ASPEKTY WSPARCIA I ROZWOJU MIKROKOGENERACJI

ROZPROSZONEJ NA TERENIE POLSKI

Autorzy: Adrian Chmielewski, Robert Gumiński, Stanisław Radkowski, Przemysław

Szulim

("Rynek Energii" - październik 2014)

Słowa kluczowe: mikrokogeneracja, silnik Stirlinga, generacja rozproszona

Streszczenie. W perspektywie 2020 roku Polska jako członek Unii Europejskiej musi spełniać wymogi

dotyczące ochrony klimatu określone w dyrektywach, m.in: 2009/28/WE i 2012/27/UE oraz wprowadzenia

inteligentnych liczników u odbiorców końcowych – dyrektywa 2009/72/WE. W dyrektywie 2012/27/UE do

technologii kogeneracyjnych, w których wytworzona zostaje energia elektryczna z ciepła odpadowego zaliczono

m.in: turbiny gazowe w układzie kombinowanym z odzyskiem ciepła, silniki spalinowe, silniki parowe, ogniwa

paliwowe, mikroturbiny, organiczny obieg Rankine'a, silniki Stirlinga oraz wiele innych opisanych szczegółowo

w dyrektywie. Każda z wymienionych technologii jest wsparciem do poprawy efektywności energetycznej

przetworzenia paliw kopalnych na energię mechaniczną bądź elektryczną. W pierwszej części pracy

przedstawiono programy wsparcia dla kogeneracji rozproszonej oraz OZE na terenie Polski (projekt ustawy o

OZE z 08.07.2014), a także programy wsparcia prowadzone przez NFOŚiGW. Przedstawiono również

możliwości wykorzystania mikrokogeneracji rozproszonej jako element przy złagodzeniu szczytu i wygładzenia

krzywej zapotrzebowania na moc z krajowych sieci elektroenergetycznych (KSE). Omówiono również

możliwości sprzedaży energii elektrycznej z układu mikrokogeneracyjnego do sieci elektroenergetycznej.

1. WSTĘP

Polityka klimatyczna Unii Europejskiej stawia państwom członkowskim wymogi dotyczące

m.in: poprawy efektywności przetwarzania energii z paliw kopalnych (20% wzrost

efektywności energetycznej), zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii na rynku

energii (do blisko 20%) a także ograniczenie emisji gazów cieplarnianych (20%) w celu

ochrony środowiska naturalnego. W świecie nauki a także przemyśle stwarza to nowe

spojrzenie na OZE oraz technologie kogeneracyjne, których wsparcie programami krajowymi

(np: program prosument prowadzony przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i

Gospodarki Wodnej, w skrócie NFOŚiGW [29]) prowadzi do szybkiego ich rozwoju. W

dyrektywie 2012/27/UE [11] do technologii kogeneracyjnych, w których wytworzona zostaje

energia elektryczna z ciepła odpadowego zaliczono m.in: silniki spalinowe [40], silniki

parowe [15], ogniwa paliwowe [27, 28, 34], mikroturbiny [20], organiczny obieg Rankine'a

[21, 39], silniki Stirlinga [3-6, 8, 16, 24, 32,41] a także inne opisane szczegółowo w

dyrektywie 2012/27/UE [11].

2. GENERACJA ROZPROSZONA – POJĘCIA PODSTAWOWE

Tradycyjny system elektroenergetyczny cechuje się jednokierunkowym przepływem energii

elektrycznej wytwarzanej zwykle przez duże elektrownie i dystrybuowanej przez duże firmy

energetyczne (PGE, ENEA, ENERGA, TAURON, RWE). W systemie tradycyjnym,

zcentralizowanym występuje duży wytwórca energii, który dostarcza energię wielu odbior-

com nawet na obszarach bardzo odległych, gdzie występują duże straty przesyłu. System

elektroenergetyczny rozproszony, zdecentralizowany oznacza funkcjonowanie na rynku

energii wielu mniejszych wytwórców energii elektrycznej znajdujących się blisko odbiorców

końcowych (potencjalnych klientów) w celu ograniczenia strat przesyłu oraz poprawienia

jakości dostarczanej do odbiorców energii. Generacja energii niescentralizowana

(zdecentralizowana z ang. distributed generation) oznacza źródła wytwórcze, które zwykle

pracują na potrzeby własne klienta bądź dostarczają energię (sprzedaż) do sieci

dystrybucyjnej. Generacja rozproszona nie obejmuje energetyki wiatrowej, która kojarzona

jest z dużymi farmami wiatrowymi. Energetykę wiatrową obejmuje generacja rozsiana (ang.

dispersed generation). Z generacją rozproszoną (niescentralizowaną) związane są moce

rozproszone (ang. distributed power), które obejmują zagadnienia i technologie akumulacji

energii m.in: superkondensatory, koła zamachowe, akumulatory elektrochemiczne, sprężone

powietrze, cewki magnetyczne oraz duże ogniwa paliwowe. Należy również wyróżnić moce

zdecentralizowane (ang. decentralised power), które oznaczają system zasobów

energetycznych rozproszonych przyłączonych do sieci dystrybucyjnej (niskiego napięcia). W

zależności od wielkości wytwarzanej mocy elektrycznej urządzenia generacji rozproszonej

mogą pracować w kogeneracji (rysunek 1) oraz jako systemy i urządzenia do produkcji

energii elektrycznej, m.in: systemy geotermalne, ogniwa fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe,

małe i mini elektrownie wodne.

W zależności od wielkości źródeł rozproszonych (moc poniżej 150 MW) [33] wyróżnia się:

- mikrogenerację rozproszoną (1 W do 5 kW),

- małą generację rozproszoną (5 kW do 5 MW),

- średnią generację rozproszoną (5 MW do 50 MW),

- dużą generację rozproszoną (50 MW do 150 MW).

W zależności od źródła generacji rozproszonej mogą one być przyłączone do sieci

elektroenergetycznej:

- bezpośrednio (generatory synchroniczne- turbiny wodne, parowe, gazowe silniki Diesla),

- pośrednio za pomocą przekaźników elektronicznych (generatory synchroniczne bądź

asynchroniczne) czyli turbiny wiatrowe, mikroturbiny gazowe,

- pośrednio za pomocą inwerterów elektronicznych (źródła prądu stałego czyli ogniwa

fotowol-taiczne oraz ogniwa paliwowe).

Mikrogeneracja (ang. microgeneration) lub inaczej generacja w małej skali (do 50 kW) jest to

wytwarzanie energii elektrycznej lub ciepła, głównie na własne potrzeby przez osoby

fizyczne, małe firmy bądź też społeczności lokalne, w jednostkach wytwórczych bardzo

małej mocy, w porównaniu z typowymi elektrowniami spalającymi paliwa kopalne.

Mikrogeneracja odnosi się głównie do gospodarstw domowych. Mikrogeneracją jest także

wykorzystanie przez sprzedawców - klientów (prosumentów) wysokosprawnych i

niskoemisyjnych technologii wytwarzania energii elektrycznej małej mocy (przyłączane są

do sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia). Z pojęciem mikrogeneracji należy kojarzyć

mikrogenerator. Mikrogenerator- jest to generator energii elektrycznej niezależnie od źródła

energii pierwotnej, zainstalowany na stałe z układami zabezpieczeń, przyłączony

jednofazowo bądź wielofazowo do sieci niskiego napięcia o prądzie znamionowym nie

większym niż 16A [1, 31]. Osoba, która posiada mikrogenerator, który jest połączony z siecią

elektroenergetyczną niskiego napięcia (on-grid- z podłączeniem do sieci lub off-grid- bez

podłączenia do sieci) nazywana jest prosumentem. Prosument to osoba aktywnie uczest-

nicząca na rynku energii i interesująca się cenami energii elektrycznej. Mikrokogeneracja

(ang. Microcogeneration µCHP) zgodnie z zapisami dyrektywy 2004/8/EC [13] oznacza

produkcję skojarzoną (równoczesną) ciepła i energii elektrycznej lub mechanicznej w trakcie

tego samego procesu z maksymalną mocą poniżej 50 kWe. Mikrokogeneracja jest najbardziej

odpowiednia do użycia w prywatnych przedsiębiorstwach, małych fabrykach i

gospodarstwach domowych. W dyrektywie 2004/8/EC [13] przedstawiono również definicję

kogeneracji rozproszonej rozumianej jako jednostki kogeneracji zaopatrujące obszary

wyizolowane bądź obsługujące ograniczone zapotrzebowanie mieszkalne (gospodarstwa

domowe), handlowe lub też przemysłowe. Z rysunku 1 wynika, że dla przydomowej

mikrokogeneracji najodpowiedniejsze pod względem zakresu mocy są układy z silnikiem

Stirlinga oraz niskotemperaturowe ogniwa paliwowe. W przypadku generacji energii

elektrycznej z OZE dla gospodarstw domowych najbardziej odpowiednie są ogniwa

fotowoltaiczne oraz małe przydomowe turbiny wiatrowe.

W pracy [9] autorzy przeprowadzili badania dla generacji energii z użyciem ogniw

fotowoltaicznych (on grid- z przyłączeniem i możliwością sprzedaży wyprodukowanej energii

elektrycznej do sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia). Przedstawili różne warianty

wykorzystania wyprodukowanej energii elektrycznej min: konsumpcja na potrzeby własne

oraz odsprzedaż do sieci. Najbardziej korzystne okazało sie wykorzystanie wytworzonej

energii elektrycznej na potrzeby własne ponieważ dla przykładu za rok 2013 średnia cena

sprzedaży energii elektrycznej do sieci na rynku konkurencyjnym [36] wyniosła

181,55zł/MWh. Energię elektryczną z mikoinstalacji OZE (mikroinstalacją według dziennika

ustaw 2013 poz. 984 z dnia 27 sierpnia 2013 [14] nazywane jest odnawialne źródło energii o

łącznej zainstalowanej mocy elektrycznej nie większej niż 40 kW, które zostało przyłączone

do sieci elektroenergetycznej o napięciu znamionowym niższym niż 110 kV lub też o łącznej

mocy cieplnej zainstalowanej nie większej niż 120 kW) można sprzedać do sieci w 2014 roku

po cenie 80% ze średniej ceny na rynku konkurencyjnym z roku poprzedniego - 2013, czyli

po 145,24 zł/MWh. Średnia cena energii elektrycznej w roku 2013 dla odbiorcy końcowego,

którym jest gospodarstwo domowe przyłączone do sieci elektroenergetycznej niskiego

napięcia podana przez prezesa URE [37] wynosiła 504,8 zł/MWh, natomiast z vatem 620,9

zł/MWh. Obecnie według [42] średnia cena energii elektrycznej dla taryfy G11 wynosi

560zł/MWh. W związku z czym widać, że najbardziej korzystne jest wykorzystanie

wytworzonej energii elektrycznej z OZE czy też kogeneracji na potrzeby własne

gospodarstwa domowego

.

3. WSPARCIE DLA OZE I MIKROKOGENERACJI ROZPROSZONEJ

Należy podkreślić fakt, że zgodnie z ustawą o OZE prosumenci mogą sprzedawać

wytworzoną z mikroinstalacji energię elektryczną do sieci elektroenergetycznej po 80% ceny

sprzedaży w roku poprzednim, która podawana jest do wiadomości przez Prezesa Urzędu

Regulacji Energetyki (dla przykładu jeżeli 1MWh energii elektrycznej sprzedawanej w roku

2013 [38] wynosi 201, 36 zł, to energię elektryczną wyprodukowaną z OZE do sieci można

sprzedać po cenie 161,09 zł m.in: z ogniw fotowoltaicznych). Jak już wspomniano w

rozdziale 2 cena sprzedaży w roku 2014 [36] wynosi 181,55 zł/MWh, czyli cena odsprzedaży

do sieci z OZE wynosi 145,24 zł/MWh. Oczywiście aby sprzedawać zieloną energię do sieci

prosument musi uzyskać odpowiedni certyfikat pochodzenia tej energii (zielony certyfikat).

Obecnie w 2014 roku prowadzony jest projekt prosument przez NFOŚIGW [29]. Jednak

należy zwrócić uwagę na fakt, że program ten teoretycznie jest skierowany dla wszystkich

natomiast w praktyce dofinansowanie możne pozyskać tylko samorząd, bank bądź też

Wojewódzki Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, który jest beneficjentem.

Jest to podmiot odpowiedzialny za przeprowadzenie postępowania przetargowego i wybór

wykonawcy lub kilku wykonawców. Należy również dodać, że program skupia się na

udzieleniu pożyczki na budowę mikroinstalacji przez wybrane banki i na określonych przez

nie warunkach. Po zaaplikowaniu udzielana jest pożyczka (20–40% jest umarzane) natomiast

60% należy spłacać przez określoną przez bank przy podpisywaniu umowy liczbę lat [29].

Program prosument obejmuje również wsparcie dla urządzeń mikrokoge-neracyjnych o mocy

elektrycznej do 40 kW.

Wsparcie dla mikroinstalacji z OZE i mikrokogeneracji przewiduje również projekt ustawy o

OZE z dnia 8 lipca 2014 [31]. Wytwórca energii elektrycznej musi posiadać mikroinstalację

(odnawialnego źródło energii o łącznej mocy elektrycznej zainstalowanej nie większej niż 40

kW, przyłączonej do sieci elektroenergetycznej o napięciu znamionowym niższym niż 110

kV lub o mocy cieplnej osiągalnej w skojarzeniu nie większej niż 120 kW). Wytwórca energii

elektrycznej na 30 dni przed przyłączeniem do sieci musi poinformować operatora systemu

dystrybucyjnego, przedstawić lokalizację mikroinstalacji, rodzaj mikroinstalacji oraz jej moc.

Szczegółowy opis prawno–formalny przyłącza zawiera projekt ustawy o OZE z dnia 8 lipca

2014 [31].Wytwórca energii dodatkowo musi posiadać świadectwo pochodzenia, które jest

wydawane na okres 15 lat. Operator systemu elektroenergetyczny ma obowiązek zakupu

wytworzonej przez wytwórcę energii elektrycznej przez okres 15 lat.

4. MIKROKOGENERACJA JAKO ELEMENT OBNIŻENIA ZAPOTRZEBOWANIA

NA ENERGIĘ Z KSE

Odwołując się do danych GUS [17] w roku 2012 na terenie Polski było 13,6 miliona

gospodarstw domowych (gospodarstwo domowe czyli zespół osób mieszkających razem i

utrzymujących się wspólnie). Gospodarstwa domowe wykorzystują różne techniki

ogrzewania pomieszczeń oraz ogrzewania wody. W przypadku ogrzewania pomieszczeń

przeważa ogrzewanie paliwami stałymi (według GUS 2014 [17] paliwem stałym nazywa się

palne ciała stałe pochodzenia naturalnego lub otrzymywane sztucznie, wykorzystywane jako

źródło energii cieplnej, zaliczane są do nich: węgiel kamienny, koks, drewno opałowe, węgiel

brunatny oraz torf. Innymi paliwami stałymi są brykiety z węgla kamiennego, brunatnego i

torf).

Blisko połowa gospodarstw domowych 49,1% w 2012 i 2013 roku użytkowała urządzenia

grzewcze wykorzystujące paliwa stałe wśród, których najczęściej użytkowane były

dwufunkcyjne kotły centralnego ogrzewania (wytwarzanie energii cieplnej i ogrzewanie

wody). Kotły dwufunkcyjne wykorzystywało 41,3% gospodarstw domowych ogrzewanych

paliwami stałymi. Kotły jednofunkcyjne wykorzystywało 31,9% gospodarstw domowych

ogrzewanych paliwami stałymi. W 19,2% gospodarstw używane były tradycyjne urządzenia

grzewcze – piece, zwykle piece kaflowe. W 7% gospodarstw domowych używane były

kominki– zwykle z wkładem zamkniętym, w pozostałych 0,6% gospodarstw jedynym

urządzeniem grzewczym były kuchnie na paliwa stałe. Ciepło sieciowe zużywało 41%

(rysunek 2) wszystkich gospodarstw domowych. Zwykle ciepło sieciowe wykorzystywali

mieszkańcy bloków– jego wykorzystanie w domach jednorodzinnych było niewielkie. Na ry-

sunku 3 przedstawiono ogrzewanie wody w gospodarstwach domowych według technik

ogrzewania– dane GUS [17]. Brak ciepłej wody bieżącej na rysunku 3 oznacza, że woda

może być ogrzewana wyłącznie na urządzeniach kuchennych– najczęściej na kuchni na

paliwa stałe. Takie ogrzewanie wody na kuchni na paliwa stałe dotyczyło blisko 5%

gospodarstw domowych (600 tysięcy), co stanowiło prawie 2 miliony mieszkańców Polski.

W Polsce udział gospodarstw domowych w rynku energii według [35] (stan na 31 grudnia

2012) wynosił 19,7% (rysunek 4b).

Zgodnie z rysunkiem 4 biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na moc z KSE w Polsce w 2012

na podstawie [43] oraz udział gospodarstw domowych (19,7%) przedstawiono na rysunku 5

zapotrzebowanie na moc z KSE.

Na rysunku 6 przedstawiono porównanie zapotrzebowania na moc dla gospodarstw

domowych dla danych z roku 2012 z użyciem oraz bez użycia µCHP w sezonie grzewczym.

Symulację wpływu udziału układu mikrokogenera-cyjnego na zapotrzebowanie mocy z KSE

przeprowadzono zakładając że:

- blisko połowa- 49,1% spośród gospodarstw domowych ogrzewa swe mieszkania paliwami

stałymi [17] oraz innymi paliwami stałymi, zakładając, oraz że spośród tych 49,1% co

drugie gospodarstwo posiada układ mikrokogeneracyjny, który wykorzystuje do konwersji

ciepła odpadowego w energię elektryczną,

- układ wytwarza 0,5kW/godzinę,

- układ pracuje 24 godziny/dobę, 7 dni w tygodniu przez cały sezon grzewczy przy

wykorzystaniu tej energii na potrzeby własne- ograniczając tym samym pobór energii z

sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia w okresie grzewczym (trwającym od początku

października do końca kwietnia [19]).

Za początek sezonu grzewczego przyjęto miesiąc w którym średnia miesięczna temperatura

powietrza była niższa od 10°C (październik). Za koniec sezonu grzewczego przyjęto miesiąc

w którym średnia miesięczna temperatura powietrza była wyższa od 10°C (maj 2012).

Oszacowanie ilości wyprodukowanej mocy (energii elektrycznej w czasie) dla gospodarstw

domowych przedstawiono poniższym wzorem

gdzie: - współczynnik wykorzystania układu mikrokogeneracyjnego w sezonie grzewczym

(dla = 1 cały sezon grzewczy, dla = 0 - brak wykorzystania w sezonie grzewczym),

przyjęto =1, PµCHP - moc układu mikrokogeneracyjnego (przyjęto PµCHP = 500 W).

β - współczynnik udziału układu mikrokogeneracyjnego w liczbie gospodarstw domowych

(przyjęto β =0,5), v - współczynnik udziału gospodarstw domowych na rynku energii (sieć

niskiego napięcia - przyjęto na podstawie [35] dla roku 2012 v =0,197), δ - współczynnik

gospodarstw domowych, których mieszkania ogrzewane są paliwami stałymi oraz innymi

paliwami stałymi [17] (przyjęto δ = 0,491),

GD - liczba gospodarstw domowych (14 345 tysięcy).

Zmniejszenie zapotrzebowania na moc z krajowych sieci elektroenergetycznych w sezonie

grzewczym można zapisać w postaci:

gdzie: PKSE -zapotrzebowanie na moc z KSE [30] dla rozpatrywanego przedziału czasu. Dane do

obliczeń przyjęto dla roku 2012.

Z rysunków 6, 7, 8 wynika, że zastosowanie w co drugim gospodarstwie domowym

(gospodarstwo wykorzystujące paliwa stałe oraz inne paliwa) układu mikrokogeneracyjnego

mogłoby znacząco, bo o χ = 0,347 GW , obniżyć zapotrzebowanie na moc w sezonie

grzewczym, w którym występuje większe zapotrzebowanie na energię elektryczną z KSE. W

roku 2012 największe zapotrzebowanie na moc z KSE dla gospodarstw domowych wystąpiło

w dniu 7 lutego o godzinie 17:30 i wyniosło 5091,41 MW, całkowite zapotrzebowanie na

moc z KSE 7 lutego o godzinie 17:30 wyniosło 25844,7 MW. Na rysunku 7 przedstawiono

dobowe zapotrzebowanie na moc z KSE dla gospodarstw domowych bez układów

mikrokogeneracyjnych oraz z układami mikrokogeneracyjnymi.

Na rysunku 8 przedstawiono porównanie zapotrzebowania na moc z KSE z układem

mikrokogeneracyjnym oraz bez niego.

W [6] zaprezentowano inne sposoby ograniczenia zapotrzebowania na moc z KSE m.in:

zarządzanie stroną popytową. Odniesiono się również do rozwoju Smart grid na terenie

Polski w perspektywie 2020.

W podrozdziale 5 omówione zostały kryteria jakie powinien spełniać układ

mikrokogeneracyjny jako element generacji rozproszonej w gospodarstwach domowych.

5. KRYTERIA JAKIE POWINIEN SPEŁNIAĆ UKŁAD MIKROKOGENERACYJNY

JAKO ELEMENT GENERACJI ROZPROSZONEJ W GOSPODARSTWACH

DOMOWYCH

Pierwszym kryterium powinna być odpowiednio wytypowana technologia pod względem

zakresu mocy (zapotrzebowania odbiorcy) i wydajności mikroinstalacji. Z rysunku 1

wynika, że pod względem definicji mikroinstalacji (do 40 kW) mieszczą się odnawialne

źródła energii do których należą ogniwa fotowolta-iczne oraz turbiny wiatrowe. Pod

względem wytworzenia przez mikroinstalację z ciepła odpadowego energii elektrycznej

mieszczą się silniki Stirlinga oraz niskotemperaturowe ogniwa paliwowe. W dalszej analizie

kryteriów i warunków związanych z przemianą ciepła odpadowego w energię elektryczną w

gospodarstwach domowych wzięte zostaną pod uwagę tylko układy mikrokogeneracyjne z

silnikiem Stirlinga.

Kolejne kryterium jakie powinien spełniać układ mikrokogeneracyjny aby możliwe było jego

wykorzystanie w gospodarstwie domowym to parametry spalin, które będą go zasilały

(wartość strumienia ciepła odpadowego, temperatura spalin). Należy zauważyć, że to

kryterium zawęża także odbiorców do tych, którzy posiadają wysokotemperaturowe źródło a

więc nie mieszczą się w nim odbiorcy ciepła, którzy ogrzewani są z miejskich

elektrociepłowni (z rysunku 2 wynika, że ciepłem sieciowym jest ogrzewane 41%

pomieszczeń gospodarstw domowych). Pozostali odbiorcy posiadają wysokotemperaturowe

źródło ciepła (rysunek 2) więc u nich może być zainstalowany układ mikrokogeneracyjny.

Wracając do parametrów ciepła odpadowego, należy także przed instalacją u odbiorcy

dokonać badań układu mikrokogenera-cyjnego aby odpowiedzieć sobie na pytanie jaka war-

tość strumienia cieplnego jest potrzebna do optymalnej pracy układu mikrokogenerecyjnego

[6]. Przeprowadzone badania zawarte w [6] determinują użycie określonego gazu roboczego

(hel, azot, powietrze, argon), średniego ciśnienia tego gazu oraz temperaturę pracy.

Przedstawione badania [6] pokazują jak zmienia się wartość wytworzonej mocy elektrycznej

w zależności od zmian doprowadzanego strumienia cieplnego, temperatury oraz ciśnienia i

rodzaju gazu roboczego. Niesie to informację o odpowiedniej eksploatacji układu

mikrokogeneracyjnego przez gospodarstwo domowe.

Kolejnym pytaniem na jakie muszą sobie odpowiedzieć odbiorcy to jakiego paliwa użyć, czy

są jakieś ograniczenia. W przypadku układu mikrokogeneracyjnego z silnikiem spalania

zewnętrznego Stirlinga można używać dowolnego paliwa (stałego, ciekłego bądź gazowego)

[22]. Ograniczeniem jest natomiast temperatura stałej pracy wymiennika

wysokotempera-turowego– nagrzewnicy (zwykle do 1200°C), zależna od zastosowanego

materiału (np: stopu typu Inconel ze zwiększoną zawartością niklu [7, 23, 25]). Dodatkowe

ograniczenie to zapewnienie temperatury minimalnej przy której układ zacznie pracować

(wytwarzać energię elektryczną). W układzie mikrokogeneracyjnym z silnikiem Stirlinga

temperatura ta zależy od powierzchni wymiany ciepła nagrzewnicy (zwykle temperatura gazu

roboczego w przestrzeni rozprężania powinna przekraczać 450°C), czyli temperatura źródła

ciepła (gazów spalinowych) powinna być wyższa niż 500°C.

Należy także dodać, że w obiegu chłodzącym silnika Stirlinga powstaje ciepła woda, która

może być dodatkowym bypassem, z którego ciepło niskotemperaturowe może posłużyć do

ogrzewania części powierzchni mieszkalnych w gospodarstwie domowym.

Warto również zadać sobie pytanie co robić z wytworzoną energią elektryczną, czy

odsprzedawać ją do sieci (co jak wspomniano w rozdziale 1 jest nieekonomiczne z punktu

widzenia ceny odsprzedaży do sieci elektroenergetycznej) czy zużytkować jak największą

część wytworzonej energii na potrzeby własne (ekonomicznie uzasadnione). Użytkując wy-

tworzoną energię elektryczną (prąd stały) na potrzeby własne (w znacznej większości lub w

całości) odbiorca powinien posiadać np: akumulator elektrochemiczny wytworzonej energii

aby w dowolnej chwili mógł ją efektywnie wykorzystać ponownie [5]. Należy dodać, że duża

część odbiorników AGD oraz RTV jest stałoprądowa

Z analizy przeprowadzonych kryteriów można stwierdzić, że zastosowanie układu

mikrokogeneracyjnego w gospodarstwach domowych jest możliwe.

W [6] przedstawiono stanowisko badawcze oraz wybrane wyniki badań stanowiskowych

układu mikrokogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga.

6. PODSUMOWANIE

W artykule podkreślono wymagania stawiane Polsce jako Państwu członkowskiemu Unii

Europejskiej określone szczegółowo w dyrektywach [10–13]. Przedstawiono oczekiwania

jakie stawiane są przed rozwojem mikrokogeneracji oraz OZE na terenie Polski w

perspektywie 2020. Zwrócono uwagę na aktualne programy wsparcia rozwoju OZE oraz

mikrokogeneracji na terenie Polski. Zaprezentowano możliwości złagodzenia i ograniczenia

zużycia energii z KSE związane z użyciem układów mikrokogeneracyjnych dla wybranej

części gospodarstw domowych. W artykule omówiono kryteria jakie powinien spełniać układ

mikrokogeneracyjny jako element generacji rozproszonej w gospodarstwach domowych.

LITERATURA

[1] Billewicz K.: Microgeneration – aspects which are not included in polish legislation,

Rynek Energii, 2014, nr 3(112).

[2] Cennik energii elektrycznej ENERGA– OBRÓT SA dla przedsiębiorstw z dnia 14 maja

2014.

[3] Cheng C. H., Yang H. S., Keong L.: Theoretical and experimental study of a 300W

beta–type Stirling engine. Energy ,Vol. 59, pp. 590–599, 2013.

[4] Chmielewski A. et al: Thermodynamic analysis and experimental research on

cogeneration system with Stirling engine, Wulfenia Journal, Vol. 21, No. 4, 2014.

[5] Chmielewski A., Radkowski S., Szczurowski S.: Analiza rozpływu mocy w układzie

kogeneracyjnym z silnikiem Stirlinga, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, , 2(98)/2014 (in

Polish).

[6] Chmielewski A., Gumiński R., Radkowski S., Szulim P.: Badania układu

mikrokogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga. Rynek Ciepła REC 2014. Materiały i studia.

[7] Chmielewski A., Gumiński R., Małecki A., Mydłowski T., Radkowski S.:

Wykorzystanie pary ultra nadkrytycznej w energetyce, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów,

2(98)/2014 (In Polish).

[8] Cinar C., Yucesu S., Topgul T., Okur M.: Beta–type Stirling engine operating at

atmospheric pressure. Applied Energy No. 81, pp. 351–357, 2005.

[9] Dąbrowski J., Hutnik E., Włóka A., Zieliński M.: Analysis of the use of an on–grid

photovoltaic system for production of electric energy in a residential building, Rynek Energii,

2014, No. 1, Vol. 110.

[10] Directive 2009/28/EC of the council of 23 april 2009, on the promotion of the use of

energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives

2001/77/EC and 2003/30/EC.

[11] Directive 2012/27/EU of the European Parliment and of the Council of 25 October 2012

on energy efficiency, amending Directives 2009/125/EC and 2010/30/EU

and repealing Directives 2004/8/EC and 2006/32/EC.

[12] Directive 2009/72/EC of the European Parliment and of the Council of 13 July 2009

concerning common rules for the internal market in electricity and repealing Directive

2003/54/EC.

[13] Dyrektywa 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 11 lutego 2004 r. w

sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku

wewnętrznym energii oraz zmieniająca dyrektywę 92/42/EWG.

[14] Dziennik ustaw Rzeczypospolitej Polskiej, Pozycja 984, Warszawa dnia 27 sierpnia

2013.

[15] Fu J., Liu J., Ren C., Wang L., Deng B., Xu Z.: An open steam power cycle used for IC

engine exhaust gas energy recovery, Elsevier, Energy, Nb. 44, pp. 544 – 554, 2012.

[16] García D., González M.A., Prieto J. I., Herrero S., López S., Mesonero I., Villasante C.:

Characterization of the power and efficiency of Stirling engine subsystems, Applied Energy,

Vol. 121, pp. 51–63, 2014.

[17] Główny Urząd Statystyczny: Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2012

roku.

[18] Instytut energii odnawialnej: Energetyka rozproszona, Fundacja Instytut na rzecz

Ekorozwoju, Warszawa

2011.

[19] Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej– http://www.imgw.pl/klimat/– aktualizacja

06.09.2014.

[20] Ismail M.S., Moghavvemi M., Mahlia T.M.I. Current utilization of microturbines as a

part of a hybrid system in distributed generation technology, Renewable and

Sustainable Energy Reviews, Vol. 21, pp. 142–152, 2013.

[21] Kalina J.: Integrated biomass gasification combined cycle distributed generation plant

with reciprocating gas engine and ORC, Vol. 31, pp. 2829–2840, 2011.

[22] Kordylewski W.: Spalanie i paliwa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,

Wrocław, 2008.

[23] Kotlicki T., Pawlik M.: Innowacyjne technologie węglowe dla ograniczenia emisji CO2,

Rynek Energii nr 3/2011.

[24] Li T., DaWei Tang, Li Z., Du J., Zhou T., Jia Y.: Development and test of a Stirling

engine driven by waste gases for the micro–CHP system. Applied Thermal Engineering Vol.

33–34, pp. 119–123, 2012.

[25] Li X., Kininmont D., Le Pierres R., Dewson S. J.: Alloy 617 for the High Temperature

Diffusion – Bonded Compact Heat Exchangers, Proceedings of ICAPP 2008, Anaheim, CA

USA, June 8 – 12, 2008.

[26] Lubaczyński W.: Zachowania odbiorców na przykładzie projektu pilotażowego

wdrożenia innowacyjnych taryf, Konferencja- Cyfryzacja sieci elektroenergetycznych,

Warszawa, 13 maj 2014.

[27] Milewski M., Discepoli G., Desideri U.: Modeling the performance of MCFC for various

fuel and oxidant compositions, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 39, pp.

11713–11721, 2014

[28] Milewski J., Świrski K.: Modelling the SOFC behaviours by artificial neural network,

International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 13, pp. 5546–5553, 2009.

[29] Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej–

http://www.nfosigw.gov.pl/– aktualizacja 12.08.2014.

[30] Polskie Sieci Elektroenergetyczne– http://www.pse–operator.pl/– aktualizacja

29.07.2014.

[31] Projekt ustawy o odnawialnych źródłach energii z dnia 08.07.2014.

[32] Renzi M., Brandoni C.: Study and application of a regenerative Stirling cogeneration

device based on bio-mass combustion, Applied Thermal Engineering, Vol. 67, pp.

341–351, 2014.

[33] Szczerbowski R., Chomicz W.: Generacja rozproszona oraz sieci Smart Grid w

budownictwie przemysłowym niskoenergetycznym, Polityka Energetyczna, Tom 15,

Zeszyt 4, 2012.

[34] Szczęśniak A., Milewski J.: The reduced order model of a proton–conducting solid oxide

fuel cell, Journal of Power Technologies, Vol. 94, No. 2, pp. 122–127, 2014.

[35] Tomczykowski J.: Udział gospodarstw domowych w obciążeniu KSE, Energia

elektryczna, nr 1, 2014.

[36] Urząd Regulacji Energetyki– Informacja (nr 15/2014) w sprawie średniej ceny sprzedaży

energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym za rok 2013.

[37] Urząd Regulacji Energetyki– Informacja (nr 11/2014) w sprawie średniej ceny energii

elektrycznej dla odbiorcy w gospodarstwie domowym uwzględniającej opłatę za

świadczenie usługi dystrybucji energii elektrycznej, obliczonej na podstawie cen

zawartych w umowach kompleksowych za 2013 rok.

[38] Urząd regulacji energetyki– Informacja (nr 8/2013)– w sprawie średniej ceny sprzedaży

energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym za rok 2012.

[39] Wang T., Zhang Y., Shu C.: A review of researches on thermal exhaust heat recovery

with Rankine cycle, Elsevier, Renewable and Sustainable energy reviews, Nb. 15, pp.

2862 – 2871, 2011.

[40] Wierzbicki, S.: Laboratory Control and Measurement System of a Dual–Fuel

Compression Ignition Com-bustion Engine Operating in a Cogeneration System, Solid

State Phenomena, Vol. 210, pp. 200–205, 2014.

[41] Xiao G., Chen C., Shi B., Cen K., Ni M.: Experimental study on heat transfer of

oscillating flow of a tubular Stirling engine heater, International Journal of Heat and

Mass Transfer, Vol. 71, pp. 1–7, 2014.

[42] Zakład Energetyczny– http://zaklad.energetyczny.w.interia.pl/–aktualizacja 31.08.2014.

ASPECTS OF SUPPORT AND DEVELOPMENT OF DISTRIBUTED

MICROCOGENERATION IN POLAND

Key words: microcogeneration, Stirling engine, energy efficiency

Summary. In view of 2020 Poland as a member country of the European Union must comply with the

requirements related to the protection of climate defined, among others, in the Directives 2009/28/WE and

2012/27/UE as well as to introduction of intelligent meters at retail clients – the 2009/72/WE Directive. In the

2012/27/UE Directive there have been several cogeneration technologies enumerated, due to which electric

energy is pro-duced from waste heat. Among these are: gas turbines in the combined system with heat retrieval,

combustion engines, steam engines, fuel cells, microturbines, organic Rankine cycle, Stirling engines, and many

others, de-scribed in detail in the abovementioned Directive. In the first part of this work the support

programmes for distributed cogeneration, as well as for Renewable Energy Sources in Poland (OZE in Polish)

have been presented (a bill on Renewable Energy Sources from 08.07.2014), and also the support programmes

designed by the National Fund for Environmental Protection and Water Management (in Polish – NFOŚiGW).

The possibilities of applying distributed microcogeneration as an element to alleviate the peak demand and to

flatten the curve of power demand from the domestic mains. The possibility of the demand pattern management

has been analyzed and of client adjustment to the market as a result of adequate energetics policy which takes into

account microco-generation and aiming at more effective utilising energy from the mains. Discussed were also

possibilities of electric energy sale from the microcogeneration system to the electric mains.

Adrian Chmielewski, mgr inż. – Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn

Roboczych, asystent w Instytucie Pojazdów, e–mail: a.chmielewski@mechatronika.net.pl

Robert Gumiński, dr inż. – Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn

Roboczych, adiunkt w Instytucie Pojazdów.

Stanisław Radkowski, prof. dr hab. inż. – Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i

Maszyn Roboczych, Dziekan Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych.

Przemysław Szulim, mgr inż. – Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn

Roboczych, asystent w Instytucie Pojazdów.