Stirlingův motor a biomasa - přesvědčivá kombinace

V oboru tepelné techniky se podařilo dosáhnout mimořádného pokroku i z pohledu využití ekologických zdrojů energie. Stále zajímavějšími se stávají vysoce výkonná zařízení pro spalování pelet. Proces jejich integrace do inovativní systémové techniky byl korunován skutečnou „třešničkou na dortu“ - využitím Stirlingova motoru.

V prosinci 2007 byla zveřejněna studie marketingové společnosti GfK, která mimo jiného udává, že cca 40 % spotřebitelů, stojících před nutností sanace vytápění, v otázce energetického média váhá. Na příkladu biomasy lze dobře ilustrovat dilema, před nímž se konečný spotřebitel v současné době nachází.

Peletový šok

Došlo k tomu, k čemu dojít muselo: boom, kterým prošla peletová zařízení v období 2003 - 2005, zapříčinil eskalaci cen pelet. Současně krátkodobě poklesly ceny topných olejů. V období vánoc 2006 se ceny obou paliv dostaly na stejnou úroveň, což mělo za následek propad na trhu peletových zařízení. Tento šok vyvolal nejistotu v celém tomto odvětví a stejně tak i u spotřebitelů.

Mezitím se však situace opět zásadně změnila: počátkem roku 2008 platil konečný spotřebitel za pelety 0,04 €/kWh, za topný olej 0,07 €/kWh; to je v ročním vyúčtování podstatný rozdíl pro každou budovu - velkou i malou. Ti výrobci tepelné techniky, kteří se propadem trhu nenechali odradit, na optimalizaci a rozšiřování spektra svých produktů pro spalování bi¬omasy (a peletových zařízení zvlášť) vydělali - byl to riskantní podnik, který se vyplatil. Výsledkem praktických zkušeností a kombinačních možností je přiznání vynikajících šancí peletovému vytápění do budoucna. Tento optimismus však nevychází pouze z vizí techniků: je stále více a více zákazníků, kteří si uvědomují potenciál CO₂ neutrálních paliv.

Velký návrat

Podstatným přínosem vývoje peletových zařízení je zvyšování jejich výkonu - dnes jsou schopny zásobovat teplem zdaleka ne pouze rodinné domy. Čím vyšší je výkon těchto zařízení, tím zřetelněji roste jejich hospodárnost a zkracuje se doba návratnosti. Důvod je jasný: s požadavky na teplo roste i spotřeba paliva a tím i úspora, pramenící z cenového rozdílu topného oleje (zemního plynu) a pelet. Co je přitom podstatné: zařízení o výkonu 100 kW sice spotřebovává 5x více paliva než zařízení dvacetikilowattové, ale jeho cena roste s výkonem mnohem pomaleji.

Šance roste s bivalencí

Logický závěr se zdá být: „čím větší, tím lepší“. Lepší snad ano, ale ne nejlepší. Mnozí výrobci, nabízející zařízení o velkém výkonovém rozsahu, doporučují peletové kotle pro maximální odběr tepla. To ve skutečnosti znamená, že pro „běžný“ provoz musí být tato zařízení vysoce předimenzována a nemohou poskytnout optimální efektivitu; především nedosahují optimálního poměru úspor CO₂ k investičním nákladům.

Řešením je bivalentní systémová technika. Základní potřebu tepla lze pokrýt peletovým kotlem, kombinovaným v kaskádě s kotlem plynovým (na přání i s olejovým kotlem nebo tepelným čerpadlem). Tento pak slouží pro pokrytí špičkové spotřeby; zkušenosti ukazují, že ke špičkovému zatížení dochází jen v cca 20 % doby provozu, takže více než 80 % ročně spotřebovaného tepla lze vyrobit CO₂ neutrálním způsobem - spalováním pelet. Předpokladem ideálního řešení není pouhá kompatibilita všech zařízení, ale i původ od stejného výrobce a řízení společnou regulací.

Zařízení pro systémovou techniku jsou výhodná i cenově. Ačkoliv se pořizovací náklady na dva menší kotle jeví v porovnání s jedním větším kotlem jako vysoké, díky nižším provozním nákladům se investice vrátí rychleji. Kromě toho dva nezávislé tepelné zdroje a diverzifikace paliva poskytují vyšší provozní spolehlivost - toto kritérium má neopominutelný význam zejména pro veřejné budovy, jako např. dětská zařízení, školy nebo nemocnice. Další výhodou kaskády je, že oddělené, relativně malé komponenty se dopravují a instalují snadněji - oproti tomu velký kotel při sanaci vytápění často vyžaduje nákladné stavební úpravy (třeba již jen na samotné umístění kotle v kotelně).

Příklady zapojení kotlů na pelety

Řada příkladů z praxe potvrzuje, že nejde o žádnou utopii, ale o plnohodnotná výkonná systémová řešení; dvě z nich zde představíme.

1. Newark Business Innovation Centre (Velká Británie)

Ve městě Newark (Velká Británie, hrabství Nottinghamshire) byl v roce 2007 otevřen komplex administrativních budov, zvaný Newark Business Innovation Centre. Běží zde dva peletové kotle (každý o výkonu 50 kW), podporované plynovým kotle o výkonu 70 kW. Zásobování teplem zajišťuje kaskáda, v níž peletové kotle jsou základním zdrojem a kotel plynový zdrojem špičkovým. Podle naměřené venkovní teploty zpravidla běží pouze jeden z peletových kotlů, v případě zvýšeného požadavku na teplo oba dva. Plynový kotel je připojován jen pro špičkové zatížení. Celý systém lze navíc provozovat i výhradně na zemní plyn (v případě nedostatku nebo přechodného zdražení pelet). Výsledkem je minimální cena za palivo, maximální redukce spotřeby fosilních paliv, dosažení nejvyšší možné flexibility a zajištění vysoké provozní spolehlivosti.

Anglie se intenzívně snaží o plnění podmínek dokumentu „White Paper Energy“, tedy o redukci emisí CO₂, takže systémová technika nachází stále širší uplatnění právě především ve veřejných budovách.

2. Škola Neuberg v Neckarsulmu (Německo)

Cíl ve škole Neuberg v Neckarsulmu (Německo) byl stanoven podobně. Neckarsulm patří jako jediné německé město mezi 18 členů partnerského výzkumného projektu EU s názvem „Concerto“, jehož hlavním cílem je snížení produkce CO₂ o 20 %. V souladu s projektem město Neckarsulm požadovalo realizaci zařízení se Stirlingovým motorem. Prioritou „solárního“ města Neckarsulmu při modernizaci vytápění ve škole Neuberg bylo vyvarovat se jakýchkoli emisí CO₂ a tedy i špičkovou potřebu tepla pokrýt spalováním biomasy (na rozdíl od výše popsaného bivalentního řešení), byla zde tedy realizována varianta se Stirlingovým motorem.

Od podzimu 2007 zde pracují (rovněž v kaskádě) 2 peletové kotle (výkon po 70 kW), z nichž jeden pokrývá běžnou potřebu tepla a druhý je připojován pouze pro pokrytí špičkové potřeby. K prvnímu kotli (určenému pro „běžný“ provoz) je připojen Stirlingův motor. Běží současně s kotlem a zároveň dodává elektrický proud.

Toto speciální zařízení je jedním příkladem z celé řady pilotních projektů, na nichž Hoval jako výrobce provádí provozní testy a sbírá zkušenosti před oficiálním uvedením této kombinace: biomasa + Stirlingův motor na trh.

Stirlingův motor - „třešnička na dortu“

V tomto případě nepředstavuje plné využití potenciálu zařízení pouhou technickou hříčku, ale skutečný „bonus gratis“ přinášející radost: vlastní výrobu elektrické energie spojením vytápěcího kotle na pelety se Stirlingovým motorem.

Vynález Stirlingova motoru není zas tak nový, jak se na první pohled zdá. Robert Stirling, skotský duchovní, jehož vášní byly stroje, již v roce 1843 pro jistou slévárnu zkonstruoval motor o výkonu 34 kW se spotřebou pouhých 30 % paliva ve srovnání se spotřebou parního stroje o stejném výkonu.

Konstrukce je stejně geniální jako jednoduchá: Stirlingův motor využívá horké spaliny kotle. Pracovní plyn (dusík) uzavřený v motoru se zahřátím rozpíná, tlačí na píst a vyvolává přes klikovou hřídel otáčivý pohyb. Prostřednictvím generátoru je tímto pohybem získáván elektrický proud. V zásadě jde o přeměnu tepelné energie na kinetickou a této kinetické energie na energii elektrickou.

V následujícím století došlo k prudkému rozvoji benzínových a naftových motorů, surová ropa byla kolem roku 1900 levná a tak Stirlingův motor upadl v zapomnění - aby se dnes stal opět aktuálním.

Kotel na biomasu se Stirlingovým motorem

Chceme-li spojit Stirlingův motor s kotlem pro spalování kusového dřeva, musíme rozlousknout jeden tvrdý oříšek: přísun paliva se děje ručně (na rozdíl od zařízení obsluhovaných automatikou). Výroba tepla podstatně kolísá podle plnění a vyhoření kotle. Výrobce může tento problém zvládnout pouze s pomocí regulace, která řídí přívod spalovacího vzduchu prostřednictvím vysokoteplotního senzoru s lambda-sondou tak, aby spalovací proces probíhal kontinuálně. Pouze tehdy lze společně provozovat i Stirlingův motor.

Od léta 2008 je v limitovaném množství dodáván Hoval Agrolyt, kotel na spalování kusového dřeva, se Stirlingovým motorem. Hoval tuto verzi malé kogenerační jednotky vyvíjel a testoval v trvalém provozu po několik let. Protože se pohyblivé díly Stirlingova motoru opotřebovávají, technici kladli při trvalém provozu velký důraz na to, aby obě zařízení vykazovala stejnou životnost a celá sestava bezproblémově fungovala po dlouhá léta.

Aby bylo zajištěno objektivní posouzení (nadšení z vlastního díla občas klame), podrobil Hoval Stirlingův motor dlouhodobým externím testům. Výsledek předčil očekávání jak testovacího institutu, tak i vývojového oddělení Hoval: prototyp po 1300 hodinách provozu a dlouhodobém zatížení ve zkušebně nejevil žádné známky opotřebení. Tři roky provozních testů prováděných na šesti zařízeních tyto výsledky potvrdily.

Peletový kotel Hoval BioLyt (ve verzích 50 a 70 kW) se Stirlingovým motorem běží po dobu jednoho roku ve zkušebním testovacím provozu. Příznivým faktorem pro použití Stirlingova moto¬ru je horizontální konstrukce spalovacího systému (pro BioLyt typická a odlišující jej od jiných peletových kotlů), podporovaná horizontálním připojením. V místě průzoru, umístěného na zadní straně kotle, se nachází otvor pro výměník motoru.

První série zařízení pro spalování pelet se Stirlingovým motorem přichází na trh během roku 2009.

Stirlingův motor - průkopníci musí být

Přínos aplikace Stirlingova motoru by v současné době měl být posuzován spíše z hlediska ekologického než ekonomického - popisované řešení dává elektrický výkon 1 kW. Porovnáme-li získanou energii s investičními náklady, žádnou finanční úsporu ještě nedostaneme. Konkrétně definovaným a zamýšleným cílem vývojového oddělení Hovalu je výkon kolem 3 kW, při němž se dá již počítat s návratností investice během 7 až 8 let. Při předpokládané životnosti robustního Stirlingova motoru jde o jasné plus i z hlediska hospodárnosti.

Zde jde o něco víc než jen o peníze - totiž o to NĚCO, co představuje „třešničku na dortu“ pro znalce (hybridním autem také nejezdí každý). Hoval v tomto směru neočekává velkou poptávku, přinejmenším ne v nejbližší budoucnosti, ačkoliv produkt má mezi specialisty zvučné jméno. Kotel na biomasu se Stirlingovým motorem bude chtít mít jen ten, kdo se chce podílet na budoucnosti a kdo se bude chtít počítat k průkopníkům.

Speciálně na německém trhu nabízí Hoval technickým fajnšmekrům mimořádnou příležitost: na internetových stránkách www.hoval.de se mohou ucházet o jeden z 20 kusů AgroLyt - Stirling, postavených v roce 2008.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu