Testovanie mikrokogeneračnej jednotky v rodinnom dome

Článok sa zaoberá štúdiou možnosti inštalácie mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami na zemný plyn v rodinnom dome. Dlhodobou testovacou prevádzkou v laboratórnych podmienkach sa overovali výkonové a emisné parametre mikrokogeneračnej jednotky v ustálených a prechodových režimoch, ktoré môžu nastať pri prevádzke v rodinnom dome.

Ako podklady slúžili namerané hodnoty potreby tepla a elektrickej energie v reálnom rodinnom dome. Údaje sa zaznamenávali počas celého roka 2018 a slúžili na vytvorenie zaťažovacieho algoritmu.

Dlhodobým testovaním sa potvrdila náročnosť správneho návrhu inštalácie mikrokogeneračnej jednotky v rodinnom dome, a to vzhľadom na jej špecifiká, ako sú výrazne premenlivá spotreba elektrickej a tepelnej energie v závislosti od ročného obdobia či denného režimu obyvateľov domu.

Kogenerácia je združená výroba elektrickej energie a tepla v jednom technologickom zariadení. V súčasnosti si kogeneračné jednotky nachádzajú svoje uplatnenie aj v inštaláciách, kde sa požaduje nízky elektrický a tepelný výkon, napríklad v rodinných domoch alebo v menších objektoch.

V týchto oblastiach sa uplatňuje mikrokogenerácia, čiže kogenerácia s maximálnym elektrickým výkonom do 50 kWe. Okrem tradičných motorov s vnútorným spaľovaním prichádzajú na trh aj nové technológie pre kogeneračné jednotky, napríklad palivový článok, Stirlingov motor, parný stroj, mikrospaľovacie turbíny a podobne.

Tieto jednotky sú schopné dosahovať elektrický výkon od 0,6 kWe a tepelný výkon od 1,0 kWt (napríklad v prípade použitia palivových článkov). Filozofia ich použitia spočíva vo výrobe tepla na pokrytie tepelných strát objektu a na prípravu teplej vody, ako bonus získava užívateľ elektrickú energiu.

Vyrobená elektrická energia nie je primárne určená na predaj, spotrebováva sa priamo v mieste výroby, preto elektrický a tepelný výkon mikrokogeneračnej jednotky musia čo najlepšie kopírovať potreby daného objektu.

Rodinný dom je ako miesto inštalácie mikrokogeneračnej jednotky pomerne špecifický, a to pre svoju výrazne premenlivú spotrebu elektrickej a tepelnej energie, ktorú možno vopred len ťažko predpokladať, preto je zložité zosúladiť elektrický a tepelný výkon mikrokogeneračnej jednotky s potrebou rodinného domu.

V dnešnej dobe inteligentných technológií používaných v rodinných domoch však možno už pri návrhu inštalácie mikrokogeneračnej jednotky poznať reálnu spotrebu elektrickej a tepelnej energie v danom objekte počas celého roka z jednoduchých meraní, ktoré tieto technológie poskytujú.

Tieto dáta predstavujú vstupné údaje na výpočet počtu prevádzkových hodín mikrokogeneračnej jednotky v roku, zaťažovateľa a z toho vyplývajúce množstvo vyprodukovaného tepla a elektrickej energie a v neposlednom rade aj času návratnosti investície.

Modelový rodinný dom

Rodinný dom, v ktorom sa uvažovalo o inštalácii mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami na zemný plyn, predstavuje novostavbu obývanú štvorčlennou rodinou v blízkosti Žiliny. Ide o dvojpodlažný dom s plochou strechou so zastavanou plochou 100 m², postavený v nízkoenergetickom štandarde.

Rodinný dom je vybavený smart technológiami pre inteligentné domy, ktoré poskytujú nielen výrazne vyšší komfort bývania, ale v tomto prípade aj dôležité dáta o spotrebe elektrickej energie a tepla počas ktoréhokoľvek obdobia v roku.

V súčasnosti sa v dome ako zdroj tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody využíva kondenzačný kotol na zemný plyn, elektrická energia sa dodáva z vonkajšej rozvodnej elektrickej siete.

Princíp testovania

Údaje o spotrebe elektrickej a tepelnej energie sa zaznamenávali počas celého roka 2018 a slúžili na vytvorenie zaťažovacieho algoritmu, podľa ktorého bola mikrokogeneračná jednotka s palivovými článkami zaťažovaná v laboratórnych podmienkach Žilinskej univerzity.

Za elektrickú záťaž tejto jednotky slúžil odporník (reostat – rezistor s plynulo meniteľným elektrickým odporom, elektrická energia sa premieňa na teplo), teplo sa marilo v teplovzdušnej jednotke alebo v doskovom výmenníku ochladzovanom prietokovým termostatom.

Prevádzka a meranie elektrického a tepelného výkonu mikrokogeneračnej jednotky prebiehali v automatickom režime, všetky konštanty a nastavenia sa získali zo zaťažovacieho algoritmu.

Tento algoritmus predpokladá v súčasnosti využitie tepla z mikrokogeneračnej jednotky vo vykurovacom systéme a v systéme prípravy teplej vody rodinného domu a využitie elektrického výkonu tejto jednotky len na priamu spotrebu bez možnosti predaja nadbytočnej elektrickej energie do vonkajšej rozvodnej siete alebo jej akumulácie do elektrických akumulátorov na pokrytie prípadného neskoršieho zvýšeného odberu elektrickej energie.

Simulovaná celoročná prevádzka mikrokogeneračnej jednotky

Použitá mikrokogeneračná jednotka na simulovanie celoročnej prevádzky v rodinnom dome (obr. 1) využíva modul palivových článkov s technológiou SOFC (vysokoteplotný keramický palivový článok s pracovnou teplotou 830 °C) s nominálnym elektrickým výkonom 1 kWe a tepelným výkonom palivového článku 1,8 až 3,3 kWt.

Jednotku dopĺňa kondenzačný kotol s tepelným výkonom 7,0 až 20,0 kWt, ktorý pokrýva prípadnú zvýšenú potrebu tepla. Jednotka je schopná pracovať v režime palivového článku, kondenzačného kotla alebo v oboch režimoch súčasne. Ako palivo využíva zemný plyn, vodík pre modul palivových článkov získava parciálnou oxidáciou CH4.

Mikrokogeneračná jednotka pracujúca v režime palivového článku nepatrí medzi pružné zdroje elektrickej a tepelnej energie – z dôvodu pomalej zmeny výstupného elektrického výkonu je optimálna prevádzka na nominálny elektrický výkon.

Ak nie je modul palivových článkov zohriaty na prevádzkovú teplotu, trvá štart mikrokogeneračnej jednotky (obr. 2a) približne 45 hodín (výstupný el. výkon 0 až 1 000 We, prevádzková teplota modulu palivových článkov 20 až 830 °C), štart zo stand-by režimu (obr. 2b), vtedy je modul palivových článkov udržiavaný na prevádzkovej teplote, trvá približne 2,5 hodiny (výstupný el. výkon 0 až 1 000 We, prevádzková teplota modulu palivových článkov 830 °C), reakcia na zmenu požadovaného výstupného elektrického výkonu je približne 2 minúty.

Simulovaná prevádzka jednotky prebiehala v automatickom režime, vhodnosť použitia jedného z troch režimov práce sa vyberala podľa zaťažovacieho algoritmu.

Na grafické spracovanie sa z celoročnej simulovanej prevádzky vybral najchladnejší zimný deň roka 2018 s najnižšou nočnou teplotou -15 °C a s najvyššou dennou teplotou -8 °C, keď bol najväčší predpoklad na optimálne využitie potenciálu mikrokogeneračnej jednotky.

Jednotka pracovala v tomto období v kombinovanom režime, pretože len tepelný výkon palivového článku nepostačuje na pokrytie tepelných strát objektu.

Na obr. 3 vidieť priebeh výstupného tepelného a elektrického výkonu mikrokogeneračnej jednotky pracujúcej v ustálenom režime palivového článku, obr. 4 ukazuje priebeh výstupného tepelného a elektrického výkonu mikrokogeneračnej jednotky pracujúcej v ustálenom kombinovanom režime, počas ktorého dochádza k zníženiu výstupného el. výkonu modulu palivových článkov z nominálnej hodnoty 1 000 We na hodnotu 800 We, okolo ktorej osciluje.

Tento nepriaznivý fenomén je spôsobený spoločným kondenzačným výmenníkom tepla pre palivový článok a integrovaný plynový kotol.

Tieto ustálené režimy práce sa počas prevádzky v rodinnom dome vyskytujú v menšej miere, častejšie sa vyskytujú prechodové režimy, ktoré z dôvodu charakteristiky mikrokogeneračnej jednotky, opísanej vyššie, výrazne ovplyvňujú celkový výstupný elektrický a tepelný výkon.

Na obr. 5 vidieť priebeh potreby elektrickej a tepelnej energie v rodinnom dome, ktorý je do značnej miery ovplyvnený denným režimom obyvateľov a ročným obdobím, teda tepelnou stratou objektu.

Stálu spotrebu elektrickej energie tvoria zariadenia v stand-by režime, premenlivú spotrebu zariadenia, ktorých chod ovplyvňujú obyvatelia domu (osvetlenie, el. spotrebiče dennej potreby…). Spotreba tepelnej energie závisí od tepelnej straty objektu, vysoké nárasty spotreby sú zapríčinené pravdepodobne prípravou teplej vody.

Na obr. 6 je detailne zobrazený priebeh 24-hodinovej potreby elektrickej energie v danom rodinnom dome a priebeh vyprodukovanej elektrickej energie mikrokogeneračnou jednotkou v kombinovanom režime. Jednotka v nočných hodinách a v tej časti dňa, keď obyvatelia nie sú prítomní, pokrýva len spotrebu zariadení v stand-by režime a cyklicky spínaných zariadení.

Počas ostatnej časti dňa pracuje jednotka na maximálny možný elektrický výkon, ale pre prácu v kombinovanom režime nedosahuje nominálny elektrický výkon 1 000 We, zvyšná potrebná elektrická energia sa dodáva z verejnej rozvodnej siete.

Na obr. 7 vidieť detailný priebeh potreby tepla v danom rodinnom dome a priebeh vyprodukovaného tepla mikrokogeneračnou jednotkou v kombinovanom režime práce. Počas celého dňa modul palivových článkov jednotky nedosahoval maximálny možný tepelný výkon 3,3 kWt, jeho hodnota oscilovala len okolo hodnoty 1,5 kWt.

Počas noci a časti dňa, keď obyvatelia nie sú prítomní, bola príčinou nízkeho tepelného výkonu nízka potreba elektrickej energie. Počas ostatnej časti dňa sa predpokladal nárast tepelnej energie v dôsledku nárastu produkcie elektrického výkonu, to sa však nestalo.

Príčinou približne konštantného tepelného výkonu sú spôsob regulácie výstupného elektrického výkonu mikrokogeneračnej jednotky a využívanie zóny dohárania za modulom palivových článkov na premenu nezreagovaného zemného plynu na teplo.

Zvyšná časť požadovanej tepelnej energie sa produkuje v integrovanom plynovom kotle. Na prípravu teplej vody v zimnom období sa použil výhradne kondenzačný kotol, pre nízky tepelný výkon palivových článkov by bola dĺžka ohrevu vody neprijateľne dlhá.

Ohrev vody palivovými článkami by sa mohol použiť najmä pri rannom prediktívnom ohrievaní zásobníka a počas prechodných vykurovacích období, avšak nízka potreba elektrickej energie v nočných hodinách a z toho vyplývajúci nízky tepelný výkon by tento čas ešte predĺžili.

Záver

Simulovaná celoročná prevádzka mikrokogeneračnej jednotky s palivovými článkami na zemný plyn poukázala na zložitosť správneho návrhu inštalácie takejto jednotky v rodinnom dome z dôvodu špecifickej premenlivej spotreby elektrickej energie a tepla.

V dnešnej dobe výrazne úsporných elektrických zariadení domov sa javí nominálny elektrický výkon danej jednotky ako nevyužiteľný, celoročný priemerný elektrický výkon bol približne 450 We, počas celoročnej prevádzky bola jednotka schopná nahradiť len 24 % z celkovej ročnej spotreby elektrickej energie objektu.

Návratnosť investície je pri využití nominálneho elektrického výkonu v ráde desaťročí, laboratórna prevádzka podľa zaťažovacieho algoritmu, ktorý vychádza z reálneho priebehu celoročnej spotreby elektrickej energie a tepla v rodinnom dome, tento čas ešte výrazne predlžuje.

Vhodnejšia inštalácia mikrokogeneračnej jednotky tohto typu by bola v prípade možnosti predaja nadbytočnej elektrickej energie do rozvodnej siete, prípadne v možnosti jej akumulácie.

Vhodná inštalácia by bola tak­isto v objekte, kde je minimálny požadovaný elektrický výkon pre zariadenia v stand-by režime vyšší ako nominálny elektrický výkon jednotky – jednotka by tak pracovala len v režime palivového článku, čo by vyžadovalo ešte iný oddelený zdroj tepla.

Úloha sa realizuje v rámci riešenia projektu KEGA 048ŽU-4/2019 Vizualizácia prúdenia v technike prostredia a tiež v rámci riešenia projektu APVV-15-0778 Limity radiačného a konvekčného chladenia cez fázové zmeny pracovnej látky v slučkovom termosifóne.

Literatúra

1. DVORSKÝ, E. – HEJTMÁNKOVÁ, P.: Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie, Technical literature BEN, Praha 2005.
2. KUČÁK, Ľ. – URBAN, F.: Kogenerácia na báze palivového článku. Vykurovanie 2007. Zborník prednášok z 15. medzinárodnej konferencie. Tatranské Matliare, 26. 2. – 2. 3. 2007. Bratislava: Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia ZSVTS, 2007.
3. PEHNT, M. – CAMES, M. – FISCHER, C. – PRAETORIUS, B. – SCHNEIDER, L. – SCHUMACHER, K. – VOß, J. P.: Micro Cogeneration, Towards Decentralized Energy Systems. Springer, Berlin, 2006.
4. Technická dokumentácia mikrokogeneračnej jednotky s palivovým článkom Hexis Galileo, Hexis, a. g.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2019.