Бег по кругу, или Опять все тот же Стирлинг?
Продолжаются попытки коммерческого использования в Европе двигателя Стирлинга в бытовых системах для выработки электроэнергии.
Ученые из Университета Эрлангена – Нюрнберга им. Фридриха-Александра (FAU) в Баварии за последние несколько лет разработали комбинированную установку микро-ТЭС, состоящую из топки с кипящим слоем и двигателя Стирлинга номинальной электрической мощностью 5 кВт.
Проведено длительное тестирование установки при различных режимах работы и с использованием разных материалов (песка и других) для кипящего слоя. Максимальный КПД по электроэнергии составил 15%, а КПД установки выше 90%.
Предельно допустимые нормы выбросов СО и эмиссия мелкодисперсных частиц (пыли) оказались ниже норм, установленных в ФРГ Федеральным законом о защите окружающей среды от экологически вредных выбросов BImSchV (сокр. от Bundesimmissionsschutzverordnung).
Длительная работа при полной нагрузке доказала успешность вышеописанной концепции использования двигателя Стирлинга с топкой с кипящим слоем. Помимо достижения высокой эффективности микро-ТЭС, значительно уменьшилось зашлаковывание теплообменных поверхностей и коррозионные процессы.
В 2019 году в рамках проекта BioWasteStirling перешли от лабораторных тестов описанной микро-ТЭС к практическим шагам – так называемым полевым испытаниям. В этом проекте наряду с FAU принимают участие компании SWW Wunsiedel Frauscher и Thermal Motors. При полевых испытаниях должна быть обеспечена надежная работа микро-ТЭС в течение длительного времени и подтверждены на практике результаты всех проведенных ранее лабораторных испытаний и тестов. В случае успеха, в котором разработчики из Университета FAU нисколько не сомневаются, планируется коммерциализировать проект микро-ТЭС на основе топки с кипящим слоем и двигателя Стирлинга и довести его до серийного производства.
Стоит напомнить, что в ЕС, и в частности в ФРГ, более 10 лет ряд производителей экспериментировали с внедрением двигателя Стирлинга в малой энергетике. Для генерации электрической и тепловой энергии его использовали в комбинации с пеллетной горелкой, газовыми и твердотопливными (на щепе, дровах и другой твердой биомассе) котлами, солнечными коллекторами и газовыми генераторами. К примеру, фирма Qalovis GmbH использовала двигатель Стирлинга производства США в сочетании с газогенератором прямого процесса с неподвижным слоем, представляющим собой вертикальную шахту, в которую сверху загружается топливо, дутье подается в нижнюю часть, а генераторный газ отводится сверху, то есть газы движутся по шахте газогенератора в направлении, противоположном подаче топлива. На выходе получили 36 кВт электроэнергии и 120 кВт тепловой энергии. При такой комбинации, в отличие от классической схемы ТЭС (газогенератор и поршневой двигатель), не требуется многоступенчатая и дорогостоящая очистка генераторного газа.
Немецкий производитель котлов Viessmann предлагает микроТЭС с двухпоршневым двигателем Стирлинга Viessmann-Vitotwin, смонтированную в одном компактном корпусе с газовым котлом Vitodens 200-W. Электрическая мощность этой станции равна 1 кВт при КПД 15%, а тепловая – 5 кВт. Общий КПД установки 85%, ее вес 100 кг.
Во многих европейских странах также пробуют использовать двигатель Стирлинга в бытовых микро-ТЭС.
К сожалению, бурная деятельность некоторых производителей подобных микро-ТЭС в Европе закончилась банкротством. Прежде всего нужно упомянуть компанию Sunmachine, которая выпускала микро-ТЭС электромощностью 1,5–3 кВт и тепловой мощностью 4,5–10,5 кВт. Станция состояла из двигателя Стирлинга и пеллетной горелки.
Не пошла в серию и разработка компании SenerTec Dachs Stirling, хотя по индивидуальным заказам она готова производить микро-ТЭС с двигателем Стирлинга (1 кВт электроэнергии и 6 кВт тепловой энергии).
В 2012 году заявила о банкротстве компания Efficient Home Energy SL (EHE) – испанский производитель микро-ТЭС с двигателем Стирлинга. Примерно одна тысяча выпущенных компанией мини-ТЭС WhisperGen для частных малоэтажных домов были установлены по всей ФРГ. Однако после объявления о банкротстве ЕНЕ прекратила поставку запчастей, сервисное, гарантийное обслуживание и ремонт своих установок.
Одной из основных причин несостоятельности некоторых компаний – производителей микро-ТЭС с двигателем Стирлинга – это, безусловно, очень высокая цена их установок: Dachs Stirling – почти € 18 тыс., а Sunmachine – € 26 тыс. И это всего за 1 кВт·ч и максимум 3 кВт·ч электроэнергии соответственно! Даже при закрепленной законодательством в странах ЕС возможности подачи выработанной на таких микростанциях электроэнергии в сеть, субсидиях и «зеленом тарифе» это все равно очень дорогое удовольствие, окупаемое за много лет.
Разработчики из FAU учли основные ошибки предшественников и, помимо вышеописанного технологического решения, установили оптимальную конечную мощность микро-ТЭС по электроэнергии 5 кВт. В перспективе при серийном производстве стоимость таких микро-ТЭС должна быть сопоставима с установками других компаний, генерирующими всего 1 кВт электроэнергии.
Напомним, что двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты, в которых, в отличие от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), горение происходит вне рабочих цилиндров. Работа этого двигателя построена на принципе изменения объема газа при нагреве и охлаждении в замкнутом пространстве цилиндра. Интересно, что изобрел его в ХIХ веке не механик или физик, а шотландский священник Роберт Стирлинг. История его изобретения уникальна: эти двигатели были забыты, но успешно пережили и паровые машины, и двигатели внутреннего сгорания и возродились уже в ХХ веке. Универсальной методики расчета двигателя Стирлинга нет, несмотря на то что изобретению уже более 200 лет. Практически все разработки этого двигателя становятся ноу-хау и коммерческой тайной.
Преимущества двигателя Стирлинга перед ДВС следующие: возможность использования топлива любого вида (внешний подвод тепла от любого источника); максимально простая конструкция – отсутствие клапанов, распредвала, системы зажигания, стартера – обеспечивает долговечность двигателя при непрерывной работе (от 10 до 20 лет до капремонта с техобслуживанием один раз в 2,5–3 года); отсутствие смазки, обеспечивающее существенную экономию при эксплуатации; экологичность за счет отсутствия выхлопа; низкий уровень шума. Кроме того, двигатель Стирлинга обратимый, то есть при подводе извне тепловой энергии на валу (маховике) получают механическую энергию, а при прокручивании вала – холод. Поэтому двигатели Стирлинга широко применяются в криотехнике.
Однако у изобретения Стирлинга есть существенный недостаток – высокая стоимость, обусловленная необходимостью использования термостойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки, изготовления регенератора и пр. Для производства двигателей Стирлинга требуется высокотехнологичное оборудование и персонал высокой квалификации, что также значительно удорожает их. Высокие наукоемкость и технологичность производства, а также использование дорогостоящих материалов стали основными сдерживающими факторами широкого распространения двигателей Стирлинга. Но при неограниченном финансировании совсем другая картина: двигатели Стирлинга используются в энергоустановках на космических спутниках и кораблях и современных подводных лодках.
Во многих российских регионах с децентрализованной энергетикой высокая стоимость двигателей Стирлинга не должна стать препятствием для их использования, поскольку там тарифы на электроэнергию, вырабатываемую дизель-генераторами, составляют до 40–60 руб./1 кВт·ч и выше, а топлива в виде древесных отходов более чем достаточно. Микро-ТЭС с двигателем Стирлинга можно использовать и там, куда слишком дорого или невозможно подавать электроэнергию.
В России в районах без централизованного электроснабжения проживает около 13% населения, то есть больше 19 млн человек. А централизованное электроснабжение обеспечено только на трети территории страны.
Текст Сергей Передерий, s.perederi@ eko-pellethandel.de
