PERSPEKTIVY STIRLINGOVA MOTORU PRO MIKROKOGENERACI

Transkript

1 ČVUT V PRAZE, FAKULTA STROJNÍ Ú ÚSTAV ENERGETIKY BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR THESIS PERSPEKTIVY STIRLINGOVA MOTORU PRO MIKROKOGENERACI STIRLING ENGINE AS A PERSPECTIVE MICRO COGENERATION TECHNOLOGY Autor práce: Author Václav Novotný Vedoucí práce: Supervisor Ing. Jakub Maščuch

2 Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou diplomovou (bakalářskou) práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). V Praze dne podpis

3 Abstrakt: Mikrokogenerace je jedním z pilířů decentralizovaného zásobení energiemi jako součástí konceptu Smart Grids, jehož význam v poslední době neustále stoupá. Při mikrokogeneraci na úrovni rodinných domů nelze z mnoha různých důvodů přímo použít technologie z klasického teplárenství, a tak se objevují technologie nové. Jednou z možností je použití Stirlingova motoru. Účelem této práce je provést zevrubnou rešerši výrobců zabývajících se Stirlingovo motorem, v období posledních třech desetiletích, s důrazem na kogenerační jednotky. Hlavním cílem bylo určit skutečný počet současných výrobců jednotek pro užití v domácnostech. V další části práce je na parametrickém bilančním modelu rodinného domu zhodnocena ekonomika provozu domácí kogenerační jednotky za současných podmínek v České Republice. Ukazuje se, že výsledky výpočtu mohou být vysoce závislé na skutečném diagramu odběru elektrické energie. Ve všech uvažovaných provozních podmínkách byla jednotka nerentabilní z důvodu vysoké pořizovací ceny. Rovněž byla hodnocena ekonomika provozu zařízení s výrazně nižší elektrickou účinností, a tím i elektrickým výkonem, kde je ale předpoklad vyšší jednoduchosti a nižší ceny zařízení. Výsledkem v rámci uvažovaných podmínek a požadavků na ekonomiku provozu je, striktní limitace prodejní ceny případného zařízení. Abstract: Micro-cogeneration is one of the pillars of decentralized power supply as a part of the Smart Grids concept, which is recently gaining on its importance. In micro-cogeneration, CHP plants scaled down up to domestic size, standard technologies applied in large scale plants cannot be used for many reasons, so new technologies are emerging. One of the promising technologies is the Stirling Engine. Purpose of this paper is to bring a comprehensive list of Stirling Engine manufacturers who were active within last three decades, with particular focus on micro-cogeneration units. Main purpose is to determine the real number of recent domestic units manufacturers. In second part, use of a commercially available domestic CHP unit under recent conditions in Czech Republic has been evaluated on a parametric model of the unit in an average family house. It is apparent the results might be strongly dependent on the actual electricity consumption diagram. Under all the considered conditions, the economy of the unit operation is bad due to the device cost. Economy of eventually cheaper and simpler device with low electrical efficiency and output was evaluated as well, giving for use under given conditions very strict limits for potential production cost.

4 Obsah Seznam užitých veličin a zkratek... 2 Úvod... 3 Stirlingův motor... 4 Nedávný vývoj v oblasti Stirlingova motoru... 7 Přehled výrobců Stirlingova motoru Whisper Tech Ltd Microgen Engine Corporation holding (MEC) Remeha B.V. část BDR Thermea (Die Dietrich Remeha GmbH), [44] Baxi součást BRD Thermea Baxi-SenerTec UK součást BRD Thermea Viessmann Werke GmbH & Co. KG CLEANERGY AB Genoastirling S.r.l Stirling DK Stirling Holland Stirling Biopower Inc Stirling Technology, Inc Sunpower, Inc Ripasso Energy AB Sunvention International GmbH Ve // ingenieure GmbH SUCTION GAS ENGINE MFG. CO., LTD INFINIA Stirling Systems Ltd Cool Energy, Inc ReGen Power Systems Inspirit Energy Epas GmbH Öko-Energiemaschinen Vertriebs GmbH SOLO Kleinmoteren GmbH UNITED STIRLING Tedom KWB - KRAFT UND WÄRME AUS BIOMASSE GmbH Hoval Bilanční model rodinného domu pro výpočet ekonomiky nasazení μchp jednotky Algoritmus pro určení rozložení výroby v rámci dne Určení rozvržení odběru elektrické energie Vlastní výpočet toků elektrické energie a plateb Výpočet původní a nové platby za energie Určení optimální velikosti baterií Shrnutí výsledků pro zadané parametry Výpočet návratnosti μchp jednotky Rámcová analýza uplatnitelnosti a nasaditelnosti motoru gama konfigurace o výkonu v řádech 100 W Závěr Reference

5 Seznam užitých veličin a zkratek Veličiny ϑ bezrozměrný teplotní koeficient [-] τ bezrozměrný časový koeficient [-] η c celková účinnost μchp jednotky [-] e teplárenský modul [-] [kwe/kwt] n dny v rámci daného období [den] n 0 délka topného období [den] p tlak [Pa] P e elektrický výkon μchp jednotky [kw] P t tepelný výkon μchp jednotky [kw] Q potřeba tepla v daném období [MWh] Q av průměrný tepelný výkon soustavy v daném období [kw] Q c celková potřeba tepla [MWh] Q el roční potřeba elektrické energie [MWh] Q h roční potřeba tepla [GJ] nebo [MWh] Q n výhřevnost [kj/kg] Q p spotřeba plynu [MWh] Q s spalné teplo [kj/kg] t 0 průměrná vnější teplota pro konec otopného období [ C] t e průměrná venkovní teplota v daném období [ C] t ev venkovní výpočtová teplota [ C] t i vnitřní výpočtová teplota [ C] t Q provozní hodiny μchp jednotky v jednom dni [hod/den] T max teplota přívodu tepla [K] T min teplota odvodu tepla [K] x koeficient pro korekci Q av z hodnot na založených čistě na ztrátovém výkonu budovy [-] Některé samostatně užité jednotky kwe, MWe jednotka elektrického výkonu kwt jednotka tepelného výkonu Zkratky CHP - Combined Heat and Power - kogenerace μchp - Micro Combined Heat and Power, mikro-kogenerace FPSE - Free Piston Stirling Engine Stirlingův motor s volným pístem LTD - Low Temperature Differential Stirlingův motor pro malý teplotní rozdíl TUV teplá užitková voda 2

6 Úvod Rozvoj energetiky se v posledních letech zaměřuje ve velké míře nejen na obnovitelné zdroje a šetrnost výroby k životnímu prostředí, ale také na celkovou racionalizaci výroby, distribuce i spotřeby energií (elektrické energie a tepla). Toto je spojeno s novým konceptem distribučních sítí, tzv. Smart Grids. Uplatnění principů konceptu Smart Grids v této oblasti přináší odběratelům možnosti aktivního zapojení do tohoto procesu. Počínaje možnostmi odložení vybrané části spotřeby na období s výhodnější cenou, až po uplatnění lokálních zdrojů elektrické energie rozličných typů. Odběratelé poskytují distributorovi větší možnost využití potenciálu jejich spotřeby i případné výroby. Distributor na oplátku vytváří možnost výběru z výhodnějších tarifů pro distribuci elektrické energie a zprostředkovaně i případné lepší ceny za silovou elektřinu.[40] Jako jeden z uvažovaných a perspektivních způsobů využití lokálních zdrojů v rámci Smart Grids je drobná kombinovaná výroba elektrické energie a tepla mikro-kogenerace (Micro Combined Heat and Power, dále μchp). Definice takového zdroje je např. podle [19] zařízení s elektrickým výkonem do 3,5 kwe v případě jednofázového a do 11 kwe v případě třífázového výstupu. Při připojení zařízení do rozvodné sítě se předpokládá s provozem na nízkém napětí 230 V. (V případě zahraničí přichází v úvahu 110 V.) Jiné zdroje [27] uvádějí pro mikro zdroje limitní instalovaný výkon 50 kwe a pro malé zdroje 1 MWe, kromě toho je zde uvedena i klasifikace a rozdělení výroben, které spadají pod kogeneraci a které ne, přičemž toto rozdělení je založeno na účinnosti výroby a je korigováno řadou doplňkových parametrů. Pro příspěvek na podporu výkupu elektrické energie z CHP je však dle ERÚ[28] nejnižší výkonové rozmezí až do 1 MW a tím pádem pro mikrokogeneraci v důsledku neexistuje na straně výkupních cen žádné zvýhodnění. Mikro-kogenerace nabízí množství potenciálních výhod pro zásobení obytných budov energiemi ve smyslu vyšší účinnosti a nižších ekologických dopadů. Jako velká výhoda μchp oproti běžnému vytápění je podle [19] fakt, že při běžném vytápění je účinnost využití energetické hodnoty paliva kolem 80 % a 20 % tepla odchází v exhalacích, zatímco při použití μchp jednotky v exhalacích odchází pouze 5 % tepla a 15 % tepla je přeměněno na elektrickou energii. To lze však předpokládat jen v případě náhrady staršího systému spalování účinnějším v rámci jednotky. Pro využití výhod μchp systém musí hlavně přinést úsporu nákladů a primárních zdrojů [18], čehož se dosahuje pomocí běžného principu 3

7 teplárenství. Této úspory by mělo být dosaženo při přijatelném komfortu obsluhy, srovnatelným s obsluhou zařízení pro běžné vytápění v domácnostech. Realizaci výroby elektrické energie v malém měřítku není možné provést technologiemi používanými v dnešních velkých elektrárnách či teplárnách a v průmyslové energetice. Kromě rapidního poklesu účinnosti při aplikaci těchto technologií na extrémně nízké výkony je potřeba počítat s množstvím dalších technických aspektů, které by mělo mikrokogenerační zařízení splňovat pro jeho úspěšné nasazení v domácnostech. Mezi ně patří především nízká hlučnost chodu a minimální vibrace, malé požadavky na prostor, minimální nároky na obsluhu, zároveň variabilita a rychlost operativní změny výkonu. Existuje řada technologií uvažovaných pro μchp, z nichž některé jsou zatím spíše ve stadiu vývoje s více či méně jasnou budoucností (termoelektrický princip, plynové mikroturbíny, palivové články). Další technologií jsou motory s vnitřním spalováním, jejichž produkce a vývoj je díky automobilovému průmyslu na vysoké úrovni, avšak nesou s sebou mnoho nevýhod po stránkách hlučnosti, údržby, požadavků na palivo, a tím i provozních nákladů, přestože se řada výrobců snaží o jejich odstranění. Majoritní je uplatnění těchto motorů v off-grid aplikacích. Rovněž existují velmi perspektivní motory s vnějším spalováním, které jsou základem mnoha μchp systémů. Protože spalování probíhá mimo vlastní motor, který potřebuje pouze přívod tepla, lze jako palivo použít doslova jakýkoliv spalitelný materiál, což umožňuje široké uplatnění, vysokou účinnost spalování i výrazně tišší chod vůči motorům s vnitřním spalováním. Dvěmi nejčastějšími provedeními jsou Rainkinův cyklus realizovaný s organickým pracovním médiem (ORC) a Stirlingův motor. [39] Účelem této práce je provést kompletní rešerši výrobců Stirlingových motorů, jak úspěšných, tak neúspěšných, případně dostupných informací o odložených i zrušených komerčních projektech, s primárním zaměřením na kogenerační jednotky, z období posledních třech desetiletí. Tato práce rovněž na částečně parametrickém bilančním modelu rodinného domu ukazuje provozně ekonomickou bilanci při nasazení komerčně dostupné μchp jednotky na bázi Stirlingova motoru. Posledním bodem práce je stručná technickoekonomická analýza pro možnost komerčního nasazení Stirlingova motoru o výkonu v řádu 100 W. Stirlingův motor Stirlingův motor byl vynalezen skotským inženýrem Robertem Stirlingem v roce Tento motor je založen na Stirlingově cyklu, který na základě cyklické komprese a expanze 4

8 při převádění tepla z vyšší na nižší teplotní hladinu koná práci [1]. Jedná se o uzavřený termodynamický regenerativní oběh s vnějším přívodem tepla, v praxi realizovaný jako pístový stroj. Vnější přívod tepla dává motoru značnou výhodu oproti většině ostatních současných pístových motorů v teoreticky široké škále možností použitého paliva, případně v možnosti využití odpadního tepla. [17,81] Obr.1: Diagramy pv a Ts Stirlingova oběhu [17] Obr.2: Znázornění dějů ve Stirlingově motoru [17] Z termodynamického hlediska ideální cyklus sestává ze dvou izochorických a dvou izotermických dějů, pv a Ts diagramy jsou na obr. 1 a znázornění dějů na obr. 2. Konkrétními ději jsou 12 izotermická komprese, při které dochází k odvodu tepla. Kompresní píst se 5

9 pohybuje směrem k regenerátoru, zatímco expanzní píst zůstává stát. Tlak se zvýší z p 1 na p 2, zatímco teplota zůstává díky odvodu tepla konstantní. Nedochází ke změně vnitřní energie a pracovnímu médiu klesá entropie. Následuje izochorický přechod 23 na teplotní hladinu přívodu tepla, kdy se oba písty pohybují zároveň tak, aby nedocházelo ke změně měrného objemu. Médium je přesunuto z kompresního válce do expanzního přes regenerátor. Teplo přivedené při procesu 23 je totožné s teplem odvedeným při ději 41, v ideálním případě tedy pracovní médium použije pro přívod tepla v tomto ději pouze regenerátor a výsledná teplota po průchodu je teplota přívodu tepla T max. Nárůst teploty po průchodu regenerátorem je doprovázen zvýšením tlaku na p 3, nekoná se žádná práce. V ději 34 probíhá izotermická expanze, expanzní píst se posunuje směrem od regenerátoru, zatímco kompresní zůstává stát. V důsledku expanze dojde ke snížení tlaku. Teplota díky přívodu tepla zůstává konstantní, a tak práce vykonaná pístem přímo odpovídá přivedenému teplu. Nedochází ke změně vnitřní energie, narůstá entropie. Poté následuje izochorická regenerativní komprese, oba písty se opět pohybují současně a během proudění látky přes regenerátor je teplo média předáno do regenerátoru a teplota média po průchodu je T min, teplota odvodu tepla. Nekoná se práce, pracovnímu médiu klesá vnitřní energie a entropie. [17] Samozřejmě existuje možnost obrátit cyklus na chladicí. Tato možnost se též běžně používá a existují aplikace využívající chlazení na bázi Stirlingova motoru, např. [54] V ideálním případě se díky regeneraci jedná o zobecněný Carnotův cyklus, což dává předpoklad vysoké účinnosti. V reálném cyklu však nelze teplo přivádět a odvádět zcela izotermicky, obzvláště díky omezenému prostoru válce jako výměníku tepla. Stejně tak nelze realizovat dokonalý regenerátor, ve kterém jsou navíc významné tlakové ztráty. [17] Významnou roli ve ztrátách hraje rovněž mrtvý objem, který je tvořen částí válce a celým regenerátorem. Existuje množství typů a variací Stirlingova motoru a lze je třídit podle množství parametrů, které jsou detailně popsány v [17]. Základní rozdělení je dle konfigurace a vzájemného zapojení válců. Rozlišují se konfigurace alfa, beta a gama viz obr. 3. Konfigurace alfa se sestává ze dvou pístů v samostatných válcích, mezi kterými je umístěn regenerátor. Jedná o nejjednodušší koncepci, avšak oba písty vyžadují těsnění pracovního plynu a v praktické realizaci jsou relativně velké mrtvé objemy. Výhodou této konfigurace je možnost víceválcového uspořádání, kde jsou válce mezi sebou propojeny tak, že expanzní prostor jednoho pístu je spojen s kompresním prostorem druhého [17]. Toto zapojení dává díky dvojčinnému chodu výhodu v měrném výkonu a je používáno řadou výrobců. 6

10 Obr. 3: Zleva konfigurace alfa, beta a gama [17] Konfigurace beta využívá pouze jeden píst umístěný spolu s přesunovačem ve společném válci. Kompresní prostor je prostor mezi přesunovačem a pístem. [17] Konfigurace gama využívá stejně jako beta přesunovač, který je však ve vlastním válci. Kompresní prostor sestává z prostoru obou pístů a jejich propojení. Hlavní výhodou tohoto zapojení je poměrně jednoduchý klikový mechanismus.[17] Písty (příp. píst a přesunovač) motoru jsou běžně mechanicky svázány pro dodržení vzájemného pohybu při chodu. Stejnou funkci jako mechanické svázání může poskytnout i plyn fungující jako pružina. V takovém případě hovoříme o Stirlingově motoru s volným pístem, Free Piston Stirling Engine, FPSE. Používá se výhradně v konfiguraci beta. Stavba motoru zůstává zachována kromě spojení pístu a přesunovače, válec je na obou koncích zcela utěsněn. Při spojení s lineárním alternátorem uvnitř motoru je pak zcela eliminována možnost úniku pracovního media.[17] Nedávný vývoj v oblasti Stirlingova motoru Stirlingův motor je díky svému teoretickému potenciálu velmi vysokých účinností v popředí zájmu mnoha výzkumných institucí i společností. Bylo vypracováno množství studií, sestrojeno SW i HW modelů avšak vždy pouze s dílčími úspěchy. Vedle prací zaměřených na klasické typy Stirlingova motoru (alfa, beta, gama) se objevují i zcela odlišné a nové koncepce počínaje drobnými úpravami a zvládnutými technologiemi jako FPSE a Ringbom Engine [23], přes zcela nové koncepce jako Termoakustický Stirlingův motor [24], konče koncepty jako vícefázový motor[14]. Během posledních několika desetiletí bylo provedeno množství studií zaměřených na výkonnost různých typů Stirlingova motoru a byly značně propracovány numerické modely pro jejich řešení [1]. Přesto podle [2] je při návrhu 7

11 geometrických parametrů postupováno převážně na základě zkušeností vývojářů, kteří ale nemají dostatek experimentálně získaných dat. Dokonce i přes velké množství studií a zkonstruovaných experimentálních zařízení se žádné nedokázalo vyrovnat motorům s vnitřním spalováním a komerční nasazení nedosahuje žádané úrovně. Mnoho parametrických modelů a studií pro optimalizaci geometrie a pracovních podmínek (tlak, otáčky) je založeno na základě Schmidtovy teorie, [4,5], která je následně pozměněna a doplněna tak, aby byl výsledek bližší skutečnosti. Jako důkaz toho, jak drastický je rozdíl mezi výsledkem pouze na základě Schmidtovy teorie a skutečností, lze považovat [12], kde výstupní výkon odpovídal teplotnímu spádu 5,5 C, přičemž skutečné teploty přívodu a odvodu tepla byly 155 C a 20 C. U většiny modelů a experimentálních zařízení vyvinutých v posledních letech se uplatňují výpočtové metody Urieli, případně Urieli a Berchowitz [13,16], občas se objeví i jiné zcela nové metody, např. založené na rozdělení prostoru válce na jednotlivé oblasti, u nichž se popíše chování [2] nebo uzlové objemy nodal volumes vypočtení objemů v jednotlivých pozicích v rámci pracovního cyklu založeném na podobném principu jako Schmidtova teorie [9]. Při návrzích Stirlingova motoru se dospělo k mnoha cenným faktům. Podle [1] se se zvětšujícím se počátečním tlakem zvyšuje výkon i účinnost, ale snižuje se rychlost, při které je dosaženo maximálního výkonu. Na druhou stranu bylo v [7,8] zjištěno, že pro každou teplotu přívodu tepla existuje maximální tlak, nad nímž se již výkon snižuje, a na motoru se začnou projevovat vibrace. Tento tlak se nachází v oblasti poměrně malých rychlostí, což odpovídá [1], při nichž převládá efekt úniku pracovní látky nad pozitivními efekty a již se nezvyšuje krouticí moment [7]. Z hlediska rozboru ztrát Formosa [5] zmiňuje velký význam efektivity chladiče. Ve studii [7] byl proměřen nejprve regenerátor jako hladký válec a následně upravený tak, že jeho plocha vzrostla na 214%, čímž dosáhli 50 % zvýšení jeho účinnosti, což zůstalo za očekáváním. V regenerátoru je také velice významná tlaková ztráta, která ve ztrátách Stirlingova motoru hraje významnou roli. Regenerátor se na všech tlakových ztrátách díky malému průřezu pro průchod vzduchu podílí cca z 90 %. Mrtvé objemy, které by měly být teoreticky nulové, mohou u skutečných motorů dosáhnout až 50 % z jejich celkového vnitřního objemu. Na druhou stranu při výpočtu motoru pomocí isotermické i adiabatické analýzy se výsledky od sebe příliš neliší. Prostor pro zlepšení je také v kinematickém zapojení pístu a přesouvače [7]. Většina motorů používá rhombic drive [9], a to i přes jeho komplexnost a požadavky na přesnost, čehož je třeba pro správnou funkci [15]. Při porovnání rhombic drive oproti klikovému mechanismu je dosaženo o 10 % vyššího měrného výkonu za cenu ztráty 0,5 % na účinnosti [15]. Zjistilo se, že s měnícími se délkami 8

12 poloměrů jednotlivých částí rhombic drive se mění výkon i účinnost. Rostou s poloměrem usazení ojnic, avšak pouze do určitých otáček pohybujících se kolem rpm, za nimiž se začnou snižovat. Příčina tohoto jevu ale zatím není známa. Naprosto opačný efekt má vzdálenost středů ozubených kol. Tyto parametry ovlivňují zdvih pístu a přesunovače, a proto by měly být při návrhu motoru detailně zváženy [1]. Detailní rozbor a optimalizaci použití rhombic drive provedl Shendage [15], zatímco Katbulut [9] provedl rozbor použití a následně sestrojil experimentální zařízení s použitím páky ( lever ), konfrontoval výsledky s rhombic drive a dospěl k závěru, že výhody páky převažují nad nevýhodami a pro stejný výstupní výkon je v motoru nejnižší tlak. Cheng [1] zpozoroval, že motory jsou schopné se rozběhnout, pouze pokud jsou jim uděleny počáteční otáčky v určitém rozmezí. Mezi dalšími zajímavými prácemi Hirate [10] zhodnotil prototypový motor Ecoboy-SCM81, pro který následně navrhl změny pro zvýšení účinnosti. Wu [3] analyzoval optimální výkon Stirlingovo motorů, přičemž bral v potaz přenos tepla, čas, nedokonalost regenerace a nevratnost změn. Tím vytvořil nový teoretický základ pro vylepšování Stirlingovo motorů. Gu [11] navrhl Stirlingův motor s vysokou účinností za použití kompozitního (dvousložkového) pracovního média spolu s nadkritickou regenerací tepla. Shendage [15] a Thombare [17] zjistili, že pro spolehlivou funkci je zásadním problémem těsnění pracovní látky při vysokých tlacích a že je potřebné dbát na výběr systému pohybu pístu, převážně s požadavkem na minimální boční tah a maximální přiblížení ideálním objemovým změnám. Sripagorn [16] navrhl vzhledem k materiálovým problémům u vysokoteplotních motorů a naopak nízké účinnosti i měrném výkonu u motorů pracujících na nízkém teplotním rozdílu (Low Temperature Differential, dále LTD) jít cestou středních teplot ( C) s přijatelnou účinností a měrným výkonem při použití stále poměrně levných materiálů. S velice zajímavou prací přišel Invernizzi [6], který navrhuje použití plynů odklánějících se od chování ideálních plynů a tento real gas effect využít jako výhodu. Práce vychází mj. z Malonova motoru, který se podobal Stirlingovu motoru, avšak pracovním médiem byla voda. Z testů tohoto motoru ve 20. letech minulého století lze usuzovat, že voda byla za kritickým bodem a tak pracovním médiem byl spíše hustý plyn, než voda. Pokud je vhodný hustý plyn pracovním médiem, postačují pro stejný měrný výkon nižší tlaky a i při středně vysokých teplotách přívodu tepla lze dosáhnout dobré účinnosti. Vzhledem k vysokému použitému tlaku (min. 10 MPa) potřebnému pro překonání kritického bodu se usuzuje na efektivní přenos tepla mezi jeho zdrojem, případně regenerátorem a médiem díky zvýšenému koeficientu přenosu tepla. Vzhledem k použití pouze středně vysokých teplot (teplota přívodu C) by se však vysoké tlaky mohly aplikovat i za použití poměrně běžných 9

13 materiálů. Jako vhodné látky se jeví CO 2 nebo chladivo HFC-125, které je vzhledem ke kritické teplotě 66 C vhodné pro kogeneraci. Sanders [14] sestrojil matematický model a následně i experimentální zařízení, které potvrdilo předpovězené chování pro vícefázový Stirlingův motor. Jedná se o soustavu tří válců, v nichž jako písty fungují membrány. Tyto válce jsou mezi sebou spojeny do trojúhelníku a výstupní mechanickou prací je kmitavý pohyb jednotlivých částí této sestavy, který je možno využít lineárními generátory. Ačkoliv tento systém má díky pístům v podobě membrán mnoho výhod (těsnění, nízké ztráty, samostatný start), má toto zařízení velké ztráty disipací způsobené hysterezí plynové pružiny, gas-spring-hysteresis. Další komplikací, kterou však autor nezmiňuje, je případný přívod tepla k teplé straně velice nízkých a kmitajících válců nyní realizovaný pomocí odporových topných těles na těle válce. O konkrétní účinnosti se autor nezmiňuje. Přehled výrobců Stirlingova motoru V následující části práce je uveden přehled současných výrobců Stirlingova motoru. U každého výrobce jsou uvedeny konkrétní vyráběné motory a jejich nejdůležitější technické specifikace, pokud jsou k dispozici. Jedním z účelů tohoto přehledu je sumarizace skutečných výrobců a jejich odlišení od dodavatelů, případně firem nabízejících produkt, který je dosud ve fázi vývoje. Do výčtu nejsou zahrnuty výrobci čistě demonstračních a dekoračních jednotek a výrobci využívající Stirlingův cyklus pouze pro účely chlazení. V první části jsou uvedeny výrobci, kteří přinášejí komerční nasazení pro Stirlingův motor. Za ní následuje přehled firem a projektů, které byly době nedávné v komerčním nasazení, případně velice blízko od tohoto stavu, avšak se do prodeje nedostaly, nebo byla výroba zastavena. Whisper Tech Ltd (obchodní značka WhisperGEN), [41,42] Firma z Nového Zealandu produkující Stirlingovo motory jako off-grid zdroje elektrické energie i kogenerační jednotky na diesel či kerosin a on-grid jako kogenerační jednotky na zemní plyn. Od zemětřesení v únoru 2011 již nejsou k dispozici off-grid, převážně velmi malé, jednotky z důvodu zničení výrobních kapacit. V EU jsou kogenerační jednotky vyráběny od roku 2009 společným podnikem se španělskou firmou Mondragon. V roce 2012 dosáhlo celkové množství instalovaných jednotek v zemích EU jednoho tisíce. Kogenerační jednotka je běžně dostupná v Německu, Belgii, Holandsku, Velké Británii, Rakousku a Francii. Britský E-ON uvádí výpočet úspor při nasazení této jednotky. [80] 10

14 Obr.4 a 5:Konstrukční provedení motorů s viditelným systémem Wobble Yoke od WhisperGEN [42] Specifikace produktu: WhisperGen EU1 microchp Unit 4 válcový Stirlingův motor, válce naklápějí talíř, jehož pohyb je následně převeden na rotační patentovaný systém Wobble Yoke, jedná se o 4 cylinder double acting uspořádání, modifikaci konfigurace alfa, kde pomocí vzájemné konfigurace a propojení jednotlivých válců každý z pístů funguje jako expanzní i kompresní. Pracovním médiem je dusík, hlučnost 46 db. Palivo: Zemní plyn Spotřeba plynu: max 1,55 m 3 /h Vlastní spotřeba: Standby 11 W, při běhu 60 W (bez oběhového čerpadla pro teplou vodu) Elektrický výkon: 0,4-1,2 kw Tepelný výkon: 4,9-8,3 kw (nominální při C: kw; se záložním hořákem 13,2-14,5 kw) Účinnost: 96 % 11

15 Váha: 142 kg Rozměry: 491x838x563 mm Hluk: 46 db Generátor: 4-pólový, 1fázové zapojení do sítě Cena včetně instalace v Německu: EUR, ve Velké Británii včetně instalace cca 8000 (2010) [81] Obr.6: Vzhled kogenerační jednotky [41] Microgen Engine Corporation holding (MEC) (b.v., ltd, asia), [43] Společná korporace vlastněná převážně společnostmi BDR Thermea a Viessman pro společný vývoj a možnost masového nasazení μchp jednotek pracujících právě na principu Stirlingova motoru. Stránka [38] naznačuje, že při vývoji zřejmě spolupracoval Sunpower. Dle [81] vývoj prováděly firmy BG Group a Sunpower do r. 2007, kdy roli BG Group převzalo konsorcium MEC. Remeha B.V. část BDR Thermea (Die Dietrich Remeha GmbH), [44] Nizozemská společnost zabývající se veškerými produkty pro vytápění domácností (tuhá paliva, plyn, tepelná čerpadla, solární termické systémy, ). V roce 2010 údajně vyvinula μchp jednotku Evita pracující na principu Stirlingova motoru, která je k dispozici pouze u německé odnože firmy. Principielně se jedná o FPSE [82] Parametry jednotky: Evita Kondenzační kotel Palivo: Zemní plyn 12

16 Elektrický výkon max 1 kw, tepelný výkon 3,8-28 kw Hmotnost: 120 kg Rozměry: 490x910x471 mm Obr.7: μchp jednotka Evita by Remeha [82] Baxi součást BRD Thermea [45] Britská společnost, jejíž obor činnosti je prakticky totožný se spol. Remeha. Dodává kogenerační jednotku Baxi Ecogen TM, konstrukcí zcela totožnou s jednotkou Evita. K dispozici též od Současná cena: 7000 [83] Baxi-SenerTec UK součást BRD Thermea [46] Britská společnost, součást Baxi, vyrábí 5,5 kwe μchp jednotku Dachs E na bázi plynového spalovacího motoru a 1 kwe μchp Dachs SE na bázi FPSE, který na rozdíl od jednotek předchozích společností má maximální tepelný výkon 5,8 kw s možností doplňkového špičkového 18 kw hořáku a jednotka má větší rozměry 860x1340x1900 mm. Principielně se nejspíše jedná o totožnou konstrukci. K dispozici pouze na německé verzi stránek. Viessmann Werke GmbH & Co. KG, [47] Německá společnost, která v rámci konsorcia Microgen Engine Corporation nabízí s ostatními prakticky totožnou 1 kwe jednotku Vitotwin 300 [84]. Liší se částečně v rozměrech: 480x480x900 mm. Tepelný výkon udán 6 kw, k dispozici je informace o celkové účinnosti dosahující 96 % (Q s ) / 107 % (Q n ). Firma jednotku doporučuje v použití se špičkovým hořákem (26 kwt) pro aplikace, kde roční platba za energie překračuje Kč, tím pádem se předpokládá vysoké roční využití jednotky. Jednotka je dostupná i v ČR. 13

17 CLEANERGY AB, [48] Švédsko-Čínská společnost založená v roce 2008 skupinou investorů, která získala práva k motoru V 161 zkrachovalé německé společnosti Solo Kleinmotoren GmbH, připravila jej pro masové nasazení a v současnosti je dle vlastních slov jedním ze světových lídrů v oblasti Stirlingova motoru, avšak první vyrobené jednotky byly dodány teprve v letech Oblast užití jsou SCP jednotky o nominálním výkonu 10 kwe C10G a CHP 9 kw C9G. V obou případech se jedná o alfa-konfiguraci. V oblasti CHP je uplatnění technologie pro provozní potřeby plynovodů, standardní použití μchp jednotky je na zemní plyn, nebo bioplyn. Dodávána je kompaktní μchp jednotka. Jednotky v současnosti nejsou dodávány jako produkt pro běžného koncového zákazníka. Obr. 8: Koncepční provedení μchp jednotky C9G Cleanergy [48] Parametry jednotky: C9G Servisní interval je hod, intenzita vydávaného hluku 67 db, životnost 25 let, pracovním médiem je helium o tlaku 23 MPa, udávány ztráty pracovního media při zatížení (až ml/h), není vhodné trvale provozovat přes 80 % výkonu, možnost nestandardně použít jiný zdroj tepla o teplotě alespoň 700 C. Elektrický výkon: 2-9 kw Tepelný výkon: 8-25 kw Elektrická účinnost: 22-24,5 % Celková účinnost: >90 % Spotřeba plynu: 2,9 Nm 3 /h čistého metanu při 80 % zatížení Rozměry: 1450x700x1000 mm 14

18 Genoastirling S.r.l., [49] Italská firma založena pro zúročení zkušeností a vývoje z University of Genoa. Kromě vlastních motorů nabízí poradenství, návrh a výrobu pro Stirlingovo motory tak, aby vyhovovaly konkrétním aplikacím pro domácnosti, farmy, průmyslové podniky s odpadním teplem či pro CHP, nebo solární systémy. Firma nabízí pouze samostatné motory konfigurace gama v různých výkonových hladinách, vlastní instalace či konkrétní použití je již na zákazníkovi, firma nenabízí kogenerační jednotky. Zřejmě se jedná o kusovou výrobu. Specifikace produktů: GENOA00 Jednoválcový motor s elektrickým výkonem 0,35 kw, skříň, blok motoru a písty z hliníku, zbytek motoru z nerezové oceli, bez potřeby mazání, servisní prohlídka po 5000 hodinách chodu, vhodný pro trvalý provoz, dodací lhůta 40 dní, potřebný tepelný tok, či účinnost nejsou k dispozici. Pracovním médiem je vzduch. Zdvihový objem: 94 cm 3 Teplota přívodu tepla: 750 C Maximální tlak: 5 MPa Otáčky: 600 rpm Vnější rozměry: cca 520x550x320 mm Cena: EUR Obr. 9: GENOA03 od GenoaStirling [49] GENOA01 Dvouválcová verze předchozího, dvojnásobný celkový zdvihový objem, elektrický výkon 1 kw, ostatní parametry shodné s předchozím. Cena: EUR 15

19 GENOA03 Dvouválcový motor s elektrickým výkonem 3 kw, většina parametrů shodná s předchozími. Servisní prohlídka by měla proběhnout po hodinách provozu. Zdvihový objem: 880 cm 3 Maximální tlak: 2,5 MPa Vnější rozměry: cca 716x770x240 mm Cena: EUR Firma dále připravuje motory o výkonech 5 kwe a 7 kwe, které by měly být dostupné v roce Stirling DK [50] Dánská firma založená v roce 2004 na základě výsledků výzkumu z The Technical University of Denmark probíhajícího od r Výzkum byl zaměřen na vývoj Stirlingova motoru s konkrétním záměrem použití pro spalování biomasy. Byl vyvinut 35 kwe motor SD4-E, který je dodáván buď samostatně nebo v podobě mikroteplárenských celků určených pro spalování dřevní štěpky pomocí zplyňování, bioplynu, nebo fungující na základě pyrolýzy se současnou produkcí dřevěného uhlí. Obzvláště při spalování štěpky je pro větší výkony možné použití více motorů v paralelním zapojení. Existuje i možnost dodávek elektrárny jako celku namontované v přepravním kontejneru pro snadný transport a rychlé uvedení do provozu. Výrobce není ochoten jednotky dodat mimo severní Evropu. Podle [94] měla firma ve vývoji i 9 kwe jednotku SD-5 spalující zemní plyn. Specifikace motoru SD4-E: 4 válcový dvoučinný s patentovaným yoke mechanismem v konfiguraci alfa, pracovním médiem je helium, hladiny provozních tlaků 3,3-5,7 MPa, hmotnost 2,5 t, teplota přívodu tepla 700±50 C, vrtání 142 mm, zdvih 76 mm, maximální vstupní teplota chladící vody 60 C, servisní interval hodin, životnost hod, hermeticky uzavřená konstrukce, konstrukcí totožný s motorem Mawera, zřejmě se jedná o dřívější trademark. Elektrický výkon: 35 kw, tepelný výkon motoru 90 kw (celé teplárenské jednotky 140 kw) Příkon: 200 kw Elektrická účinnost: 28 % Cena v 2005 [94]: EUR/kompletní jednotku, EUR/modul se Stirlingovo motorem 16

20 Obr.10: SD4-E od Stirling DK samostatně a 4motorová soustava na štěpku [50] Stirling Holland [51] Holandská firma, která uvádí, že prodává motory vlastního designu, konstrukcí se jedná přímo o motory StirlingDK. Stirling Biopower Inc. [52] dříve STM Power Inc. Americká firma sídlící v Michiganu, která po 30 letém vývoji začala v roce 2008 prodávat Stirlingův motor jednotku PowerUnit, převážně pro účely získání energie ze spalování libovolných spalitelných plynů (zemní, skládkový,...), ale lze použít i jakékoliv jiné palivo či zdroj tepla. Možné je konvertovat primární zdroj pouze na elektrickou energii i zapojení pro CHP. Dle [94] existovala spolupráce s bývalou švýcarskou firmou Menag Group, která údajně nabízela 48 kwe jednotku ENX 55 s 30 % elektrickou účinností na stejné portfolio zdrojů. Specifikace PowerUnit: Použit 4 válcový dvoučinný motor v konfiguraci alfa. Počáteční přetlak 14 kpa. Možnost přívodu libovolného spalitelného plynu, případně možnost užití jiných paliv či proudu horkého vzduchu. Pro větší výkon slouží užití více jednotek. Jednoduchá montáž i zapojení, odolá povětrnostním podmínkám, nízké nároky na údržbu, předpokládá se zapojení v rozvodné síti. Elektrický výkon: 43 kw 480 V 60 Hz, 38 kw 380 V 50 Hz, třífázové zapojení Elektrická účinnost: %, celková účinnost pro CHP % 17

21 Obr.11: Jednotka PowerUnit by Stirling Biopower [52] Stirling Technology, Inc. [53], také trademark Stirling Dynamics, licencovaná výroba v Japonsku - Stirling Engine Company Americká společnost sídlící v Athens, Ohio, společný podnik s čínskou Shenyang UltimateAir Ventilator Co. Ltd., pro ventilační systémy s rekuperací energie za pomoci Stirlingova motoru. Předpokládané užití samostatných motorů pro off-grid výrobu elektrické energie, případně v kogeneraci, nebo pro využití mechanické energie v odlehlých oblastech (čerpání vody atp.). Výrobní závod v USA a v Indii. Obr. 12: Model ST-5, Stirling Technologies [53] Produkt: ST-5 Počáteční tlak v motoru 0,5 MPa zajišťovaný zabudovaným kompresorem, konstrukční provedení bez potřeby jakéhokoliv mazání, výměna ložisek po hodinách, životnost přes hod, pracovním médiem je vzduch. Mechanický výkon: 3,75 kw Tepelný využitelný výkon: 25 kw Potřeba tepla: 38 kw při 650 C Otáčky: 650 rpm 18

22 Sunpower, Inc. [54] Další americká společnost sídlící též v Athens, Ohio. Založena 1974 W. Bealem, vynálezcem FPSE [37], specializuje se na beta FPSE jak pro konverzi tepla na elektřinu, tak pro účely hlubokého chlazení cryocoolers. Pro konverzi mechanické práce na elektřinu používá vlastní design lineárního alternátoru, dále užívá také vlastní design vzduchových ložisek. Použití motorů je pro účely nízkovýkonové dodávky elektrické energie v odlehlých oblastech (zajištění chodu energetických produktovodů), využití koncentrovaného slunečního záření (Concentrated Solar Power, dále CSP), použití ve vesmírných aplikacích a přenosné zdroje pro vojenské účely. Výkonová řada se pohybuje od 7,5 kwe do 35 kwe, přenosné zdroje 160 We. Firma se zabývala vývojem malého 500 W-10 kw μchp zdroje BIOWATT TM pro spalování biomasy [76]. Ripasso Energy AB [56] Švédská společnost vyrábějící CSP jednotky s instalovaným výkonem 30 kw a účinností údajně 30 %. Spolu se společností Kockums AB [57] výroba Stirlingovo motorů na tekutý kyslík (AIP air independent propulsion) pro použití v ponorkách, kde je výhoda minimální hlučnosti a vysoké spolehlivosti. Tyto jednotky používá třída Gotland ponorek švédského královského námořnictva. Sunvention International GmbH, též BSR (Bomin Solar Research), Solar Technologies GmbH [58] Německá firma s koncepcí Energy Power Greenhouse využívá díky upravené konstukci jižní stěny skleníku přebytečné teplo při nadměrném oslunění při teplotách až kolem 200 C, které následně dále využívá např., pro vaření nebo produkci elektrické energie. V rámci konceptu je i ukládání tepla do akumulační nádrže a tím odstranění výkyvů ve výkonech. Koncept pro budoucí vývoj s použitím tekutého přesunovače v Y- Machine s možností paralelního řazení jednotek po 5 kwe pro off-grid aplikace. Specifikace vyráběného Stirlingova motoru: SunPulse Engine: Elektrický výkon 1,5 kw, přívod tepla při C, vnitřní tlak blízký atmosférickému, válec o průměru 2 m a výšce 0,5 m, předpokládaná životnost 30 let. Ačkoliv je motor nabízen jako produkt, web výrobce nasvědčuje, že vyrobeny byly dosud pouze prototypy. 19

23 Obr.13 a 14: The SunPulse Electric, by Sunvention [58] Ve // ingenieure GmbH [59] též Viebach engine Drobná německá firma stojící na osobě Dieter Viebach, prodávající plány, části i sestavený 500 W motor ST05G-CNC gama konfigurace, pro jednodušší výrobu lehce upravený experimentální motor ST05. Rozměry 350x300x600 mm, hmotnost bez setrvačníku 20 kg, pracovní medium dusík či vzduch při 1 MPa, otáčky 800 rpm, účinnost 22 %, možnost obráceného chodu pro dosažení až -100 C. Jedná se o konfiguraci gama. Cena složeného motoru EUR. SUCTION GAS ENGINE MFG. CO., LTD. [85] Japonská firma se zaměřením na výměníky tepla a kompresory. Stirlingovo motory jsou pro ni okrajovou záležitostí, která je stále ve fází vývoje a pro jednoduché rychlé ohodnocení libovolného Stirlingova motoru poskytují na webu jednoduchý skript, ze kterého lze i získat data pro další zpracování. Jako testovací produkty jsou poskytovány motory 100 W class Stirling Engine "Ecoboy-SCM81" a 1 kw class low temperature difference Stirling engine. V případě SCM81 se jedná o akademický design, model byl vyvíjen na universitách za podpory Japan Society of Mechanical Engineering. Pro 1 kw class byl dosáhnut výkon 740 W. V obou případech se jedná o konfiguraci alfa. INFINIA [60] former Stirling Technology Company Americká společnost se sídlem v Kennewick, Washington, specializující se na FPSE. Hlavním produktem společnosti jsou 3,2 kw CSP jednotky Powerdish, které dosahují účinnosti 24 %. Samostatné motory k dispozici nejsou. Firma vyvíjí 3 kw mobilní zdroj pro vojenské účely. Údajně má vyvinutou i CHP jednotku pro domácnosti a jednotku pro použití v odlehlých oblastech o výkonu 1 kwe/5 kwt[19]. Pro masovou výrobu a distribuci byla 20

24 v roce 2005 ustavena spolupráce s Japonskou firmou Rinnai a holandskou ENATEC microcogen B. V. [95], avšak od té doby nejsou o výsledcích spolupráce, či případných výrobcích k dispozici žádné zprávy. Stirling Systems Ltd. [61] Švýcarská společnost založena v roce 2004 jako dceřiná společnost Schweizerische Industrie-Gesellschaft ("SIG"), awtec Ltd. za účelem vývoje μchp jednotky, která by měla perspektivu být průlomovou technologií s možností masového nasazení. Byla vyvinuta jednotka založená na alfa FPSE o elektrickém výkonu 1,2 kw, tepelném 5 kw (špičkově 15 kw) pracující na 3,5 MPa a 650 C s heliem, a celkovou účinností >90 %. Jednotka se začala testovat ( field test ) v roce 2005, v roce 2008 měly testovací jednotky úspěšně za sebou provozních hodin a ohlásili vývoj nové generace motorů. Od té doby nejsou k dispozici další informace. Cool Energy, Inc. [62] Americká firma sídlící v Coloradu, která vyvinula Stirlingův motor SolarHeart pro účely napájení v odlehlých oblastech, CHP, využití odpadního průmyslového tepla a přeměny sluneční energie na elektřinu. V roce 2011 byly prodány první exempláře. Motor by měl na teplotním rozdílu 300 C dodávat 3 kwe s účinností 20 %, na rozdílu 210 C je výkon 2 kwe a účinnost 16 %. ReGen Power Systems [63] Obr. 15: SolarHeart od Cool Energy [71] Tato firma tvrdí, že vyvinula parní kondenzační Stirlingův motor pracující na rozdílu teplot 230 C s účinností 25% a výkony od 500 kw do 2 MW a dále na rozdílu teplot 100 C s účinností 13 % ve výkonové škále 250 kw až 1 MW. Spolu s critical pressure steam 21

25 expander, principielně parním strojem, jsou údajně schopni dosáhnout kombinovaného cyklu o celkové termické účinnosti 49 %. Obr. 16: Schéma ReGen kombinovaného cyklu [63] Firma přímo neposkytuje bližší informace o produktu, reference o instalacích, ani informace sama o sobě. Zřejmě má sídlo v USA v New Salem, Massachusetts, založena v r V roce 2007, že firma sháněla investora, který by poskytl částku USD [72]. Následuje přehled neúspěšných projektů a výrobců, kteří s nasazením jednotek na trh měli značné problémy, a výroba nebyla zahájena, nebo byla ukončena. Z uvedených informací o předchozích společnostech však vyplývá, že tato hranice není jasně daná a mezi neúspěšné firmy se již mohou řadit některé z předchozího oddílu. Inspirit Energy (dříve Diesenco, Sigma Elektroteknisk A.S.) [64] Britská společnost, která v r získala práva britské spol. Diesenco ldt. [81] uvádějící (neúspěšně) na trh μchp jednotku HomePowerPlants, která převzala norskou společnost zabývající se výrobou Stirlingovo motoru pro μchp Sigma Elektroteknisk A.S. Tato firma v roce 1999 zahajovala výrobu kogeneračních jednotek o výkonu 3 kwe a 9 kwt PCP 1-75 [73]. Prodej jednotek byl na velice nízké úrovni a aktiva společnosti byla koupena společností Diesenco, která však na počátku roku 2010 byla uvalena do nucené správy a aktiva týkající se μchp jednotky převzala Inspirit Energy. Nyní firma uvádí na trh μchp jednotku 176B, která vychází po množství změn právě z původní kostrukce Sigmy. Jednotka se měla začít zkušebně prodávat v roce Firma Diesenco kladla důraz na spolupráci 22

26 s automobilovým průmyslem a přizpůsobení konstrukce pro výrobní kapacity firem z automobilového průmyslu pro možnost aplikace masové produkce. Parametry: Založeno na kinematickém Stirlingovo motoru konfigurace beta, pracovním médiem helium, palivem je zemní plyn. Předpokládá se připojení na síť, výkon vyveden jednofázově, nejsou kladeny žádné nároky na strukturu umístění, nízké nároky na údržbu a tichý chod. Špičkový elektrický výkon 3 kw, tepelný 15 kw, případně s vodní akumulací udáván 25 kw. Elektrická účinnost 16 %, tepelná 76 %, celková dle výrobce 80 %. Obr 17: μchp jednotka Inspirit Energy [64] Epas GmbH [65] Epas je německá firma zabývající se v současné době převážně tepelnými čerpadly. Na vlastním webu nemá o žádnou zmínku o produkci Stirlingovo motoru, avšak dle [78] firma vyráběla CSP jednotku EPAS Stirling S 400 a dále EPAS Stirling BM 1000, 1 kwe μchp jednotku která využívala teplo ze spalování dřevních pelet. Obr. 18: CHP jednotka Sunmachine [92] 23

27 Öko-Energiemaschinen Vertriebs GmbH, značka Sunmachine [66] Rakouská společnost, nyní v platební neschopnosti, údajně vyráběla μchp jednotky poháněné spalováním pelet, plynu a CSP. Jednotka na spalování pelet dle [92] má 3 kwe, 10,5 kwt při příkonu 14,9 kw. Tepelný výstup 75 C / 60 C. Pracovním mediem je dusík, hmotnost 410 kg. Předpokládám, že v jednotkách na ostatní paliva byl použit totožný typ Stirlingova motoru. SOLO Kleinmoteren GmbH [67] Německá firma zabývající se výrobou zahradní techniky poháněné spalovacími motory, motorových pil a motorů do ultralehkých letadel. Kolem roku 1990 započala vývoj v oblasti Stirlingova motoru, který vyvrcholil v roce 2000 zavedením výroby μchp 10 kwe jednotky s motorem V161 na zemní plyn. Motor byl použit i v CSP aplikacích [74]. μchp jednotka sklidila řadu ocenění [93]. V roce 2006 se firma dostala do konkurzu, který značka přestála, ale práva k motoru byla odkoupena společností CLEANERGY AB, více mezi žijícími výrobci. UNITED STIRLING Dle [75] tato švédská firma vyráběla 15 kw víceválcový motor V160 D poháněný spalováním dieslu na základě licence firmy Philips. Testování motoru probíhalo kolem roku 1980, bylo testováno i CSP využití. O dalším osudu motoru či firmy chybí informace. Tedom [68] Tento český výrobce CHP jednotek využívající spalovací motory mezi lety 2002 a 2010 vyvíjel Stirlingův motor 180V1. Vývoj byl v roce 2010 ukončen bez dosažení vytyčených cílů. [86] KWB - KRAFT UND WÄRME AUS BIOMASSE GmbH, [69] Rakouská firma vyrábějící kotle pro spalování biomasy velikostí od 8 kw až po 300 kw a jejich příslušenství. Firma vyvinula μchp jednotku STIRLING POWER MODULE, která byla určena pro vlastní peletové kotle EASYFIRE 15 kw. Elektrický výkon byl 1 kw, motor byl 4 válcový. Stirlingův motor měl být dodáván jako samostatný modul, který mělo být možno nainstalovat i do již existujících kotlů. Jednotka není k dispozici a v oficiálních materiálech firmy o ní není žádná zmínka. Dle [77] byl projekt v roce 2010 pozastaven s doběhnutím field tests pro případné znovuoživení projektu. Případná prodejní 24

28 cena modulu vycházela na cca EUR, což tuto jednotku dělá ekonomicky nenávratnou. [77] Hoval [70] Fig.19: Kotel Easyfire se Stirlingovo motorem firmy KWB [87] Tato firma zabývající se tepelnou technikou měla v roce 2005 dle [94] 1 kwe modul s beta motorem pro zplyňovací kotel Agrolyt o tepelném výkonu 36 kw ve fázi fieldtest. Bilanční model rodinného domu pro výpočet ekonomiky nasazení μchp jednotky Pro posouzení možnosti použití μchp jednotky v technických, geografických a legislativních podmínkách v ČR pro případ běžné domácnosti byl sestaven bilanční model potřeb a výroby energií. Model byl vytvořen v tabulkovém kalkulátoru z důvodu variability a přehlednosti při jeho vývoji. Veškeré μchp jednotky, které umožňují nasazení v domácnostech, pracují pouze na zemní plyn. Jako modelovaná CHP jednotka byla zvolena jednotka od Whispergen EU1 microchp Unit (bez přídavného hořáku, neboť samostatná jednotka svým tepelným výkonem dostačuje). Jednotka v tomto složení pracuje v diskrétních provozních stavech: Power Level 1: 400 We, 4,9 kwt; Level2: 850 We, Level 3: 6 kwt, 1,2 kwe. [34] Model předpokládá provoz jednotky v režimu plný/nulový výkon. Tento režim je zvolen z důvodu nejvyššího teplárenského modulu e, přičemž účinnost kotle zůstává prakticky konstantní a rovněž z důvodu jednoduššího modelování výkonu jednotky v průběhu dne. Závislost teplárenského modulu e na tepelném výkonu viz obr. 20. Předpoklad tohoto provozního režimu je možný pouze se zařazením akumulace tepla v otopném systému. Vzhledem k pořizovací ceně takovéto high-tech jednotky a požadavku na vysokou provozní 25

29 účinnost je však zařazení tepelné akumulace do systému samozřejmostí. Dalším důvodem zařazení akumulace je využití vyššího příspěvku na kombinovanou výrobu elektřiny a tepla při provozu výhradně ve vysokém tarifu dle [28]. 0,2 tepl. modul e 0,15 0,1 0, Tepelný výkon [kw] Obr. 20: Závislost teplárenského modulu e na tepelném výkonu Bilanční model byl sestavován se snahou o maximální parametrizaci vstupních údajů, aby byl univerzálně použitelný. Jako výchozí stav typického rodinného domu, novostavby či stavu po zateplení, je předpoklad roční potřeby tepla ve výši Q h =63 GJ=17,5 MWh a elektrické energie ve výši Q el =3 MWh. Umístěním Ostravice, venkovní výpočtová teplota t ev =-15 C, vnitřní výpočtová teplota t i =19 C, průměrná venkovní teplota je 3,8 C, délka topného období n 0 =236 dní. [96] Po určení výpočtového ztrátového výkonu objektu se předpokládá lineární závislost potřeby tepla pro vytápění v závislosti na venkovní teplotě. Ta je určena výpočtovým ztrátovým výkonem objektu při venkovní výpočtové teplotě t ev a vnitřní výpočtové teplotě t i, která teoreticky odpovídá nulovému potřebnému výkonu. Dále je zadána průměrná vnější teplota pro konec otopného období t 0 =13 C. Zdroj tepla pro přípravu TUV se předpokládá ze stejného zdroje jako teplo pro vytápění objektu. Předpokládám tříčlennou domácnost, která má spotřebu tepla v TUV 22,68 GJ (6,3 MWh) za rok, což odpovídá průměrnému výkonu 0,719 kw. Pro jednoduchost se předpokládá konstantní potřeba teplé vody v závislosti na vnější teplotě t e. Hodnoty ztrátového výkonu objektu a potřeby tepla pro TUV jsou nastaveny dle výpočtu [96], aby odpovídaly celkové roční bilanci. Po sečtení závislosti potřeby tepla pro vytápění na t e a potřeby tepla pro přípravu TUV je získána závislost průměrného výkonu topné soustavy v závislosti na průměrné vnější teplotě, viz obr

30 Průměrný výkon tep. soustavy [kw] Vnější teplota te [ C] Obr. 21: závislost průměrného výkonu topné soustavy v závislosti na průměrné vnější teplotě Z univerzálního diagramu trvání teplot v otopném období v ČR [99], závislosti ϑ reprezentující průběh teplot na τ značící průběh času (ϑ,τ mají rozsah mezi 0 a 1) je získán roční diagram trvání teplot pro danou lokalitu dle vzorce (1), (2) viz obr. 22. = (1) = ( ) (2) te [ C] n [dny] Obr. 22: roční diagram trvání teplot pro Ostravici Diskrétní hodnoty, kterými byl použitý univerzální diagram zadán, dělí otopné období zadané n 0 na 20 stejně dlouhých období, kdy ke každému je přiřazena vnější průměrná teplota. Dosazením této teploty do dříve získané závislosti průměrného potřebného výkonu na teplotě je získán průměrný tepelný výkon soustavy v daném období Q av, a z nich je získána závislost trvání potřeby tepla. Pro teploty vyšší, než t 0 odpovídá potřeba tepla pouze přípravě TUV. Po vynásobení průměrného výkonu počtem hodin v daném období je získána celková potřeba tepla v daném období. Konec posledního období je pro n=365, neboť u rodinného 27

31 domu předpokládám celoroční provoz. Vzhledem k tomu, že takto vypočtená roční potřeba tepla neodpovídá zadané, ale je vyšší, tak jsou původní vypočtené průměrné výkony Q av_i vynásobeny koeficientem x tak, aby výsledná spotřeba odpovídala zadané. Tento koeficient odpovídá korekčním součinitelům z výpočtu [96], pro počítaný případ byl x=0,87. Výsledná závislost pro modelovou budovu v tab. 1 a graf potřeby tepla je na obr výkon tep. soustavy Q av [kw] dny [1] Obr. 23: Graf trvání tepelného výkonu soustavy (potřeby tepla) dny t e [ C] Qav [kw] Q [MWh] , ,8-8,84 4, , ,6-5,48 3, , ,4-3,52 3, , ,2-2,12 3, , , , ,8 0,064 3, , ,6 0,876 3, , ,4 1,576 2, , ,2 2,36 2, , ,06 2, , ,8 3,9 2, , ,6 4,74 2, , ,4 5,636 2, , ,2 6,56 2, , ,456 2, , ,8 8,52 2, , ,6 9,584 1, , ,4 10,592 1, , ,2 11,74 1, , , , , , , Tab. 1: Trvání potřeby tepla pro modelový dům 28