Kapcsolt termelés háztartási méretben I. Külföldi tervek és tapasztalatok

2013/3. lapszám | Chiovini György |  4405 |

Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A villamos energia előállításának egyik módja, hogy valamilyen tüzelő-anyagot elégetve, annak kémiailag kötött energiáját néhány lépésben villamos energiává alakítjuk át. Az elégetéskor a közvetítő-közeg energiát vesz fel, majd ennek felhasználásával mechanikai munkát végez. A mechanikai energia a generátorban alakul át villamos energiává. A hő-körfolyamatban nem tudjuk a hőenergiát teljesen munkává alakítani. A hő egy része hasznosítható, vagy hasznosítás nélkül a környezetbe távozik.

Ha a villamos energiatermeléssel egy időben hasznos hőigény is jelen van, akkor lehetőség van kapcsolt termelésre. A kapcsolt termelést pozitív értelemben szoktuk említeni. Előnyös, mert egy folyamatban két terméket – áramot és hőt – állítunk elő, és a ráfordítás kedvezőbb, mintha ezeket külön állítottuk volna elő.

Ha az újságírói stílusból indulunk ki, akkor nem is szabadna másban gondolkodnunk. Egyik országos napilapunk szerzője így lelkesedett: „Háztartási erőmű – halk, biztonságos, és alig kell hozzá energia.” Ezt még fokozta is azzal, hogy a terméket népszerűsítő modell „szinte örökmozgóként forog.” Szerencsére odakerült a szinte szó, mert különben egy szavát sem kellene elhinnünk. De mi az igazság? Mennyi az „alig”?

Közhely, hogy minden műszaki termék hasznos, csak a megfelelő alkalmazást kell megtalálni hozzá. Nem csak elméletileg igazolható a kapcsolt termelés előnyössége, hanem sok-sok referencia is szól mellette. Az igazi kérdés az, hogy melyek a kapcsolt termelés sikeres alkalmazási területei. Leszűkítve: érdemes-e, illetve hogyan érdemes kapcsoltan áramot és hőt termelni háztartási méretben? Ez a kérdés időszerű Ausztriában és Németországban is; tanulságos megismerni tapasztalataikat és terveiket.

Műszaki lehetőségek

Lakóépületeink energiaellátásában kitüntetett szerepe van a villamos energiának. Elenyésző számú kivételtől eltekintve minden lakóház rendelkezik kapcsolattal a villamosenergia-ellátó rendszerhez, de ma már lehetőség van helyben is áramot termelni. Háztartási méretben villamos energia termelhető napelemmel, szélgenerátorral és valamilyen tüzelőanyag felhasználásával, hőkörfolyamattal. A napelemes megoldás ma már teljesen kiforrott, a hozzá szükséges eszközök ára csökken, ráadásul támogatás vehető igénybe a telepítéshez. A szélenergia hasznosítása ezzel szemben a lakóépületeknél ritkaságnak számít. A háztartási méretű kapcsolt termelés műszaki alapját a motoros áramfejlesztők jelentik, ezek azonban csak egy célra, az áramtermelésre szolgálnak, hőhasznosítás nélkül.

A gyártók fantáziát láttak a nagyobb teljesítményű egységek mellett az egészen kis teljesítményű, egy lakás energiaigényéhez illeszkedő kapcsolt termelők kifejlesztésében, illetve piacra vitelében. Többféle technológiával kísérleteztek és kísérleteznek:

• belsőégésű motorok,
• gőzmotorok,
• Stirling-motorok,
• gázturbinával hajtott generátorok,
• üzemanyagcellák,
• hűtőközeges gépek.

Egy családi ház energiaigényének megfelelő méretkategóriában jelenleg sem a gázturbinák, sem a hűtőközeges gépek nem érték el a piacérettséget. A többi technológiában már van egy vagy akár tucat gyártó is, aki piacképes termékkel rendelkezik.

 

A Stirling-motoros berendezésekben is ezek az alapvetően szükséges szerkezeti egységek találhatók: gázégő a hőfejlesztésre, motor a mechanikai munkavégzésre, generátor az áramtermelésre és hőcserélő a hasznos hő kinyerésére (3. ábra). Alapvető különbség a gázmotorokhoz képest, hogy az égés nem a hengerben történik; a tüzelőanyagot a hengeren kívül égetjük el. A munkaközeg felhevítése a hengerfalon keresztül történik, és így történik a lehűtése is, ami viszont megfeleltethető a belsőégésű motorok hűtési megoldásának (4. ábra). Az égéstermék sem a hengerben keletkezik, tehát nem kell onnan eltávolítani. A munkaközeg zárt térben van, de a felhevítés (expanzió) és a lehűtés (kompresszió) helyileg elkülönül. Szerkezetileg léteznek egy- és többhengeres Stirling-morok. Mindegyikben közös, hogy az egymással összekapcsolt dugattyúk a munkaközeget a fűtött és hűtött tér között áramoltatják, ciklikusan az egyik, illetve a másik irányban. A körfolyamatban az expanzió közben munkavégzés történik, a kompresszió ennek egy részét felemészti. Leszámítva a veszteségeket, a hőközlés és hőelvonás (hűtés) különbsége a hasznos munka. Ezt fordítjuk kapcsolt termelésnél a villamos generátor hajtására.

Az eddig felsorolt megoldások közös jellemzője a tüzelőanyag lánggal történő elégetése. Az üzemanyagcellák másképp működnek. Ugyan a kémiailag kötött energia itt is oxidáció során szabadul fel, de az oxidálódó és oxidáló közegek nem érintkeznek egymással (5. ábra).

Az elektrokémiai folyamatban létrejövő egyenáramot inverter-ben váltakozó árammá alakítjuk, és a berendezésből a fogyasztón átvezetve hasznosítjuk. Az üzemanyagcellák egyes változatai eltérő hőmérsékleten működnek, a hasznosítandó hő kinyerése is eltérően lehetséges. Tényleges szerkezeti kialakításuk bonyolultabb, mint amire a működési elvből következtetnénk (1. kép).

Előnyök, hátrányok

A bécsi Műszaki Egyetem egy kutatási jelentésben elemezte az egészen kis teljesítményű kapcsolt energiatermelő berendezések („mikro-KWK”) optimális alkalmazásának lehetőségét Ausztriában. Az egyes európai országokban más és más teljesítményhez kötik e kategória felső határát. A jelentés 50 kW villamos teljesítményt határoz meg, és az ennél kisebb egységekkel foglalkozik. A megvalósult berendezések tapasztalatainak összegzésére alapozva rangsorolja az egyes technológiákat, több szempont szerint. Nemzetközi adatbázisból dolgoztak, tehát megállapításaik nem csak az osztrák berendezésekre vonatkoznak.

Az egyik legfontosabb jellemzője egy kapcsolt termelőnek a hatásfok. Megkülönböztetjük a villamos részhatásfokot, a hőtermelés részhatásfokát és a teljes vagy mennyiségi hatásfokot. Az első jelentése: a leadott villamos teljesítmény és a bevezetett teljesítmény hányadosa. A hőtermelés részhatásfokában értelemszerűen a leadott hasznos hőteljesítmény szerepel. A villamos részhatásfok elsősorban attól függ, hogy a gép a tüzelőanyag energiáját milyen arányban alakítja át mechanikai energiává. Magának a generátornak csekély a vesztesége (6. ábra). Kifejezetten jó a villamos részhatásfoka az üzemanyagcelláknak. Kedvezők még a gázmotoros egységek értékei is. Ebből a szempontból rosszabbul teljesítenek a gőz- és Stirling-motoros gépek. Jó teljes hatásfoka van a gáz-, gőz- és Stirling-motoros berendezéseknek. Egyébként az azonos rendszerű „mikro” és „mini” egységek villamos részhatásfoka rosszabb a nagyobb teljesítményű berendezésekénél (7. ábra).

A nagy gépeknél az értékesebb villamos energia aránya kedvezőbb, ez komoly akadálya a kapcsolt termelés elterjedésének háztartási méretben.

Lakókörnyezetben a zajosság igen hátrányos tulajdonság. A legkedvezőbb e tekintetben az üzemanyagcella, de kedvezők még a gőz- és Stirling-motoros egységek is. A gázmotorok eredendően zajos gépek, és rezgésük is zavarhatja a környezetet, rendszerint az egészen kis frekvenciás „brummogásra” szokott panasz lenni.

A gyártók élnek mind a rugalmas rögzítés, mind a zajcsökkentő burkolás nyújtotta lehetőséggel, ennek ellenére a telepítésnél nagy figyelmet kell szentelni a zaj és rezgés terjedésének megakadályozására. Ez többek között azt jelenti, hogy a csövek és kábelek kapcsolatát szakszerűen kell megvalósítani, amely vonatkozik a kipufogógázt elvezető rendszerre is. Érdemes a felállítási helyet a zaj szempontjából érzékenyebb helyiségektől távolra kiválasztani.

Üzemanyag

Kis lakóépületben használt kapcsolt termelő számára a legjobb üzemanyag a vezetékes földgáz. Ez megmutatkozik abban is, hogy a gyártók elsősorban ezzel a hajtóanyaggal működő termékeket kínálnak, azért is, mert földgázzal kedvezőbb energetikai, emissziós és egyéb jellemzők érhetők el, mint például biogázzal vagy fűtőolajjal.

Ettől függetlenül bizonyos előnyt jelent a gőzmotoros és Stirling-motoros berendezések esetében, hogy nem csak légnemű, hanem cseppfolyós és szilárd tüzelőanyaggal is működnek. Jelenleg ezek az üzemanyagok a háztartási méretű egységeknél nem versenyképesek. A gázmotorok, eltérően a gázkazánoktól, érzékenyek a földgáz metánszámára. A kis metánszámú földgáz kompressziótűrése nem megfelelő, a motorban kopogást okozna.

Élettartam

Az épületgépészetben nem néhány évre tervezünk. A felhasználó azt várja el, hogy a kapcsolt termelők élettartama is közelítse a kazánok, szivattyúk stb. élettartamát.

Természetesen nem a villamos generátorokkal van baj – a nehézséget a meghajtó motorok okozzák. A gázmotorok nagy sorozatban gyártott járműmotorokból lettek kifejlesztve, de míg egy autónál az üzemórában mért élettartam kevesebb 10 ezer óránál, a kapcsolt termelők tervezett élettartama 50-100 ezer üzemóra. Az éves üzemidő alkalmazásonként eltérő, a kis méretkategóriában nagyságrendileg 3-6 ezer óra. Ebből eredően a várható élettartam hozzávetőlegesen 10-20 év. Közben egy nagy karbantartásra is szükség van.

Egy kapcsolt termelő tulajdonképpen egy kis méretre zsugorított erőmű, érthető, hogy műszaki állapotának fenntartása nagyobb idő- és anyagráfordítást igényel, mint például egy gázkazánnál. A már piaci érettséget elért technológiák között verseny folyik a tekintetben is, hogy minél kevesebb, minél olcsóbb karbantartásra legyen szükség, tényleges tapasztalat azonban csak a már nagy darabszámban működő gázmotoros termékekre van. Az átlagos karbantartási ciklus 3-4 ezer üzemóra. Ekkor kerül sor a motorolaj és néhány, gyorsan elhasználódó alkatrész cseréjére, de van már olyan gép is, melynél a gyártó 8 ezer órás ciklust garantál. Nagyjából ilyen gyakorisággal kell szervizelni a Stirling-motorokat is.

Bár ezek szerkezeti felépítése egyszerűbb, de még vannak megoldandó problémák. Ilyen például a munkaközeg szivárgásának megakadályozása, a mozgó alkatrészek kopásának csökkentése. Németországban az állami támogatás egyik feltétele, hogy a kapcsolt termelő berendezésre karbantartási szerződést kössenek.

A kapcsoltan termelt áram és hő előnyét leronthatja, ha a berendezés beszerzési ára nagyon nagy. Kis darabszámban gyártott termékekről van szó, tehát olcsóságra nem lehet számítani.

Legkedvezőbbek e tekintetben a gázmotoros berendezések, hiszen itt a gyártók számos meglévő, akár sorozatgyártásból átvehető részegységgel rendelkeznek. A beruházási költség mintegy kétharmada maga a berendezés, a többi a tervezés, telepítés és a kiegészítő egységek költsége. Maga az alapegység jelenleg 10-20 ezer euróba kerül.

A potenciális felhasználó döntés előtt különös figyelmet fordít arra, hogy amit kínálnak, az egy tervezőasztalról eladott termék, vagy már több, sikeres referencia is szól mellette.

A gázmotoros technológia ebben a méretkategóriában is a legelterjedtebb. Az Amerikai Egyesült Államokban és Japánban mintegy 100 ezer egység működik, és már nagy választékban kínálnak Stirling-motoros gépeket is. Számos fejlesztés folyik az üzemanyagcella alapú, kis teljesítményű kapcsolt termelők sorozatgyártása érdekében. Gőzmotoros technikával azonban csak egy cég foglalkozik.

BAFA-jegyzék

Reális képet mutat a német BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) által vezetett jegyzék. Ebbe azokat a kis, legfeljebb 20 kW villamos teljesítményű kapcsolt termelőket veszik fel, melyek telepítését a német állam támogatja. Ezek természetesen mind sorozatban gyártott termékek. 2012 novemberében 29 gyártó 64 típusa volt a jegyzékben.

A gyártók közül a legtöbben, tizenkilencen a belsőégésű motorral meghajtott változatot választották. Ilyen berendezésből 38 van a jegyzékben.

Nagyobb számban találhatók még azok a termékek, melyek gyártói a Stirling-motort részesítették előnyben, ezek száma nyolc. Ezek a cégek összesen 24 típust forgalmaznak. Egy-egy cég, illetve típus képviseli a gőzmotoros és az üzemanyagcella technológiát. Egyetlen berendezés működik fűtőolajjal, az összes többi gázzal. Szilárd tüzelőanyag tehát nem fordul elő.

A támogatott gépek villamos teljesítménye nem lehet nagyobb 20 kW-nál. Ez a határérték érezhető a típusválasztékban, mert tizenkét gépet éppen erre a teljesítményre alakítottak ki. Az is látszik, hogy a várható keresletnek megfelelően kisebb arányban vannak a családi ház igényéhez illesztett egységek, több a nagyobb teljesítményigényű, kereskedelmi, ipari és intézményi felhasználásra szánt termék.

A legfeljebb 2 kW-os villamos teljesítményű egységek száma tizenöt. Tizenhat gép tartozik a következő, legfeljebb 6 kW-os kategóriába. Az ennél nagyobb berendezésekből harminchárom van a jegyzékben.

A gázmotoros gépek között a legnagyobb hőteljesítmény 47 kW, a Stirling-motoroknál pedig 12 kW. A gőzmotoros gép villamos teljesítménye 2 kW, hőteljesítménye 16 kW. Egészen sajátos értékei vannak az üzemanyagcellás berendezésnek: 1,5 kW, illetve 0,6 kW. Ez érthető, mert az üzemanyagcellás technológia villamos részhatásfoka jobb, mint a hőtermelés részhatásfoka, az összes többi technológiánál ez fordítva van. (Folytatjuk)