Równoczesna produkcja energii elektrycznej ciepła i chłodu - pierwsze tego typu rozwiązanie w Polsce | Politechnika Gdańska

Instalacja jest efektem projektu w ramach Działania 4.1.2 – Regionalne Agendy Naukowo-Badawcze (RANB) Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój: POIR.04.01.02-00-0018/17-00 pomiędzy Politechniką Gdańską, Wydziałem Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa, Instytutem Energii oraz VBW sp. z o.o.

Kierownikiem projektu INNOECOTRIBLOCK „Innowacyjne urządzenie trigeneracyjne do produkcji energii elektrycznej i chłodu dla energetyki rozproszonej o obniżonej emisji środowiskowej” był prof. dr hab. inż. Dariusz Mikielewicz z Instytutu Energii, prorektor ds. rozwoju i organizacji.

Opracowana instalacja trigeneracyjna do produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu wykorzystuje urządzenie do obróbki cieplno-wilgotnościowej powietrza zintegrowane z rewersyjną powietrzną pompą ciepła. – Pompa jest napędzana silnikiem wielopaliwowym. zaznaczył prof. dr hab. inż. Dariusz Mikielewicz. –  Rewersyjne powietrzne pompy ciepła są uważane za perspektywiczne źródła ciepła i należą do grupy urządzeń kwalifikowanych do odnawialnych źródeł energii – dodał. To koncepcja innowacyjna, nie posiada odpowiednika na rynku krajowym.

Współpraca pompy ciepła z silnikiem spalinowym odpowiedzią na wady?

–  Wadą powietrznych pomp ciepła jest ich malejący współczynnik wydajności grzejnej w warunkach rosnącej różnicy temperatur źródła górnego i dolnego, co praktycznie dyskwalifikuje te urządzenia z pracy w warunkach zimowych. W takiej sytuacji ekonomia pracy urządzenia staje się mniej nieopłacalna. A wykorzystanie silnika spalinowego do napędu takiej pompy – wraz z równoczesnym wykorzystaniem ciepła chłodzenia silnika, ciepła spalin do celów podwyższenia parametrów termicznych powietrza na wlocie do pompy oraz przygotowania ciepłej wody – umożliwia całoroczne wykorzystanie instalacji – zaznaczył profesor Dariusz Mikielewicz.

Chłód produkowany latem

Wyróżniającą cechą proponowanego rozwiązania jest zastosowanie silnika wielopaliwowego do produkcji energii elektrycznej i ciepła oraz wykorzystania tych nośników energii do napędu powietrznej pompy ciepła, jak również urządzenia do obróbki cieplno-wilgotnościowej. – Wykorzystanie ciepła chłodzenia silnika oraz spalin eliminować będzie między innymi przestoje w pracy pompy ciepła, konieczne do zrealizowania procesu odszraniania, a tym samym zdecydowanie polepszy właściwości eksploatacyjne. Nadwyżka ciepła, z ewentualną możliwością zastosowania odzysku ciepła ze spalin, może być wykorzystana do przygotowania ciepłej wody użytkowej – mówił kierownik projektu.

Co również istotne, latem urządzenie będzie produkować chłód, przy współpracy z hybrydowym klimatyzacyjnym urządzeniem adsorpcyjnym, obniżającym zapotrzebowanie na chłód i podnoszącym efektywność energetyczna pompy ciepła . Proponowane rozwiązanie jest urządzeniem trigeneracyjnym, zapewniającym optymalne wykorzystanie energii pierwotnej w paliwie w skali roku. Natomiast prąd elektryczny produkowany przez system może być w różny sposób zagospodarowany w zależności od priorytetu pracy.

Nie będzie wysokich strat?

Opracowana technologia trigeneracyjna jest o tyle ważna, że w Polsce zawodowa produkcja i dystrybucja energii elektrycznej obarczona jest wysokimi stratami (średnia sprawność elektrociepłowni węglowej to około 36%) . Polska sieć dystrybucyjna jest w stanie dostarczyć energię elektryczną o właściwym napięciu, jeżeli linia średniego napięcia jest nie dłuższa niż 50 km, a linia niskiego napięcia nie dłuższa niż 500 m. Tymczasem, np. na terenach wiejskich ponad 12% linii niskiego napięcia przekracza długością 1000 m, natomiast aż 44,8% przekracza 500 m. W przypadku linii średniego napięcia 18% przekracza długością 50 km. W sytuacji, w której inwestycje przedsiębiorstw elektroenergetycznych skupiają się na utrzymaniu infrastruktury i niewielkiej jej rozbudowie, taki stan rzeczy wymusza inwestowanie w energetykę rozproszoną, zaproponowaną w opracowanym prototypie w postaci mikroźródła. Jest to zgodne z krajowym planem budowania gospodarki niskoemisyjnej oraz trendami światowymi.

Podsumowując, najważniejsze osiągnięcia opracowanej instalacji to:

• Wykorzystanie powietrza jako dolnego źródła ciepła przy zachowaniu pełnej sprawności urządzenia w szerokim zakresie temperatur - celem obniżenia kosztów inwestycyjnych dla potencjalnego użytkownika.
• Wykorzystanie energii odpadowej z silnika zarówno w okresie zimowym do wspomagania pracy powietrznej pomy ciepła jak i letnim w celu obniżenia zapotrzebowania na chłód oraz poprawy efektywności energetycznej pompy ciepła.
• Zastosowanie rekuperacji ciepła celem zwiększenia efektywności wykorzystania energii pierwotnej oraz zwiększenia zakresu temperatury dolnego źródła ciepła, w której pompa będzie mogła sprawnie działać.
• Zapewnienie kompatybilności nowej pompy ciepła z rozwiązaniami już istniejącymi i funkcjonującymi na rynku (szczególnie z centralami wentylacyjno-klimatyzacyjnymi z modułem adsorpcyjnym).
• Wykorzystanie adsorbera w celu zmiany parametrów cieplno-wilgotnościowych powietrza na wlocie do chłodnicy/parownika pompy ciepła ( w warunkach letnich) celem obniżenia zapotrzebowania na chłód, względnie utrzymywania poziomu wilgotności powietrza nawiewanego  w zakresie warunków komfortu.

Opracowane przez zespół pracowników Instytutu Energii Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa wraz z firmą VBW Engineering sp. z o.o. doskonale wpisuje się w zakres wdrożenia do masowego wykorzystania powietrznych pomp ciepła, które w warunkach krajowych napotykają na barierę związaną z ich bardzo niską wydajnością w warunkach zimowych. Zaproponowane urządzenie umożliwia wstępne przygotowanie powietrza do powietrznej pompy ciepła w taki sposób, że uzyskiwane są bardzo atrakcyjne współczynniki wydajności grzejnej, jak również napęd sprężarki, zabezpieczone są z energii elektrycznej, wytwarzanej przez niskoemisyjny silnik spalinowy wykorzystujący paliwa powstałe z przetworzenia szeroko pojętej biomasy.

Przewiduje się duże zainteresowanie tym rozwiązaniem. Wpływa ono pozytywnie na ograniczenie strat przesyłowych i zmniejszenie negatywnego oddziaływania instalacji zapewnienia komfortu termicznego na środowisko.