogeneraฤnej jednotky vo vykurovacom systรฉme aย vย systรฉme prรญpravy teplej vody rodinnรฉho domu aย vyuลพitie elektrickรฉho vรฝkonu tejto jednotky len na priamu spotrebu bez moลพnosti predaja nadbytoฤnej elektrickej energie do vonkajลกej rozvodnej siete alebo jej akumulรกcie do elektrickรฝch akumulรกtorov na pokrytie prรญpadnรฉho neskorลกieho zvรฝลกenรฉho odberu elektrickej energie.

Simulovanรก celoroฤnรก prevรกdzka mikrokogeneraฤnej jednotky

Pouลพitรก mikrokogeneraฤnรก jednotka na simulovanie celoroฤnej prevรกdzky vย rodinnom dome (obr. 1) vyuลพรญva modul palivovรฝch ฤlรกnkov sย technolรณgiou SOFC (vysokoteplotnรฝ keramickรฝ palivovรฝ ฤlรกnok sย pracovnou teplotou 830 ยฐC) sย nominรกlnym elektrickรฝm vรฝkonom 1 kWe aย tepelnรฝm vรฝkonom palivovรฉho ฤlรกnku 1,8 aลพ 3,3 kWt.

Jednotku dopฤบลˆa kondenzaฤnรฝ kotol sย tepelnรฝm vรฝkonom 7,0 aลพ 20,0 kWt, ktorรฝ pokrรฝva prรญpadnรบ zvรฝลกenรบ potrebu tepla. Jednotka je schopnรก pracovaลฅ vย reลพime palivovรฉho ฤlรกnku, kondenzaฤnรฉho kotla alebo vย oboch reลพimoch sรบฤasne. Ako palivo vyuลพรญva zemnรฝ plyn, vodรญk pre modul palivovรฝch ฤlรกnkov zรญskava parciรกlnou oxidรกciou CH4.

Mikrokogeneraฤnรก jednotka pracujรบca vย reลพime palivovรฉho ฤlรกnku nepatrรญ medzi pruลพnรฉ zdroje elektrickej aย tepelnej energie โ€“ zย dรดvodu pomalej zmeny vรฝstupnรฉho elektrickรฉho vรฝkonu je optimรกlna prevรกdzka na nominรกlny elektrickรฝ vรฝkon.

Ak nie je modul palivovรฝch ฤlรกnkov zohriaty na prevรกdzkovรบ teplotu, trvรก ลกtart mikrokogeneraฤnej jednotky (obr. 2a) pribliลพne 45 hodรญn (vรฝstupnรฝ el. vรฝkon 0 aลพ 1โ€ฏ000 We, prevรกdzkovรก teplota modulu palivovรฝch ฤlรกnkov 20 aลพ 830โ€ฏยฐC), ลกtart zo stand-by reลพimu (obr. 2b), vtedy je modul palivovรฝch ฤlรกnkov udrลพiavanรฝ na prevรกdzkovej teplote, trvรก pribliลพne 2,5 hodiny (vรฝstupnรฝ el. vรฝkon 0 aลพ 1 000 We, prevรกdzkovรก teplota modulu palivovรฝch ฤlรกnkov 830 ยฐC), reakcia na zmenu poลพadovanรฉho vรฝstupnรฉho elektrickรฉho vรฝkonu je pribliลพne 2โ€ฏminรบty.

Simulovanรก prevรกdzka jednotky prebiehala vย automatickom reลพime, vhodnosลฅ pouลพitia jednรฉho zย troch reลพimov prรกce sa vyberala podฤพa zaลฅaลพovacieho algoritmu.

Na grafickรฉ spracovanie sa zย celoroฤnej simulovanej prevรกdzky vybral najchladnejลกรญ zimnรฝ deลˆ roka 2018 sย najniลพลกou noฤnou teplotou -15 ยฐC aย sย najvyลกลกou dennou teplotou -8 ยฐC, keฤ bol najvรคฤลกรญ predpoklad na optimรกlne vyuลพitie potenciรกlu mikrokogeneraฤnej jednotky.

Obr. 1 Mikrokogeneraฤnรก jednotka s palivovรฝmi ฤlรกnkami a) pohฤพad na modul palivovรฝch ฤlรกnkov โ€“ vrchnรก ฤasลฅ jednotky
Obr. 1 Mikrokogeneraฤnรก jednotka s palivovรฝmi ฤlรกnkami a) pohฤพad na modul palivovรฝch ฤlรกnkov โ€“ vrchnรก ฤasลฅ jednotky |

Jednotka pracovala vย tomto obdobรญ vย kombinovanom reลพime, pretoลพe len tepelnรฝ vรฝkon palivovรฉho ฤlรกnku nepostaฤuje na pokrytie tepelnรฝch strรกt objektu.

Na obr. 3 vidieลฅ priebeh vรฝstupnรฉho tepelnรฉho aย elektrickรฉho vรฝkonu mikrokogeneraฤnej jednotky pracujรบcej vย ustรกlenom reลพime palivovรฉho ฤlรกnku, obr. 4 ukazuje priebeh vรฝstupnรฉho tepelnรฉho aย elektrickรฉho vรฝkonu mikrokogeneraฤnej jednotky pracujรบcej vย ustรกlenom kombinovanom reลพime, poฤas ktorรฉho dochรกdza kย znรญลพeniu vรฝstupnรฉho el. vรฝkonu modulu palivovรฝch ฤlรกnkov zย nominรกlnej hodnoty 1 000 We na hodnotu 800 We, okolo ktorej osciluje.

Tento nepriaznivรฝ fenomรฉn je spรดsobenรฝ spoloฤnรฝm kondenzaฤnรฝm vรฝmennรญkom tepla pre palivovรฝ ฤlรกnok aย integrovanรฝ plynovรฝ kotol.

Tieto ustรกlenรฉ reลพimy prรกce sa poฤas prevรกdzky vย rodinnom dome vyskytujรบ vย menลกej miere, ฤastejลกie sa vyskytujรบ prechodovรฉ reลพimy, ktorรฉ zย dรดvodu charakteristiky mikrokogeneraฤnej jednotky, opรญsanej vyลกลกie, vรฝrazne ovplyvลˆujรบ celkovรฝ vรฝstupnรฝ elektrickรฝ aย tepelnรฝ vรฝkon.

Na obr. 5 vidieลฅ priebeh potreby elektrickej aย tepelnej energie vย rodinnom dome, ktorรฝ je do znaฤnej miery ovplyvnenรฝ dennรฝm reลพimom obyvateฤพov aย roฤnรฝm obdobรญm, teda tepelnou stratou objektu.

Stรกlu spotrebu elektrickej energie tvoria zariadenia vย stand-by reลพime, premenlivรบ spotrebu zariadenia, ktorรฝch chod ovplyvลˆujรบ obyvatelia domu (osvetlenie, el. spotrebiฤe dennej potreby…). Spotreba tepelnej energie zรกvisรญ od tepelnej straty objektu, vysokรฉ nรกrasty spotreby sรบ zaprรญฤinenรฉ pravdepodobne prรญpravou teplej vody.

Na obr. 6 je detailne zobrazenรฝ priebeh 24-hodinovej potreby elektrickej energie vย danom rodinnom dome aย priebeh vyprodukovanej elektrickej energie mikrokogeneraฤnou jednotkou vย kombinovanom reลพime. Jednotka vย noฤnรฝch hodinรกch aย vย tej ฤasti dลˆa, keฤ obyvatelia nie sรบ prรญtomnรญ, pokrรฝva len spotrebu zariadenรญ vย stand-by reลพime aย cyklicky spรญnanรฝch zariadenรญ.

Obr. 5 Priebeh potreby elektrickej a tepelnej energie
Obr. 5 Priebeh potreby elektrickej a tepelnej energie |

Poฤas ostatnej ฤasti dลˆa pracuje jednotka na maximรกlny moลพnรฝ elektrickรฝ vรฝkon, ale pre prรกcu vย kombinovanom reลพime nedosahuje nominรกlny elektrickรฝ vรฝkon 1โ€ฏ000โ€ฏWe, zvyลกnรก potrebnรก elektrickรก energia sa dodรกva zย verejnej rozvodnej siete.

Na obr. 7 vidieลฅ detailnรฝ priebeh potreby tepla vย danom rodinnom dome aย priebeh vyprodukovanรฉho tepla mikrokogeneraฤnou jednotkou vย kombinovanom reลพime prรกce. Poฤas celรฉho dลˆa modul palivovรฝch ฤlรกnkov jednotky nedosahoval maximรกlny moลพnรฝ tepelnรฝ vรฝkon 3,3โ€ฏkWt, jeho hodnota oscilovala len okolo hodnoty 1,5 kWt.

Poฤas noci aย ฤasti dลˆa, keฤ obyvatelia nie sรบ prรญtomnรญ, bola prรญฤinou nรญzkeho tepelnรฉho vรฝkonu nรญzka potreba elektrickej energie. Poฤas ostatnej ฤasti dลˆa sa predpokladal nรกrast tepelnej energie vย dรดsledku nรกrastu produkcie elektrickรฉho vรฝkonu, to sa vลกak nestalo.

Prรญฤinou pribliลพne konลกtantnรฉho tepelnรฉho vรฝkonu sรบ spรดsob regulรกcie vรฝstupnรฉho elektrickรฉho vรฝkonu mikrokogeneraฤnej jednotky aย vyuลพรญvanie zรณny dohรกrania za modulom palivovรฝch ฤlรกnkov na premenu nezreagovanรฉho zemnรฉho plynu na teplo.

Zvyลกnรก ฤasลฅ poลพadovanej tepelnej energie sa produkuje vย integrovanom plynovom kotle. Na prรญpravu teplej vody vย zimnom obdobรญ sa pouลพil vรฝhradne kondenzaฤnรฝ kotol, pre nรญzky tepelnรฝ vรฝkon palivovรฝch ฤlรกnkov by bola dฤบลพka ohrevu vody neprijateฤพne dlhรก.

Ohrev vody palivovรฝmi ฤlรกnkami by sa mohol pouลพiลฅ najmรค pri rannom prediktรญvnom ohrievanรญ zรกsobnรญka aย poฤas prechodnรฝch vykurovacรญch obdobรญ, avลกak nรญzka potreba elektrickej energie vย noฤnรฝch hodinรกch aย zย toho vyplรฝvajรบci nรญzky tepelnรฝ vรฝkon by tento ฤas eลกte predฤบลพili.

Obr. 7 Priebeh potreby tepla a vyprodukovanรฉho tepla mikrokogeneraฤnou jednotkou
Obr. 7 Priebeh potreby tepla a vyprodukovanรฉho tepla mikrokogeneraฤnou jednotkou |

Zรกver

Simulovanรก celoroฤnรก prevรกdzka mikrokogeneraฤnej jednotky sย palivovรฝmi ฤlรกnkami na zemnรฝ plyn poukรกzala na zloลพitosลฅ sprรกvneho nรกvrhu inลกtalรกcie takejto jednotky vย rodinnom dome zย dรดvodu ลกpecifickej premenlivej spotreby elektrickej energie aย tepla.

Vย dneลกnej dobe vรฝrazne รบspornรฝch elektrickรฝch zariadenรญ domov sa javรญ nominรกlny elektrickรฝ vรฝkon danej jednotky ako nevyuลพiteฤพnรฝ, celoroฤnรฝ priemernรฝ elektrickรฝ vรฝkon bol pribliลพne 450 We, poฤas celoroฤnej prevรกdzky bola jednotka schopnรก nahradiลฅ len 24 % zย celkovej roฤnej spotreby elektrickej energie objektu.

Nรกvratnosลฅ investรญcie je pri vyuลพitรญ nominรกlneho elektrickรฉho vรฝkonu vย rรกde desaลฅroฤรญ, laboratรณrna prevรกdzka podฤพa zaลฅaลพovacieho algoritmu, ktorรฝ vychรกdza zย reรกlneho priebehu celoroฤnej spotreby elektrickej energie aย tepla vย rodinnom dome, tento ฤas eลกte vรฝrazne predlลพuje.

Vhodnejลกia inลกtalรกcia mikrokogeneraฤnej jednotky tohto typu by bola vย prรญpade moลพnosti predaja nadbytoฤnej elektrickej energie do rozvodnej siete, prรญpadne vย moลพnosti jej akumulรกcie.

Vhodnรก inลกtalรกcia by bola takยญisto vย objekte, kde je minimรกlny poลพadovanรฝ elektrickรฝ vรฝkon pre zariadenia vย stand-by reลพime vyลกลกรญ ako nominรกlny elektrickรฝ vรฝkon jednotky โ€“ jednotka by tak pracovala len vย reลพime palivovรฉho ฤlรกnku, ฤo by vyลพadovalo eลกte inรฝ oddelenรฝ zdroj tepla.

Ing. Marek Patsch, PhD.
Autor pรดsobรญ na Katedre energetickej techniky Strojnรญckej fakulty ลฝilinskej univerzity vย ลฝiline.
Obrรกzky: autor

รšloha sa realizuje vย rรกmci rieลกenia projektu KEGA 048ลฝU-4/2019 Vizualizรกcia prรบdenia vย technike prostredia aย tieลพ vย rรกmci rieลกenia projektu APVV-15-0778 Limity radiaฤnรฉho aย konvekฤnรฉho chladenia cez fรกzovรฉ zmeny pracovnej lรกtky vย sluฤkovom termosifรณne.

Literatรบra

  1. DVORSKร, E. โ€“ HEJTMรNKOVร, P.: Kombinovanรก vรฝroba elektrickรฉ aย tepelnรฉ energie, Technical literature BEN, Praha 2005.
  2. KUฤŒรK, ฤฝ. โ€“ URBAN, F.: Kogenerรกcia na bรกze palivovรฉho ฤlรกnku. Vykurovanie 2007. Zbornรญk prednรกลกok zย 15.โ€ฏmedzinรกrodnej konferencie. Tatranskรฉ Matliare, 26. 2. โ€“ 2. 3. 2007. Bratislava: Slovenskรก spoloฤnosลฅ pre techniku prostredia ZSVTS, 2007.
  3. PEHNT, M. โ€“ CAMES, M. โ€“ FISCHER, C. โ€“ PRAETORIUS, B. โ€“ SCHNEIDER, L. โ€“ SCHUMACHER, K. โ€“ VOรŸ, J. P.: Micro Cogeneration, Towards Decentralized Energy Systems. Springer, Berlin, 2006.
  4. Technickรก dokumentรกcia mikrokogeneraฤnej jednotky sย palivovรฝm ฤlรกnkom Hexis Galileo, Hexis, a. g.

ฤŒlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZB Haustechnik 4/2019.

Najฤรญtanejลกie