Biuletyn AGH
Magazyn Informacyjny Akademii Górniczo-Hutniczej
23 lipiec 2019
Strona GłównaBiuletyn AGHArchiwumKontakt
Hybrydowe systemy poligeneracyjne

Ogólną tematyką prac zespołu dr. hab. inż. Mariusza Filipowicza, prof. AGH jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w hybrydowych systemach poligeneracyjnych. Prace te obejmują następujące zagadnienia:

  1. modelowanie numeryczne układów energetyki odnawialnej,
  2. energetyczne wykorzystanie biomasy,
  3. układy kogeneracyjne i trigeneracyjne,
  4. analiza potencjału energetycznego innych odnawialnych źródeł energii.

Odnawialne źródła energii (OZE) odgrywają coraz bardziej istotną rolę w energetyce. Jest to związane z tym, że wykorzystanie tych źródeł nie powoduje ich deficytu, w przeciwieństwie do kopalnych źródeł energii. Można wymienić wiele form OZE, na przykład promieniowanie słoneczne, wiatr, opady, pływy morskie, fale morskie i geotermia.

Stanowisko do walidacji modeli CFD systemów dystrybucji powietrza do kotłów biomasowych

Stanowisko do walidacji modeli CFD systemów dystrybucji powietrza do kotłów biomasowych - źródło M. Szubel

Według ogólnie dostępnych danych (Wikipedia) OZE zaspokajały w 2015 roku 19,3 procent energetycznego zapotrzebowania ludzkości. Jest to już znaczący udział, a należy mieć na uwadze, że od początku XXI wieku wartość światowych inwestycji w odnawialne źródła energii rośnie w sposób wykładniczy. Jest to efektem wielu czynników, między innymi jest spowodowane rozwojem technologicznym, przekładającym się na spadek cen układów OZE czy istnieniem różnych form wsparcia wprowadzanych przez wiele państw.

Dynamika płaszcza wodnego kotła na biomasę CFD

Dynamika płaszcza wodnego kotła na biomasę CFD - źródło M. Szubel

Według zwolenników OZE, rozwiązują one wiele współczesnych problemów energetyki, na przykład tych związanych ze spalaniem paliw kopalnych (stanowiących nadal źródło ponad około ٨٠ procent całkowitej energii), wśród których najistotniejsze to zanieczyszczenie środowiska czy wzrost cen paliw kopalnych związany z wieloma czynnikami.

Dla przeciwników, źródła te obarczone są licznymi wadami, między innymi są jeszcze dość kosztowne czy też niestabilne jest generowanie z nich energii.

Dlatego podejmuje się wiele wysiłków w sferze badawczej, aby zniwelować te wady i zapewnić szersze wykorzystanie OZE. Główne prace badawcze toczą się w obszarach maksymalnego wykorzystania dostępnych lokalnie OZE, opracowywania nowych i poprawiania istniejących technologii, magazynowania energii na potrzeby OZE, sprzęgania lokalnych źródeł OZE w bardziej rozbudowane struktury, na przykład wirtualne elektrownie, opracowywanie systemów hybrydowych, dokładniejsze prognozowanie produkcji z odnawialnych i innych źródeł energii.

Proces suszenia słomy w dedykowanych suszarkach

Proces suszenia słomy w dedykowanych suszarkach - fot. W. Goryl

Skromny udział w tych badaniach ma opisywany zespół, który działa w kilku kierunkach związanych głównie z wykorzystywaniem lokalnie dostępnej biomasy (także promieniowania słonecznego, energii wiatru) pod kątem efektywniejszego wytwarzania ciepła i generacji energii elektrycznej; intensywnie wykorzystywane są tutaj metody obliczeniowe – modelowanie computional fluid dynamics CFD i symulacje numeryczne. Tworzone są prototypy instalacji i badane ich podstawowe parametry, weryfikowane są metody pomiarowe i numeryczne.

Pomiar termowizyjny powierzchni suszonego balotu słomy za pomocą kamery termowizyjnej

Pomiar termowizyjny powierzchni suszonego balotu słomy za pomocą kamery termowizyjnej - fot. W. Goryl

Zagadnienie a) obejmuje wykonanie modeli numerycznych dla badań problemów związanych z OZE, na przykład określających kinetykę zgazowania, pirolizy i spalania biomasy pod kątem optymalizacji pracy kotłów na biomasę. Dzięki poznaniu mechanizmu spalania – określeniu stref spalania i generacji ciepła oraz zanieczyszczeń – możliwa jest poprawa istniejących urządzeń do spalania paliw i tworzenie nowych konstrukcji. Możliwe jest między innymi określenie w ten sposób optymalnych wymiarów zasadniczych elementów, konstrukcji i pracy istotnych elementów tych kotłów, na przykład systemu doprowadzania powietrza do komory pierwotnej kotła.

W zespole wykonano również model turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, gdzie określono wpływ pewnych elementów turbiny – łopatek naprowadzających powietrze na jej pracę.

Wykonano symulacje numeryczne wymienników ciepła generowanego przez skoncentrowane promieniowanie słoneczne i inne promieniowanie.

Prace badawcze na instalacji kotła na biomasę – słomę

Prace badawcze na instalacji kotła na biomasę – słomę - źródło K. Sornek

W ramach zagadnienia b) przeprowadzane są analizy związane z możliwością suszenia słomy w formie cylindrycznych balotów w innowacyjnych suszarkach wykorzystujących spaliny ze spalania słomy w kotłach biomasowych, jako czynnik suszący. Dokonano już opisu mechanizmów zachodzących podczas suszenia słomy w tym rozkład temperatury oraz wilgotności w balocie słomy. Dodatkowo zaproponowano modyfikacje oraz zoptymalizowano proces suszenia dla istniejących suszarek. Obecnie trwają prace nad rozbudową modeli numerycznych suszenia biomasy i ich walidacji na stanowiskach eksperymentalnych.

Prowadzone są również badania potencjału technicznego słomy dla celów energetycznych na wybranym terenie. Wyniki z badań wykorzystywane są do stworzenia modelu organizacyjno-ekonomicznego lokalnego wykorzystania biomasy, aby umożliwić szerokie zastosowanie kotłów na lokalną (lub wręcz własną) biomasę w warunkach polskich, przy uwzględnieniu efektu środowiskowego takiego rozwiązania.

Wykonywane są badania związane z energetycznym wykorzystaniem drewna na cele grzewcze. Określa się wymagania związane z prawidłowym spalaniem – stosowanie odpowiedniej jakości paliwa i trybu spalania. Bada się sprawność wytwarzania ciepła w urządzeniu grzewczym, ilość pyłu, jak również tlenku węgla (CO) emitowanego do atmosfery. Rozpatruje się sposoby akumulacji ciepła ze spalania drewna, na przykład w modułach akumulacyjnych. Prace wspomagane są przez badania analityczne parametrów drewna i numeryczne modelowanie procesów spalania.

Prace obejmują również budowę odpowiednich sterowników do procesu spalania, tworzenie algorytmów sterowania i ich praktyczną walidację.

W przypadku c) opracowywany jest układ kogeneracyjny z wykorzystaniem ciepła ze spalania słomy. Prace prowadzone są na kompletnej instalacji kotłowej z kotłem o mocy 100 kW cieplnej. Zbudowano całą instalację obejmującą kocioł, parowniki, silniki cieplne, układy kondensatu i inne. Prowadzone są intensywne testy i zbierane dane. Planowane jest zbudowanie układu tri generacyjnego z wykorzystaniem chłodziarki absorpcyjnej.

Opracowywany został układ kogeneratora bazującego na wytwornicy pary zasilanej biomasą ciekłą o różnej postaci, w tym paliwa uzyskane w ramach działalności rolniczej.

Opracowywane są układy mikrokogeneracyjne na bazie termoelektryków.

Testy wydajności układu kogeneracyjnego

Testy wydajności układu kogeneracyjnego - źródło K. Sornek

Badania miały na celu opracowanie kontenerowej wersji instalacji mikrokogeneracyjnej pozwalającej na wytworzenie energii elektrycznej i cieplnej, zasilanej przetworzonymi biopaliwami, wykorzystującej wodę/parę wodną jako medium robocze.

Układ badawczy składa się z wytwornicy pary z palnikiem biomasowym oraz kompletnej instalacji parowej z elementem wykonawczym w postaci różnego typu maszyn cieplnych. Prototyp został przystosowany do rozbudowy o układ generacji chłodu z ciepła (trigeneracja). Przewidywana jest możliwość rozwinięcia układu sterowania wraz z archiwizacją błędów i awarii o przesył danych do serwisu oraz dostęp do układu z każdego miejsca w zasięgu Internetu. Innowacyjność rozwiązania polega na wykorzystaniu maszyn parowych w mikroskali oraz zastosowaniu paliw biomasowych przy pełnej automatyzacji układu oraz zastosowaniu nowoczesnych narzędzi softwarowych.

Platforma do testowania maszyn cieplnych (silniki parowe i mikro turbina parowa)

Platforma do testowania maszyn cieplnych (silniki parowe i mikro turbina parowa)

Wizualizacja programu sterującego; autor: Szymon Podlasek

Wizualizacja programu sterującego; autor: Szymon Podlasek

Największą korzyścią rozwiązania jest zapewnienie samowystarczalności wybranej grupy odbiorców, którzy będą mogli samodzielnie wytwarzać paliwo (gospodarstwa rolne), przetwarzać je i stosować w rzeczonej instalacji, co pozwoliłoby na niemal bezpłatną eksploatację.

Schemat wytwornicy pary 2D; autor: Szymon Podlasek

Schemat wytwornicy pary 2D; autor: Szymon Podlasek

Przekrój 3D wytwornicy pary podkreślający wężownice; autor: Szymon Podlasek

Przekrój 3D wytwornicy pary podkreślający wężownice; autor: Szymon Podlasek

Zastosowanie efektów badań projektu skierowane jest na potrzeby szeroko pojętej energetyki, z głównym nastawieniem na instalacje prosumenckie, rozwój OZE w ogólnym udziale energii oraz energetykę rozproszoną. Grono odbiorców mikroukładu kogeneracyjnego będzie zależne od mocy wybranego typoszeregu. Będą to zarówno odbiorcy indywidualni, jak również wspólnoty mieszkaniowe, małe i średnie firmy, obiekty sportowe (w szczególności baseny) oraz budynki samorządowe. Główną grupą użytkowników dla jakiej przewidywana jest sprzedaż to gospodarstwa rolne i obiekty użyteczności publicznej na terenach wiejskich. Ponadto zainteresowane mogą być również przedsiębiorstwa energetyki zawodowej ze względu na presję rozwoju struktury OZE oraz energetyki rozproszonej w Polsce w celu zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego kraju. Ponadto produkt będzie mógł być wykorzystywany zarówno jako instalacja On-Gridowa, jak i Off-Gridowa, co poszerza spektrum zastosowania o obiekty niepodłączone do sieci energetycznej między innymi schroniska turystyczne. Szczególnie pożądaną cechą innowacyjnej jednostki jest jej mobilność, pozwalająca na łatwy transport instalacji oraz paliwa, co umożliwi zastosowanie mikrokogeneratorów jako czasowych rozwiązań zapewniających ciepło i energię elektryczną na potrzeby branż, które nie posiadają stałego miejsca pracy, jest to między innymi budownictwo.

W ramach zagadnień z punktu d) prowadzone są analizy możliwości wykorzystania energii wiatrowej i innej. Prowadzone są analizy zastosowania turbin wiatrowych sprzęgniętych z budynkiem (turbiny elewacyjne) oraz instalacji fotowoltaicznych.

Wizja wdrożenia heliostatów sferycznych na rynek

Wizja wdrożenia heliostatów sferycznych na rynek - źródło P. Wajss

Budowane są układy heliostatów o innowacyjnej konstrukcji i przygotowywane jest wdrożenie tych produktów na rynek.

Inne prace:

  • budowa pieca spalającego różne odpadki w sposób gwarantujący odpowiednią emisję zanieczyszczeń i dedykowane sterowanie,
  • badania termowizyjne urządzeń grzewczych,
  • analiza urządzeń działających na zasadzie termoakustyków.

Mariusz Filipowicz, Wojciech Goryl, Szymon Podlasek, Krzysztof Sornek, Mateusz Szubel, Paweł Wajss