A helyi energiatermelés kanadai tapasztalatai

Korszerű energetikai berendezések

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 44. k. 8–9. sz. 2005. p. 91–98.


A helyi energiatermelés kanadai tapasztalatai A helyi energiatermelés hő és villamos energia egyidejű előállítását jelenti helyileg az egyes lakókörzetekben, vagy akár házanként. Műszaki, környezetvédelmi és gazdasági szempontból egyaránt járható utat kínál a lakóhelyi energiaigények kielégítésére. Mielőtt azonban nagy méretekben bevezetnék ezeket a rendszereket, sok kérdést tisztázni kell a rendszerintegráció, az összekapcsolás, a megbízhatóság és a biztonság szempontjából. E célból két bemutató házat építettek a Kanadai Lakásépítési Technológiai Központban. A kombinált hő- és villamosenergia-termelő egység Stirlingmotorral működött. Összeállításunk a mérések eredményeit és a levonható következtetéseket is ismerteti.

Tárgyszavak: villamosenergia-termelés; helyi energiatermelés; KHV; Stirling-motor.

A kisméretű kapcsolt hő és villamosenergia-

leges forrásként, akár mint tartalék energiával

termelő (KHV) rendszerek, amelyek egyszerre

látják el a lakóhelyeket. Ezek a rendszerek

képesek hőt és villamos energiát termelni egy

még figyelemreméltóbbak ritkán lakott terüle-

közösség vagy egy különálló háztartás számá-

teken, ahol a központi erőművek hiányoznak,

ra, életképes alternatívái a nagy, drága közpon-

és a csatlakozás a villamos hálózathoz a magas

ti villamosenergia-termelő erőműveknek. Az

költségek miatt nem engedhető meg, vagy nem

utóbbi évek üzemzavarai Észak-Amerika és

kívánatos.

Európa energiarendszereiben a közvélemény érdeklődését a kis villamosenergia-termelő

A helyi energiaelőállítás a hő és a villamos

egységek felé fordították, amelyek akár elsőd-

energia egyidejű helyszíni előállítását jelenti a

91


lakóhelyeken. Ezt a megoldást gyakran helyi

előnyeiket a lakossági piacon. A helyi KHV-

kapcsolt hő- és villamosenergia-termelésnek

rendszerek tipikus teljesítménysávja 1 és 10

nevezik. A helyi kapcsolt hő- és villamos-

kW között van, ezzel képesek lesznek egy ti-

energia-termelés az üvegházhatású gázok cse-

pikus háztartás villamos energia és hő iránti

kély kibocsátásával képes a lakóhely villamos

igényének teljes vagy részbeni ellátásra. E

energia és hő iránti igényeinek kielégítésére,

rendszerek többsége egyaránt alkalmas a szi-

miközben eleget tesz a magasabb szintű kör-

getüzemű és a hálózattal összekapcsolt műkö-

nyezetvédelmi

(Kiotói

désre. Mindkét esetben a villamosenergia-

Egyezmény). A villamos hálózat ebben az új

termelés során keletkezett hő felhasználható,

környezetben nem elsődleges energiaellátó

téli időszakban a helyiségek fűtése és vízmele-

eszközként szerepel, hanem mint a helyi egye-

gítés céljára, nyáron termikus hűtésre alkal-

sített hő- és villamosenergia-termelő rendszer

mazható.

követelményeknek

tartaléka, illetve a visszatáplált villamos energia felvevője. A helyi KHV-technológiák tö-

A kanadai kutatók két demonstrációs és kísér-

meges bevezetését meg kell alapozni a rend-

leti házat építettek a Kanadai Lakásépítési

szerintegráció, az összekapcsolás, a biztonság

Technológiai Központban, a különböző ener-

és a megbízhatóság kérdéseinek elemzésével

getikai és építési technológiák valós körülmé-

és kísérleti vizsgálatával.

nyek közti értékelésére. A projektet a kanadai elektromos és gázszolgáltatók, a kanadai kor-

A világszerte zajló kutatások eredményként

mányhivatalok és egy kanadai tüzelőanyag-

többféle technológiát fejlesztettek ki a helyi

elem-gyártó részvételével létrehozott konzor-

energiaelőállítás céljára. A legígéretesebb he-

cium finanszírozta. Az egyik kísérleti házba a

lyi KHV-eszközök a Stirling-motorok és a

helyi energiaelőállítás egy prototípusát építet-

tüzelőanyag-elemek. A tüzelőanyag-elemek a

ték be, amely villamos és hőenergiát állított

legvonzóbbak vitathatatlan energetikai előnye-

elő a ház számára, a többlet villamos energiát

ik miatt, viszont még a fejlesztés fázisában

pedig visszatáplálta a hálózatba. A kutatás fő

vannak, és bizonyos időre van szükség a piacra

célja az épületbe való integrálás, a helyi

való bevezetésükig. A lakásokban alkalmazha-

energiaelőállítás tervezési kérdései, valamint a

tó Stirling-motorok már közel kerültek a ke-

teljesítményjellemzők tanulmányozása volt.

reskedelemben való megjelenéshez, a fejlesz-

Megteremtették a főbb jellemzők részletes

tők ugyanis idejekorán észrevették jelentős

mérési és megfigyelési lehetőségeit is.

92


A kísérleti házak

rendszer használatára. Az értékelés során azzal számolhattak, hogy a tesztház energetikai jel-

A Kanadai Lakásépítési Technológiai Központ

lemzők szempontjából közel azonos a referen-

kutatási létesítményei két épületből állnak,

ciaházzal, így a két házon mért adatok különb-

ezek a referenciaház és a tesztház. Ezeket a

ségei éppen a tesztházba épített műszaki meg-

helyi R 2000 szabvány szerint építették, alap-

oldások hatását mutatják. A tesztházon egy-

rajzuk, felépítésük teljesen egyforma. Az

szerre csak egy összetevőt változtatnak, heti

energetikai teljesítménymutatók, a hőérzeti

intervallumokban. A házak legfontosabb jel-

komfort figyelemmel követésére nagy pontos-

lemzői az 1. táblázatban láthatók.

ságú megfigyelőrendszert építettek ki. A házak több kísérletsorozat elvégzésére szolgálnak, a

Mindkét házat fejlett, a lakásautomatizálási

tesztházat rendszerint újító jellegű energiataka-

technológia legmodernebb vívmányait felvo-

rékossági elemek vagy rendszerek beépítésére

nultató szabályozóeszközökkel szerelték fel,

(kipróbálására) használják. A referenciaház

amelyek irányítják a világítást, a víz- és gáz-

mindig változatlan, így a teljesítményekben

ellátást és a nagyobb eszközöket (fűtés, kony-

keletkező változást dokumentálhatják, össze-

hai tűzhely, mosógép, szárító, mosogatógép).

hasonlíthatják a két ház eredményeit.

Az irányítási rendszer egyaránt tartalmazott készen kapható modulokat és egyedi fejleszté-

A referenciaház tipikus kétszintes, favázas

seket, egyformán mindkét házban. A lakók

ház, öntött beton alappal, 210 m2 lakóterület-

jelenlétét (hőtermelését) és a kisteljesítményű

tel. A szerkezete és a kivitele tipikus a helyi

elektromos készülékeket lámpákkal szimulál-

ingatlanpiac viszonyaihoz képest. Jó hatásfo-

ták. 20 kWh/nap villamosenergia-felhasználást

kú, zárt égőterű kondenzációs gázkazánnal,

tűztek ki célul, ami elfogadható norma a

motoros keringetésű, hagyományos vízmelegí-

lakóházmodellezési rendszerekben.

tővel, hővisszanyerő ventilátorral, egyéb jó hőszigetelésű szerkezetekkel látták el az R-

Szabályozási stratégia

2000-es szabvány előírásainak teljesítése céljából.

A helyi KHV alkalmazása érdekében a követA tesztház alapvetően teljesen azonos a refe-

kező változásokat és módosításokat hajtották

renciaházzal, de alkalmassá tették a helyi

végre a tesztházon (1. ábra):

egyesített

hő-

és

villamosenergia-termelő 93


1. táblázat A házak jellemzői Alkotóelem Építési szabvány Szintek száma Lakóterület alapozás Garázs Födém Falak Födémgerendák Garázs feletti födém Alagsor falai Alagsor padlózata Ablakok Légszigetelés Légmentesség

Jellemző R-2000 2 210 nm Öntött beton, a teljes alapterületre Két autós, a ház alá süllyesztve, külön vezérlőhelyiség a garázsban RSI 8.6 RSI 3.5 RSI 3.5 RSI 4.4, fűtött, hűtött, nyomószellőztetéses légrés a hőszigetelés és a födém alja között RSI 3.5 zsaluzott falak, nedvesség elleni szigetelés nélkül Betonlemez, hőszigetelés nélkül Hőszigetelt, argontöltésű, 95% argontartalom, délre néz 16,2 m2, összes 35 m2 Külső, rostlemez burkolat időjárásálló hordozón; szigetelt áttörések (ablak is) Referenciaház: 1,07 ach 50 Pa nyomásnál Tesztház: 0,97 ach 50 Pa nyomásnál Nagy hatásfok (84% névleges) Gáztüzelésű, kondenzációs, hatásfok 91% (mért) Hagyományos, kényszerkeringetés, hatásfok 67% (mért) Nagy hatásfok, SEER 12 (névleges)

Hővisszanyerő ventilátor Kazán Vízmelegítő Légkondicionálás

feszültségminőség-mérő transzformátor

külső, vízálló, lezárható leválasztó kapcsoló

PQM

200 A M1

M2

4 pólusú átkapcsoló

200 A

fogyasztásmérő

PQM

adatgyűjtő, lakók szimulációja

M3 M4

100 A-es kapcsoló, 20 A-es biztosítóval táplált vezeték

a ház terhelései

a generátor kimenete

generátor

energiaáramlás

1. ábra A tesztház módosított villamos enrgia rendszere

94


keresztül egy váltakozó áramú generátort hajt

Elektromos változtatások

meg. A kipufogógázból és a motor hűtőA módosításokat annak érdekében alkalmaz-

rendszeréből visszanyerik a hőt meleg víz

ták, hogy egy 40 kW-os KHV-egységet épít-

formájában, és egy hőhasznosító modulon ke-

hessenek be, hálózattal együttműködő vagy

resztül hasznosítják azt. A megtermelt vil-

hálózattól független üzemre. A vezetékezést a

lamos energiát vagy a ház igényeinek kielé-

következőképp módosították a tesztházban:

gítésére használják, vagy visszatáplálják a há-

• három kiegészítő, kétirányú impulzusszám-

lózatba.

lálós fogyasztásmérőt, egy kiegészítő feA berendezések és szabályozásuk

szültségminőség-mérő műszert telepítettek megfigyelési célokra; • vízbehatolás ellen védett, lelakatolható,

A Stirling-motor termikus hajtású motor, a

szabványos leválasztókapcsolót szereltek a

helyi energiaelőállítás teljesítménye nagymér-

ház külső részére;

tékben a hulladékhő hasznosításának hatásfo-

• felszereltek egy négypólusú átkapcsolót,

kától függ. A projekt céljára a ház meglévő

ami különböző generátor-üzemmódokat tett

gáztüzelésű helyiségfűtési és melegvíztermelő

lehetővé, újrahuzalozás nélkül;

rendszerét kiegészítették hőtároló egységekkel

• 100 A-es megszakító/leválasztó kapcsolót

és összekapcsolták a helyi energiatermelő egy-

szereltek 20 A-es biztosítóval, a tesztelt ge-

séggel, ahogy a 2. ábrán látható. A későbbiek-

nerátor védelmére és leválasztására.

ben a gáztüzelésű kazánt tartalék vagy helyettesítő kazánként használták abban az esetben, ha a helyi energiatermelő egység a nagy terhe-

Stirling-motor

lés vagy üzemzavar miatt nem tudta kielégíteni A projekt során a helyi energiaelőállítási tech-

az igényeket. A rendszert két kapcsolási mód-

nológiaként

KHV-egység

ban vizsgálták, hogy kiderítsék: az előremenő

állította elő a hő- és villamos energiát. A zárt

fűtővíz és visszatérő hűtött víz áramási iránya

Stirling termodinamikai ciklus alapján a gép

hogyan befolyásolja az üzemelési és összha-

736 We elektromos és 6,5 kWhő termikus ener-

tásfokot:

gia termelésére volt képes. A nitrogén mun-

• 1. kapcsolási mód: a tárolótartályt (ST) a

kaközeg ciklikusan felmelegszik és lehűl,

forróvíztartályt (HWT) helyettesítő fűtőké-

miközben a gáznyomás a dugattyúkat fel és

szülékként használják, a tárolótartály meleg

le mozgatja; a motor mechanikus áttételen

vizét a forróvíztartály felé keringetik, és a

Stirling-motoros

95


forróvíztartály lehűlt vizét vezetik vissza a

let adott érték alá csökken, és kikapcsolják

tárolótartályba.

mindkettőt, ha a forróvíztartály kimenő víz-

• 2. kapcsolási mód: a tárolótartály (ST) sor-

hőmérséklete meghalad egy ennél magasabb értéket.

ba van kötve a forróvíztartállyal (HWT), a forró vizet a tárolótartályból a forróvíztartályba, utána a helyiségek fűtőtestjei felé

Mérési eredmények

keringetik, majd vissza a tárolótartályba, vagy a vízmelegítő felé.

A helyi energia-előállító rendszert 2003 telénMindkét kapcsolási módban a KHV-egység

tavaszán értékelték. Elemzési célból a teljes

fűti a melegvíztartályt (ST) zártkörű hőcse-

időszakot kis egységekre osztották, amelyekre

rélőn keresztül. A rendszer szabályozására

meghatározták az energiaegyensúlyt és a rend-

többféle stratégiát kipróbáltak, az egyszerű

szerhatásfokot. Lényegileg minden ilyen kis

hagyományos szabályozásoktól a bonyolult,

egység önálló kísérletként fogható fel (3. ábra).

mesterséges intelligenciát felvonultató algo-

Amint az várható volt, mind a Stirling-motor

ritmusokig. A módszerekben közös az, hogy a

teljesítménye, mind az üzemi egyensúly nagy-

KHV-egységet és a szivattyút bekapcsolják, ha

mértékben a rendszer hőterhelésétől függ. Az

a tárolótartály felső részén mért vízhőmérsék-

elemzésből levonható néhány következtetés:

AH

légkondicionáló

DHW

melegvizes rendszer

CHP

KHV-egység

ST

tárolótartály

HWT

forróvíztároló

City

városi vízellátó hálózat

szivattyú

2. ábra A hőtechnikai rendszer sémája

96


4,5

villamos teljesítmény, kW

4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 10:00

12:00

14:00

16:00

18:00

20:00

22:00 a ház igénye

idő

0:00

2:00

4:00

a KHV betáplálása

6:00

8:00

hálózati betáplálás

3. ábra A mért villamos teljesítmények alakulása egy kísérlet során (1. kapcsolási mód, a negatív hálózati betáplálás a visszatáplálást jelenti) A KHV-egység hatásfoka

berendezések üresjárási veszteségei viszonylag állandóak, míg a hasznos hő erősen változik a

A helyi energiaelőállító egység hatásfoka csak

helyiségfűtési terheléssel. A berendezések ha-

kissé emelkedett a hőterhelés növekedésével.

tásfoka 47,6%-tól (csak melegvíz) 80%-ig (név-

Amikor nem volt igény a helyiségek fűtésére

leges terhelés) változik, miközben a teljes rend-

(csak melegvízigény volt) a ház átlagos ener-

szer hatásfoka 41%-tól 70%-ig. A vizsgált két

gia igénye 0,48 kW volt. Elérve a helyi ener-

kapcsolási mód szerint kevés eltérés volt. A

gia-előállító egység 6,5 kW névleges kimenő

részletesebb elemzés alapján a 2. kapcsolási

kapacitását, ez 4,88 kW termelt hőt jelent, a

módban a villamosenergia-termelés hatásfoka

rendszerhatásfok ekkor 75% volt. A statiszti-

egy kicsit jobb volt, mint az 1. módban.

kai elemzések szerint a KHV-egység fűtési hatásfoka 74%-tól csak 79%-ig változott, a villamos hatásfok pedig 5,5%-tól 9%-ig a

A hőtároló, mint illesztés

rendszer teljes kapacitásánál. A teljes KHV-

a KHV és a légkezelő között

rendszer hatásfoka csak 79,5%-tól (csak melegvíz) 88%-ig (névleges terhelés) változott.

A hőtároló a hőt a KHV-egységtől kapja apránként, és a légkondicionálóhoz, valamint a

A teljes rendszer hatásfoka

melegvizes eszközökhöz továbbítja rövid, de

A teljes rendszer hatásfoka határozott összefüg-

intenzív hőközléssel járó adagokban. Ez a mű-

gést mutat a hőterheléssel. Ez azért van, mert a

ködési mód kritikussá teszi a hőtároló megfe-

97


lelő méretezését. Az optimálisan tervezett táro-

időit, és ezáltal maximalizálják a hőtermelő

lótartály képes a KHV-egység működési peri-

rész teljes hatásfokát;

ódusait megnyújtani, csökkentve az üresjárási

• a KHV-egység szerepe nyáron, amikor a

hőveszteséget, miközben ki tudja elégíteni a

hőterhelés kicsi, és a termikus berendezések

légkondicionálás és a melegvizes rendszer

hőveszteségei a házéhoz képest viszonylag

energiaigényét.

magasak. A kísérletek során számszerűen meghatározták a Stirling-motor alkalmazásán alapuló helyi

Vitás kérdések, következtetések

kapcsolt hő- és villamosenergia-termelő rendszerek hatékonyságát. Az épületbe való integ-

A bemutatott projekt keretében a Kanadai La-

rálás, az alkalmazott illesztések, a hőtárolás, az

kásépítési Technológiai Központ kísérleti há-

irányítás és a KHV-rendszer méretezésének

zainak egyikében sikeresen építettek be egy

kérdéseit is megvizsgálták. A helyettesítő

kapcsolt hő- és villamosenergia-termelő egy-

elemző megoldások és a matematikai model-

séget, amely villamos energiát és hőt termelt a

lek, valamint a kísérletek egyaránt a rendszer

ház számára, a felesleges villamos energiát

méretezésének és a hőtárolásnak a fontosságát

pedig visszatáplálta a hálózatba. A ház megle-

emelték ki. A hatásfokot leginkább a KHV-

vő villamos és hőtechnikai rendszerét kissé át

egység üresjárási időszakai okozták. Ezt a tá-

kellett alakítani az új berendezések befogadá-

rolótartály növelésével és optimalizált szabá-

sára. Maradt ugyanakkor néhány vizsgált, de

lyozási eljárásokkal lehetett javítani.

nem egyértelműen megoldott kérdés: • a helyi villamosenergia-szolgáltatók ellenál-

Összeállította: Rusai László

lása a helyileg visszatáplált villamos energia hálózatba való befogadásával szemben; Irodalom

• a Kanadai Elektromos Művek igénye egy külső, vízmentes, lezárható leválasztókap-

[1] Entchev, E.; Gusdorf, J. stb.: Micro-generation

csolóra, amely lehetővé teszi az elektromos

technology assessment for housing technology. =

szolgáltató számára, hogy a kapcsolt hő- és

Energy and Buildings, 36. k. 9. sz. 2004. p. 925–

villamosenergia-termelő egységet hiba és ja-

931.

vítás esetén kézzel lekapcsolják a hálózatról;

[2] Entchev, E.: Residential fuel cell energy systems’

• az elrendezés optimalizálása (a hőtárolás és

performance optimization using „soft computing”

-elosztás terén), annak érdekében, hogy mi-

techniques. = Journal of Power Sources, 118 k. 1–2

nimalizálják a KHV-egység lekapcsolási

sz. 2003. p. 212–217.

98

A helyi energiatermelés kanadai tapasztalatai

Recommend Documents