Mikro Combined Heat and Power

Mikro Combined Heat and Power Dan Inborr Mathias Björk Högskolen I Östfold, Elektro Energiteknikk, 3.3.2010

SAMMANFATTNING Ämnet CHP står för Combined Heat and Power och behandlas i denna rapport. Det beskrivs vad det är för skillnad på konventionell CHP-enhet och mikro CHP-system, men i huvudsak så fokuseras det på mikro CHP. Olika tekniska utmaningar för att denna teknologi skall fungera kommer att tas upp, olika sorters motorer och vilka för- och nackdelar det finns med detta. INNEHÅLLSFÖRTECKNING Sammanfattning... 2 INNEHÅLLSFÖRTECKNING... 2 1. INLEDNING... 3 2. Vad är skillnaden mellan CHP och mikro-chp?... 3 2.2 Ekonomi... 4 2.3 Teknologins utmaningar... 4 3. Olika motortyper och teknologier... 5 3.1 Bränsleceller... 5 3.2 Förbränningsmotor... 6 3.3 Stirlingmotor... 6 4. Fördelar och nackdelar... 8 4.1 Fördelar... 8 4.2 Nackdelar... 8 5. Olika Mikro-CHP enheter... 9 6. Scenario... 11 6.1 Beräkningar... 11 6.2 Alternativval... 11 DISKUSSION... 12 SLUTSATS... 13 REFERENSFÖRTECKNING... 14 BILAGA 1... 15 HIOF097333 Sida 2

1. INLEDNING I denna rapport behandlar vi ämnet Combined Heat and Power (CHP) med inriktning på mikro CHP. Vanliga energikraftverk kan ha en CHP-enhet och då betyder det att de tar tillvara på värmeförlusterna när de producerar el. En mikro CHP-enhet är mycket mindre och befinner sig i egnahemshus och producerar värme med el som biprodukt. I rapporten kommer vi även att ha ett eget scenario med några räkneexempel där vi räknar med olika mikro CHP-enheter (Harrison, Micro CHP for housing, 2004). 2. VAD ÄR SKILLNADEN MELLAN CHP OCH MIKRO-CHP? CHP står för Combined Heat and Power eller Cogeneration. Om man har tillämpat ett CHP-system i ett kraftverk menas det att man tagit till vara den största mängden av överskottsvärmen som är en biprodukt när man har producerat elektricitet. Denna värme kan användas t.ex för fjärrvärme för närliggande bostadsområden och städer. Eftersom värmekapaciteten i vissa fall kan överskrida behovet från konsumenterna kan överskottsvärmen också omvandlas till elektricitet. Detta gör att ett CHP-kraftverk får en mycket högre verkningsgrad än ett vanligt kraftverk (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 d). En Mikro-CHP enhet (Micro Combined Heat and Power unit) är ett litet kraftverk som producerar både elektricitet och värme. Denna enhet har som huvuduppgift att producera värme, och elektriciteten är en biprodukt som tas till nytta. Detta är raka motsatsen från ett CHP-kraftverk där huvudprodukten som skapas är elektriciteten och värmen är en biprodukt. Mikro-CHP enheter är lämpade för ett hemmabruk. Ändamålet med Mikro-CHP enheter att reducera utsläppet av CO 2 och förbättra energieffektiviteten i hushåll. Figur 1 illustrerar skillnaden mellan CHP och mikro-chp (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002) (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 d). HIOF097333 Sida 3

Figur 1. Skillnaden mellan CHP och mikro CHP (Greenspec, 2008). Mikro CHP-system är attraktiv för sin generating-and-resell eller net metering som det också kallas. Net metering betyder att man kan sälja tillbaka överflödselektricitet tillbaka till elnätet. Mikro CHP-enheten ersätter den vanliga beredaren i ett centralvärmesystem och innefattar en liten motor som driver en elgenerator. Överskottsvärme från den motor som används i den primära kretsen av värmesystemet och den el som produceras används antingen i hemmet eller exporteras till nätverket som konsumeras av grannar. Den har en liknande omvandlingseffektivitet från gas till användbar värme som en vanlig beredare som är omkring 80 %. Och dessutom cirka 10-15% omvandlas till elektrisk energi (Harrison, Micro CHP for housing, 2004) (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). 2.2 EKONOMI Ekonomi är den viktigaste drivkraften i införandet av ny teknik, och Mikro-CHP ger möjligheter till betydande energibesparingar och betydligt högre vinster för energileverantörer (Harrison, Micro CHP for housing, 2004). 2.3 TEKNOLOGINS UTMANINGAR Den ekonomiska och den tekniska utmaningen är mycket svårare att klara av för mikro CHP än för större system. Orsaken är för att tillverkningskostnaderna per enhet uteffekt ökar exponentiellt när storleken minskar på systemet. Det traditionella tankesättet med fördelar med stordrift som är baserad på storlek, innebär att tillverkningskostnaderna för ett mikro CHP-system skulle bli avskräckande. Men bara genom tankesättet på fördelarna med HIOF097333 Sida 4

stordrift baserad på volym, så skulle kostnaderna reduceras till en lämplig nivåför mikro CHP-system. Men det är inte bara kostnaderna som är viktiga, det är också hur ofta systemet måste ha service och hur lång livstid den har som måste vara rimlig. Målet är att få serviceintervallerna och livslängden att vara samma som på en vanlig beredare. Enheten måste också vara tyst, inte ha några onödiga vibrationer och inte vara större än en vanlig beredare. Rent praktiskt så måste mikro CHP också matcha driftsparametrarna i befintliga värmesystem så som flöden, temperaturer och enkel installation. Viktigt är också att produkten skall tillverkas så billigt att konsumenten skall ha möjlighet att kunna spara in investeringen på inbesparade driftskostnader. När man klarar alla dessa problem så är de potentiella miljömässiga, sociala och ekonomiska fördelarna betydande (Harrison, Micro CHP for housing, 2004) (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). 3. OLIKA MOTORTYPER OCH TEKNOLOGIER Ett mikro-chp kraftverk kan drivas av ett antal olika teknologier. Här presenteras tre olika typer: Bränslecell Förbränningsmotor Sterlingmotor 3.1 BRÄNSLECELLER Bränsleceller konverterar bränsle (i detta fall väte) direkt till elektricitet. Värme är som en biprodukt och vatten är en avfallsprodukt av den elektrokemiska processen. I teorin finns det alltså inga rörliga delar, men verkligheten är annorlunda. Eftersom väte inte är ett fossilt bränsle måste den utvinnas. Den kan uppstå som en biprodukt i vissa kemiska processer t.ex. i industriell producering av klor genom elektrolys. Den kan också utvinnas ur naturgas med en ungefärlig effektfaktor på 0.8. Om man använder bränsleceller som energikälla måste man tänka på att man är inte helt miljövänlig. Eftersom det uppstår CO 2 vid utvinningen av väte så måste den processen vara energi och CO 2 -effektiv för att det inte skall belasta miljön. Om man utvinner väte av naturgas måste man också rengöra vätet för att frånskilja svavel. En annan sak man måste tänka på är att man får en likspänning (DC) ut ur bränslecellen och den måste konverteras till växelspänning (AC) och transformeras upp HIOF097333 Sida 5

till samma spänning som förbrukaren använder. I figur 2 visas en micro CHP-enhet med en bränslecell (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 c) (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 b) (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). Figur 2. En mikro CHP-enhet med en bränslecell (Valiant, 2009) 3.2 FÖRBRÄNNINGSMOTOR Förbränningsmotorer har varit i ständig utveckling i över ett århundrade och finns i många variationer och utföranden. En nackdel som de flesta har är att förbränningsprocessen är ganska svår att kontrollera. Detta resulterar i höga utsläpp av CO x och höga bullernivåer. Ett behov av oljesmörjning är väsentligt och ett konstant serviceintervall är nödvändigt. Dessa faktorer gör att en förbränningsmotor är ett ganska dåligt val till en Mikro-CHP enhet. Bränslet för en förbrännings motor till en Mikro-CHP enhet är gas, eftersom hushåll i många länder (t.ex. USA, Storbritannien och Tyskland m.m.) har en gasledning direkt in till huset. Det betyder då också att lönsamheten fluktuerar beroende på gaspriset (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). 3.3 STIRLINGMOTOR En stirlingmotor är en värmemotor som fungerar med en cyklisk kompression och expansion av en gas. Gasen har olika temperaturnivåer så det blir slutligen en omvandling från termisk energi till mekaniskt arbete. Cykeln består av fyra skeden: komprimering av kall gas, värmning av gasen, expansion av gasen och slutligen kylning av gasen före cykeln börjar på nytt. En sterlingmotor ger en kontinuerlig och kontrollerad förbränning som resulterar i väldigt låga avgasutsläpp och en hög verkningsgrad på förbränningen. De HIOF097333 Sida 6

fungerar utan ventiler och tändsystem vilket ger väldigt långa serviceintervall och låga driftskostnader (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 a) (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). Figur 3 visar en schematisk bild av en stirlingmotor. Motorn består av cylinder (cylinder), regenerator (regenerator), kolv (piston) och en förflyttare (displacer). Vid den ena sidan av cylindern förbränns bränsle för att hela tiden hålla en hög temperatur på den sidan. Den andra sidan kyls genom att vatten (water) strömmar runt den. Kraft fås ut från kolven pga tryckförändringar på vardera sidan av kolven. Dessa tryckförändringar uppkommer pga värmning och kylning av den gas som finns i cylindern. Gasen förflyttar sig fram och tillbaka mellan den varma och den kalla zonen. Gasen har en konstant volym och förflyttas av transportören, som är förskjuten 90 före den arbetande kolven. Både kolven och transportören är kopplade till en rund skiva. Detta ger upphov till en rotation på skivan och kraft kan tas ut från axeln som skivan är fast i (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 a) (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). Figur 3 Schematisk bild av sterlingmotor (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002) Pga. den sinusformade rörelsen på kolven får man väldigt låga vibrationer och ljudnivåer. För att få högre termisk verkningsgrad så används regeneratorn. Den består av ett nätverk med fina trådar som fungerar som en lagringsplats för värme som uttas från gasen i det skede när den överförs från den kalla sidan till den varma (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 a) (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). HIOF097333 Sida 7

4. FÖRDELAR OCH NACKDELAR 4.1 FÖRDELAR Termiskt ledd Kan handla med överskottsenergi Kan producera el av värmeförlusterna Minskat CO 2 -utsläpp 4.2 NACKDELAR Vissa CHP enheter är tunga - kräver hårda golv Finns nästan bara gasförsedda enheter ännu Måste värmas upp innan optimal drift Termiskt ledd betyder att mikro CHP-enheten bara är igång när det finns behov av värme. Och elektriciteten som blir producerad är en biprodukt av processen, så i och med det krävs det inget tilläggsbränsle för att producera elektriciteten så man kan kalla den kolfri elektricitet (Harrison, Micro CHP for housing, 2004) (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). Att handla med överskottsenergi betyder att man kan sälja sin producerade el tillbaka till stamnätet om man vill (Harrison, Micro CHP for housing, 2004) (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). Med minskat CO 2 -utsläpp menar vi i jämförelse med en vanlig beredare. En vanlig beredare har en verkningsgrad på ca 70 %, men en mikro CHP-enhet kan ha ca 90 %. I och med att man kan producera elektricitet själv så reduceras mängden elektricitet som man måste köpa från t.ex. ett kolkraftverk som släpper ut mycket mer CO 2 (Harrison, Micro CHP for housing, 2004) (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). Den måste värmas upp före den får maximal verkningsgrad. Detta innebär också att den inte är lämplig för korta intervaller (Harrison, Micro CHP for housing, 2004) (Harrison, Micro Combined Heat and Power, 2002). N HIOF097333 Sida 8

5. OLIKA MIKRO-CHP ENHETER Här presenteras och diskuteras olika Mikro-CHP enheter som kan vara lämpliga för vårt scenario. Verkningsgraden definierar hur mycket av den kemiska energin i bränslet man kan omvandla till termisk och elektrisk energi. Verkningsgraden grundar sig i vartenda fall på LHV (lower heating value). a) DISENCO HomePowerPlant Disencos mikro-chp enhet baserar sig på en stirlingmotor av beta typ. Denna modell kräver gas som bränsle. Tillverkaren lovar en elektrisk uteffekt på upp till 3 kw och en termisk effekt upp till 15 kw. Den totala livslängden skall vara 15 år vilket är ungefär densamma som för en varmvattenberedare som drivs med gas. Priset är inte angett på tillverkarens hemsida men de lovar att det skall hålla sig i samma område som för en varmvattenberedare med samma termiska uteffekter. Denna enhet behöver minimalt med underhåll och har väldigt lite oljud. Med denna enhet finns det möglighet att sälja elektricitet tillbaka till stamnätet med ett tillägg att man behöver installera en elmätare som mäter både inkommande och utgående elenergi. Den maximala verkningsgraden påstås vara 90 %. Figur 5 visar en DISENCO-enhet installerad i ett kök (Disenco, 2007). Figur 5. Disenco Mikro CHP-enhet (Disenco, 2007). b) BAXI Ecogen 24 BAXIs mikro-chp enhet baserar sig på en s.k. Free Piston stirlingmotor. Denna modell kräver också gas som bränsle. Den har en elektrisk uteffekt på 1 kw och en termisk uteffekt på 6 kw. Om behovet överstiger 6 kw kan den ge ytterligare 18 kw till genom att starta en tilläggsbrännare. Tillverkaren lovar en verkningsgrad på max 92 %. HIOF097333 Sida 9

Men denna enhet finns också möjligheten att sälja elektrisk energi tillbaka till stamnätet. Det utlovas en maximal ljudnivå på 45 db. Figur 6 visar en väggmonterad BAXI Ecogen-enhet. Denna enhet har en utspänning på 230 VAC 50 Hz (BAXI GROUP). Figur 6. Baxi Ecogen-enhet (BAXI GROUP). c) Honda Ecowill Hondas Ecowill enhet består av en vattenkyld 4-takts inre förbränningsmotor med en cylinder på 163cm 3. Den elektriska uteffekten är 1.0 kw och den termiska 2.8 kw. Honda lovar maximal verkningsgrad på 85.5 %. Denna modell kräver också gas som bränsle. Denna modell är dock tillämpad för den Japanska marknaden och har en utspänning på 100/200 VAC. Figur 7 visar Ecowill enhet (Honda, 2007). Figur 7. Honda Ecowill-enhet (Honda, 2007). d) Senertec The Dachs Senertecs enhet The Dachs består av en encylindrig 4-takts förbränningsmotor med en cylinder på 580cm^3. Den elektriska uteffekten är 5.0 5.5 kw och den termiska 12.3 12.5 kw. Denna modell kräver också gas som bränsle. Den är tillverkad i Tyskland och Senertec lovar en verkningsgrad på åtminstone 88 %. Ljudnivån uppmätt 1 m från enheten är mellan 52 och 58 db(a). Driftstiden lovas vara ca 20 år beroende på omständigheterna och serviceintervallerna. Rekommenderade serviceintervall är 3500 HIOF097333 Sida 10

timmar. Utspänningen från denna enhet är 230/400 VAC med en frekvens på 50 Hz. Figur 8 visar en Senertec enhet (Senertec). Figur 8. Senertec The Dachs Mikro CHP-enhet (Senertec) 6. SCENARIO Vi tänker oss ett självproducerande hus som får sin elektricitet från tre olika enheter. Dessa enheter är en solpanel, ett vindkraftverk och en mikro-chp enhet. Huset befinner sig i Storbritannien dvs. det har en konstant gastillförsel. Värmebatterierna i huset är vattenburna och batterivattnet samt bruksvattnet värms med mikro-chp enheten. Huset skall kunna lagra både termisk och elektrisk energi för en längre tid. Vi kommer endast att se på mikro-chp enheten i denna rapport och inga kringliggande komponenter. 6.1 BERÄKNINGAR I bilaga 1 finns beräkningar som jämför de olika enheterna med varandra. De årliga värme- och elbehovet är medelvärden som vi har tagit från tabeller (Harrison, Economics, 2009). 6.2 ALTERNATIVVAL Det alternativ som vi har valt är alternativ a) DISENCO HomePowerPlant. Den är mest lämpad för vårt ändamål för vi behöver inte en otroligt hög energikapacitet. Detta för att i Storbritannien så har man gasspisar istället för elektriska spisar. Körningstiden är 1400 h per år vilket är acceptabelt. Den har en hög verkningsgrad på 90 % och har möjlighet att sälja elenergi tillbaka till nätet. Den är ungefär lika stor som en tvättmaskin och skall monteras på golvet. Ljudnivån är också relativt låg. Tillverkaren har inte satt ut något pris men de har lovat att det skall röra sig i området för en varmvattenberedare av samma storlek. De har också lovat en livslängd på 15 år vilket är bra (Disenco, 2007) (Harrison, Economics, 2009). HIOF097333 Sida 11

Ett annat alternativ som skulle ha varit möjligt är alternativ b) BAXI Ecogen 24. Den har en bra verkningsgrad på 92 %, är lite mindre och kan monteras på väggen. Eftersom uteffekten är lite mindre blir körtiden längre. Och en längre körtid per år drar ju ner på den totala livslängden (BAXI GROUP). DISKUSSION Den mest effektiva typ av Mikro-CHP enheter verkar vara de som drivs av sterlingmotorer. De har den högsta verkningsgraden samt den lägsta bullernivån. De kräver också lite underhåll och har en bra livslängd jämfört med vanliga inre förbränningsmotorer. Det var svårt att hitta priser på vad olika CHP-enheter kostar. Man måste troligen skicka förfrågan på offert till företagen som tillverkar CHP-enheterna för att få veta något pris. Men på en Hondamodell hittade vi ett pris. Den hade en elektrisk uteffekt på 1 kw och den termiska 3 kw. Priset på den var 5600 (ca 49500 NOK). Mikro-CHP enheten är hittills mest tillverkade för länder som har gas in till hushållen. Detta gör att de är praktiskt taget omöjligt att tillämpa dem i Norden. Vissa tillverkare har börjat forska i att ta fram Mikro-CHP enheter som drivs av t.ex. ved. Detta är ju förstås en möjlighet men tänk om varenda bostad i Norden skulle elda med ved varenda dag, då skulle vedpriset skjuta i höjden och skogarna skulle ta slut. Detta alternativ är bra bara inte alla använder det. Det lämpar sig bäst för de som har egen skog. I Norge produceras det väldigt mycket gas men nästan all gas går till export. Eftersom vi i denna rapport har fokuserat på endast Mikro-CHP enheter så har vi inte räknat ut den totala lönsamheten med dessa system. För i denna rapport är detta inte relevant. Om man skall räkna ut den totala lönsamheten måste man ta med alla komponenter i scenariot och det hör inte till denna rapport. Denna teknik är relativt ny så det finns begränsat antal källor. Vi hittade inga böcker om mikro-chp på biblioteket och på internet fanns det bara rapporter och publikationer. Och många av källorna var opålitliga. HIOF097333 Sida 12

SLUTSATS En CHP-enhet tar vara på värmeförlusterna och producerar el av värmen. Vanliga CHPförsedda kraftverk producerar elektricitet med värme som biprodukt. Mikro-CHP producerar värme med elektricitet som biprodukt. De flesta modeller har gas som drivmedel, men det forskas i vilka andra drivmedel man kan använda. Den släpper ut mindre CO 2 jämfört med en vanlig beredare. HIOF097333 Sida 13

REFERENSFÖRTECKNING BAXI GROUP. (u.d.). Baxi: http://www.baxi.co.uk/products/baxiecogen.htm 3 3 2010 Better Generation. (2009). Better Generation: http://www.bettergeneration.com/images/stories/micro%20chp%20schematic%202.gif 3 3 2010 Disenco. (2007). Disenco: http://www.disenco.com/html/overview-2217.htm 3 3 2010 Greenspec. (2008). MicroCHP. Greenspec: http://www.greenspec.co.uk/images/energy/chp/chp2.gif 3 3 2010 Harrison, J. (2009). Economics. Micro Combined Heat and Power: www.microchap.info/economics.htm 3 3 2010 Harrison, J. (2004). Micro CHP for housing. Microchap: http://www.microchap.info/jeremy%20harrison%20micro%20chp%20set%202004.pdf 3 3 2010 Harrison, J. (2002). Micro Combined Heat and Power. Microchap: http://www.microchap.info/micro%20chp%20i%20mech%20e.pdf 3 3 2010 Honda. (2007). Honda: http://world.honda.com/news/2007/c070717compact-household-cogeneration-unit/ 3 3 2010 Senertec. (u.d.). Dahco. Senertec: http://www.senertec.de/index.php?eid=tx_nawsecuredl&u=0&file=uploads/media/4798_092_110_technical_data_dachs_- _short_version.pdf&t=1267629899&hash=969c9a1729ec4b0458b27938e95b8d11 3 3 2010 Valiant. (2009). Valiant. Microchap: http://www.microchap.info/pem%20micro%20chp.jpg 3 3 2010 Wikipedia, The Free Encyclopedia. (2010 d). Cogeneration. Wikipedia, The Free Encyclopedia: http://en.wikipedia.org/wiki/cogeneration 03 03 2010 Wikipedia, The Free Encyclopedia. (2010 c). Fuel Cell. Wikipedia, The Free Encyclopedia: http://en.wikipedia.org/wiki/fuel_cell 3 3 2010 Wikipedia, The Free Encyclopedia. (2010 b). Hydrogen. Wikipedia, The Free Encyclopedia: http://en.wikipedia.org/wiki/hydrogen 3 3 2010 Wikipedia, The Free Encyclopedia. (2010 a). Stirling Engine. Wikipedia, The Free Encyclopedia: http://en.wikipedia.org/wiki/stirling_engine 3 3 2010 HIOF097333 Sida 14

BILAGA 1 Tabell över energibehov Energibehov kwh/år Elenergi 2000 Värmeenergi 21000 (Harrison, Economics, 2009) Tabell över egenskaper över olika CHP-enheter HIOF097333 Sida 15