Figylem! Ez a cikk 12 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 tüzelőanyagot elégetve, annak kémiailag kötött energiáját néhány lépésben villamos energiává alakítjuk át. Az elégetéskor a közvetítőközeg energiát vesz fel, majd ennek felhasználásával mechanikai munkát végez. A mechanikai energia a generátorban alakul át villamos energiává. A hőkörfolyamatban 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. Az egyik országos napilap 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 kapcsolt termelés szempontjából ez utóbbi lehetőség az érdekes. Többféle technológiával kísérleteztek és kísérleteznek: belsőégésű motorok, gőzmotorok, Stirling-motorok, gázturbinák, 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, aki piacképes termékkel rendelkezik. Egyes megoldások működési elve közismert, másoké még nem. A belsőégésű motorok forgó generátort hajtanak; a kipufogógáz, illetve a hűtővíz és kenőolaj hőcserélőben való lehűtésével jutunk hasznosítható hőhöz (1. ábra).
Balra: 1. ábra. A belsőégésű motorok forgó generátort hajtanak; a kipufogógáz, illetve a hűtővíz és kenőolaj hőcserélőben való lehűtésével jutunk hasznosítható hőhöz. 1. Kipufogógáz; 2 . Hőcserélő; 3 . Generátor; 4 . Gázmotor; 5 . Áram; 6 . Gáz; 7 . Hő.
Középen: 2. ábra. A gőzmotoros kapcsolt termelőnél egy gázégő csőkazánban gőzt fejleszt ami egy dugattyús gőzmotort hajt. 1. Áram; 2. Gőzmotor és lineáris generátor; 3. Égéstermék; 4. Gőzkazán; 5. Gázégő; 6. Gáz; 7. Hőcserélő; 8. Hő.
Jobbra: 3. ábra. A Stirling-motoros berendezésekben is ezek az alapvetően szükséges szerkezeti egységek találhatók: gázégő a hőfejlesztésre, motor a mechanikai munkavégzésre, generátor az áram- termelésre és hőcserélő a hasznos hő kinyerésére. 1. Hő; 2. Égéstermék; 3. Hőcserélő; 4. Gázégő; 5. Gáz; 6. Stirling-motor; 7. Hűtő; 8. Hőcserélő; 9. Generátor; 10. Áram.
Más felépítésű a gőzmotoros kapcsolt termelő (2. ábra). Egy gázégő csőkazánban gőzt fejleszt. A gőz egy dugatytyús gőzmotort hajt, mely egységet képez a lineáris generátorral. A gőzt lecsapatva visszavezetjük a körfolyamatba. A hő itt is hőcserélők segítségével nyerhető ki. 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. 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 felhe-vítés (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.
Balra: 4. ábra. A munkaközeg felhevítése a hengerfalon keresztül történik. Így történik a lehűtése is, ami viszont megfeleltethető a belső égésű motorok hűtési megoldásának. 1. Fűtés; 2. Hűtés; 3. Regenerátor; 4. Dugattyú; 5. Munkaközeg.
Jobbra: 5. ábra. Az üzemanyag-cellák másképp működnek. Ugyan a kémiailag kötött energia itt is oxidáció során szabadul fel, de az oxidálódó és oxidáló közegek nem érintkeznek egymással. 1. Áram; 2. Víz; 3. Anód; 4. Elektrolit; 5. Katód; 6. Gáz; 7. Elektródák; 8. Levegő.
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 inverterben 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).
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 roszszabbul 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. Kedvezők még a gőzmotoros és Stirling-motoros egységek. 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 meg- valósítani. Vonatkozik ez 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. Egyébként 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 nemcsak légnemű, hanem cseppfolyós és szilárd tüzelőanyaggal is működnek. Jelenleg ezek az üzemanyagok a háztartási méretű egységeknél nem versenyképesek. A belsőégésű motorok üzemének egy lehetséges és elkerülendő jelensége az ún. kopogás. A szikragyújtású motoroknál ez abban nyilvánul meg, hogy a sűrítés közben a levegő és tüzelőanyag keveréke meggyullad még azelőtt, hogy szikrát kapott volna. Ez jellegzetes hanggal jár, innen az elnevezés. A jelenség többlet igénybevételt okoz a motornak. Ha hosszabb ideig fennáll, súlyos meghibásodást idéz elő. Gázmotorok kopogását a gáz nem megfelelősége okozza. A kompressziótűrés a gáz metánszámától függ. A gyártók előírják, hogy a falhasznált gáz legkisebb metánszáma mennyi lehet, a szokásos értékek: 70-80. A földgázzal működő kapcsolt termelők gázminőség-követelményét be kell tartani.
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 (2. kép).
2. kép
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 magas. 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 már. Piaci érettségig eljutottak a gőzmotoros és Stirling-motoros berendezések is. Az üzemanyagcella alapú, kis teljesítményű kapcsolt termelők sorozatgyártása néhány év múlva várható.
1. táblázat: kis teljesítményű kapcsolt termelők jellemzői
Gázmotor
Üzemanyag-cella
Stirling-motor
Gőzmotor
Üzemanyag
többféle gáz
földgáz
többféle gáz
többféle gáz
Monovalens üzem
költséges
nem ésszerű
költséges
költséges
Bivalens üzem
alkalmas
természetes
alkalmas
alkalmas
Villamos hatásfok
20-25%
30-60%
10-15%
11%
Teljes hatásfok
85-95%
80-85%
85-95%
95%
Karbantartási költség
jelentős
elvileg kicsi
nincs tapasztalat
nincs tapasztalat
Zaj
elfogadható
csekély zaj
csekély zaj
csekély zaj
Biogáz alkalmazása
egyes típusnál
közvetlenül nem
lehetséges
nem
Fejlesztési szint
kereskedelmi termék
kísérleti termék*
kereskedelmi termék
kereskedelmi termék
Fejlesztési igény
olcsóbb karbantartás
árcsökkentés
sorozatgyártás
továbbfejlesztés
Várható árcsökkenés
felfutó gyártásnál
elvileg jelentős
felfutó gyártásnál
felfutó gyártásnál
*Egyetlen berendezés készül kis sorozatban.
BAFA-jegyzék
Reális képet mutat a német BAFA (Bundes-amt 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 júliusában 26 gyártó 57 típusa volt a jegyzékben. Egyetlen berendezés működik fűtőolajjal, az összes többi gázzal. Szilárd tüzelőanyag tehát nem fordul elő. A gáz lehet földgáz, cseppfolyós pébégáz vagy biogáz. Tetszőleges gázzal működik 6 típus, földgázzal vagy pébégázzal 26 típus, csak pébégázzal 2 típus. A csak földgázra alkalmas típusok száma 23. A gyártók közül a legtöbben a belsőégésű motorral meghajtott változatot választották, ilyen berendezésből 41 van a jegyzékben. Nagyobb számban találhatók még azok a termékek, melyek gyártói a Stirling-motort részesítették előnyben, ezek száma 14.
Egy-egy típus képviseli a gőzmotoros és az üzemanyagcella technológiát. A támogatott gépek villamos teljesítménye nem lehet nagyobb 20 kW-nál. A legfeljebb 5 kW-os egységek száma 24. 13 gép tartozik a következő, legfeljebb 10 kW-os kategóriába. Az ennél nagyobb berendezésekből 20 van a jegyzékben. A viszonylag sok, 1 kW-os villamos teljesítményű gép hőteljesítménye 5 kW körül alakul. A nagyobb berendezések hőteljesítménye 40 kW környékén van. A legnagyobb értékkel egy négyhengeres, gázmotoros típus rendelkezik, 47 kW-tal. 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 hőtermelésé, az összes többi technológiánál ez fordítva van.
