Сергій Золотов
Сьогодні вся діяльність інженерів-розробників компаній, що постачають опалювальне обладнання, розглядається з точки зору ймовірного швидкої появи технології, яка змінить сьогоднішню модну газоконденсатную.
Ці питання були на порядку денному пленарних заходів, що входили в програму франкфуртської виставки ISH-2001. І, крім газових теплонасосів, мова неодмінно йшла про пристрої, що діють на основі паливних елементів. А також про мікротеплоенергетіческіх муфтах. У рамках виконання завдання енерго-і теплозабезпечення односімейного котеджу такий пристрій поєднує в собі газоконденсатній бойлер і двигун Стірлінга.
Сьогодні розвиток виробництва опалювального обладнання підтримується цілим рядом факторів, пов'язаних з новими технологіями. І можна говорити про нерівному розвитку європейського ринку. Ослаблення попиту на опалювальне обладнання в Німеччині супроводжується відповідним зростанням, які спостерігаються у Франції та Польщі.
У світлі змальованої ситуації зрозуміло прагнення багатьох виробників та до технологічного відповіді на існуючий технічний запит.
Що ж стосується вищезгаданих паливних елементів, то даний технічний аспект був предметом активного обговорення в середовищі професіоналів протягом всього 2002р. Після того, як в ході виставки ISH-1999 компанія Vaillant заявила себе в якості першого пілотного випробувача технології паливних елементів і конструюється на основі даної технології обладнання, Viessmann, Buderus і Bosch також звернули найпильнішу увагу на це рішення.
Протягом наступних трьох років компанією Vaillant були здійснені поставки 400 пристроїв замовникам ряду держав Європи. Зокрема, у 2002р. польових випробувань були піддані 50 децентралізованих систем опалення, управління якими здійснювалося як малої єдиною енергосистемою (так званої віртуальної електростанцією).
Участь у випробуваннях взяли Plug Power Holland, Gasunie (NL, Ruhrgas, RWE Power), університети Лісабона і Ессена, Німецький аерокосмічний центр, Європейська теплоенергетична асоціація, а також іспанська компанія Sistemas de Calor.
А вже з початку 2004р. будуть здійснюватися серійне виробництво і регулярні поставки. Що ж стосується Vaillant, то дана компанія до 2010р. має намір здійснити до 100тис. європейських поставок, при цьому тільки в Німеччині - до 40 тис.. Перші з пропонованих сьогодні на ринку пристроїв, діючих на основі паливних елементів, забезпечують 4,6-кіловатні енергопостачання або 35-кіловатні теплопостачання, тобто типові характеристики, що відповідають вимогам житла, розрахованого на проживання 6 сімейств (або аналогічного за параметрами приміщення, призначеного для здійснення малого бізнесу).
Інтерес постачальників електроенергії та газу до пристроїв, що діють на основі паливних елементів, говорить про існування процесу розвитку революційної технології, який може протікати в рамках класичної промисловості опалювального обладнання та поза нею. У той час як постачальники газу розглядають використання паливних елементів як окрему технологію, що сприяє збереженню привабливості такого палива, як газ, сьогодні, коли все більш популярними стають будівлі низкою енергоємності, постачальники електроенергії опинилися перед обличчям нового виклику у вигляді, можливо, багатьох тисяч BZH ( такою абревіатурою позначаються пристрою в Німеччині, про які йде мова).
Потрібно сказати, що практично одночасно з поширенням в Німеччині ідеї паливних елементів в Нідерландах було розроблено таке новий пристрій, як мікротеплоенергетіческая муфта (microthermal power coupling, або MTPC). Як і BZH, MTPC дозволяє отримувати одночасно електричну і теплову енергію при використанні природного газу.
Даний пристрій був розроблений силами об'єднання EnAtEc, заснованого у 1997р. двома компаніями - постачальником електроенергії EneCo і виробником опалювального обладнання ATAG Verwarming, а також центром досліджень в області енергетики ECN. Керівники ATAG переконані, що пристрої MTPC є гідною відповіддю на питання про те, що може призвести до успіху газоконденсатной технології.
Рішення Стірлінга викликає у них хвилю ентузіазму: ще б пак, адже крім компактності та енергоефективності впровадження даної технології означає перехід до використання обладнання, що вимагає мінімального догляду.
Після того, як експерти EnAtEc переконаються в надійності роботи пристроїв MTPC, об'єднанням планується початок випуску широкої гами продукції даного типу в 2003 ... 2004рр. Ну, а до 2010р. пристрій повинен міцно утвердитися на ринку.
Тому після виставки ISH-2003 заплановано низку зустрічей представників EnAtEc з постачальниками газу і електроенергії різних європейських країн. Темою дискусій і буде вироблення відповідної ринкової політики на найближчі роки.
Не менш обіцяють, ніж паливні елементи і двигун Стірлінга, продовжує вважатися теплонасос. Ось уже який рік він користується зростаючим попитом. Stiebel Eltron констатує, що протягом 2002р. було встановлено приблизно 5,5 тис. теплонасосів. 90% від загальної кількості встановлених в Німеччині теплонасосів (50тис.) служить для опалення осель, 10% використовується в комерційній, промисловій та сільськогосподарській сферах. Сьогодні теплонасоси пропонуються багатьма компаніями. І спостерігається цікаве поєднання зниження (на тлі зростання цін на нафту і газ) цін на електроенергію і збільшення привабливості електронних теплонасосів на ринку опалювального обладнання. До того ж, багато постачальників електроенергії активно просувають теплонасоси, всіляко заохочуючи потенційних споживачів. Хто намагається залучити інвестора субсидією, хто знижками.
Потрібно сказати, що в даний час ведеться дуже велика робота, спрямована на забезпечення можливості використання газу в поєднанні з теплонасосом. Згадки в зв'язку з цим заслуговують і теплонасос Vuilleumier, оснащений газовим пальником Viessmann, й теплонасос Vaillant, експлуатація якого також передбачає спалювання газу, а також цеолітових систему водопідготовки. Серію польових випробувань останньої версії газового теплонасосу дифузійного поглинання успішно завершила компанія Buderus.
Сьогодні вона готова запропонувати нову модель, що одержала назву Loganova GWP, на ринку. До переваг моделі належать відсутність рухомих частин, безшумність роботи, відсутність вібрацій і мінімальний контроль і догляд.
Майбутнє покаже, які з що з'явилися недавно нових технологій будуть домінувати на ринку, чи є у теплонасосів на газовій тязі шанс змагатися з такими на електричній, чи стануть офіційними технологічними лідерами паливна комірка або двигун Стірлінга, або ж всі відомі сьогодні системи просто поділять ринок між собою . Не варто забувати, що в тих місцевостях, де і до цього дня не прокладені газові магістралі, ще якийсь час неминуче будуть використовуватися традиційні опалювальні установки.
Полімерелектролітная мембрана як основа дії паливного елемента
Дія паливного елемента нагадує електроліз, тільки поновлюваний. Водень «згоряє», з'єднуючись з киснем повітря. Реагенти обмінюються електронами. Вироблене тепло використовується для обігріву та нагріву води. Кожна паливна осередок є анод і катод, розділені електролітом. Роль останнього є вирішальною, оскільки він, з одного боку, проводить іони, з іншого - є ізолятором. Дослідження, проведені в усьому світі, здійснювалися з використанням різних електролітів. Сукупність характеристик цих речовин передбачає цілий ряд температур застосування і цілий ряд паливних якостей. Наприклад, низькотемпературний паливний елемент, використовуючи чистий водень, обумовлює температуру реагування в області 90 ° C. Використовуваний електроліт представляє собою тонку пластикову мембрану. Ця мембрана, через яку можуть проникати протони, і повідомляє незвичайного виду палива його назва: паливна комірка, яка діє на основі використання полімерелектролітной мембрани (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, або PEM).
У числі активних інвесторів у розвиток даної технології, в необхідні дослідження - і компанія Vaillant. У 1999р. було засноване спільне підприємство, в яке увійшли компанії Plug Power і GE Fuel Cell Systems (США). У цій спільноті Vaillant належить роль інтегратора системи, що одержує PEM-осередки і елементи газової апаратури від Plug Power і випускаючого з використанням своїх контролерів та інверторів опалювальне обладнання, яке пропонується як власне партнерам і клієнтам Vaillant, так і європейським партнерам General Electric. Виробник оцінює європейський ринок 2010 року на рівні приблизно 250тис. щорічно пропонованих пристроїв. При цьому левова частка цієї кількості (приблизно 100тис. Одиниць), як очікується, буде реалізована в Німеччині.
Мікротеплоенергетіческая муфта
Протягом останніх декількох років робилися спроби втілити концепцію двигуна Стірлінга в прибуткових і технічно заможних продуктах.
У 1816г. Роберт Стірлінг, міністр у справах церкви Шотландії, звернувся за патентом на пристрій підігріву повітря. Двигун Стірлінга працює з постійним об'ємом повітря або газу. Стінка циліндра в одного з його кінців підігрівається (наприклад, за допомогою газового пальника), внаслідок чого газ, що знаходиться в циліндрі, також нагрівається і розширюється. На іншому кінці циліндра газ віддає свою енергію теплообміннику (наприклад, циркуляційної водній системі). У початковому варіанті теплової машини повітря переміщається одним ходом поршня з гарячої області в холодну і назад. У 1818г. машина такого типу була використана в одній з каменоломень як привід насоса, що відкачує воду. Концепція EnAtEc грунтується на використанні двигуна Стірлінга, побудованого STC (Університет штату Вашингтон, США). Це FPSE (free piston Stirling engine) - двигун Стірлінга з вільним поршнем з кіловатним лінійним електрогенератором. Дане рішення не передбачає перетворення руху поршня в обертальний.
Витискувач і робочий поршень здійснюють зворотно-поступальний рух уздовж загальної осі, будучи з'єднаними інерційної пружинною системою. Завдяки конструкції, яка включає дискові пружини, постійні і котушкові магніти, шукана енергія може бути й виходила на робочому кінці циліндра в результаті малого коливання. Перевага: немає тертя, отже, немає зносу.
Мікротеплоенергетіческая муфта від EnAtEc представляє собою комбінацію двигуна Стірлінга (електроеффектівность близько 10%) і теплообмінника з нержавіючої сталі, який складається з газоконденсаторов виробництва ATAG (теплоеффектівность 109%). Машина Стірлінга приводиться в дію за допомогою газового полум'я, виробляючи тепло і електрострум. Після цього тепло гарячого вихлопу повністю переходить в теплообмінник, тепловий потенціал якого знаходиться в межах від 6 до 10 кВт. Конструкція передбачає пряме підведення до теплообмінника додаткового природного газу в періоди пікових навантажень за допомогою використання спеціальної пальника. Тепловий потенціал всієї муфти знаходиться в межах від 6 до 24кВт. Вона працює з усіма видами газового палива. Даний двигун Стірлінга розрахований на роботу протягом 60 тис.. годин, або 15 років. Якщо вірити EnAtEc, муфта дозволяє зберегти до 15% енергії (враховуючи як електричну, так і газову складові) у порівнянні з окремим виробництвом тепла традиційними ТЕЦ включаючи трансмісійні втрати.
Дослідницький проект «цеолітовий теплонасос»
Vaillant розробляє газовий теплонасос на основі цеолітової-водної системи. Дана пропозиція розглядається як альтернатива електронному теплонасосу і газового бойлера. Відповідний бізнес-план буде представлений на ринку в 2004р.
Цеоліт, керамікообразний матеріал, що отримується з оксидів алюмінію і кремнію, нетоксичний і негорючий. Робота теплонасосу грунтується на здатності ніздрюватого цеоліту утримувати велику кількість вологи, яка випускається масивом цеоліту при його нагріванні. Для більшої ефективності процесу його протікання організовано у вакуум-контейнері, який є одним з модулів теплонасоса.
Непрямий нагрів вологого цеоліту здійснюється за допомогою провідника, який отримує теплову енергію від газового пальника. Вода, яка випаровується конденсується в теплообміннику, що отримується при цьому тепло йде на потреби опалення. Після того, як температура цеоліту досягає максимуму, матеріал знову охолоджується.
Видаляється з цеоліту вода випаровується при низькій температурі з використанням тепла навколишнього середовища, після чого знову поглинається охолодженим цеолітом. Процес відбувається, коли цеоліт знову наповнюється водою.
Концепція вайллантовского нагрівача вимагає використання двох однакових теплонасосів, в яких синхронізуються різні фази процесу.
Середньорічний показник утилізації тепла оцінюється на рівні 135%. Це означає економію енергії і зменшення обсягу викидів CO2 приблизно на 20% в порівнянні з газоконденсатної технологією і на 30% - з низькотемпературними бойлерами.
Дифузійні поглинальні теплонасоси (DAWP)
З 1996 Buderus активно розробляє дифузійний насиченість теплонасос (diffusion absorbtion heat pump, або DAWP).
Дослідницький проект, вперше представлений на ISH-99, благополучно минув етап польових випробувань. Компанія була відзначена спеціальною премією газової промисловості Німеччини за роботи, пов'язані з використанням природного газу та відновлювальними джерелами енергії. Газовий теплонасос Loganova GWP з'явився одним з головних експонатів стенду Buderus на ISH-2001.
DAWP включає газовий теплонасос, що працює на основі використання водного розчину аміаку як робочого тіла, а також гелію.
У ході циклічного процесу робоче тіло (NH 3) дифундує в гелієву атмосферу. Гелій виступає як єдино допоміжного газу, компенсуючого тиск, і не бере участі в обмінних процесах.
Завдяки низькому парціальному тиску гелієвої атмосфери аміак випаровується, поглинаючи енергію навколишнього середовища. Суміш парів аміаку з гелієм протікає через теплообмінник в поглинач. Тут водний розчин аміаку з невисоким вмістом NH 3 поглинає аміак, збагачуючись ім. (Гелій ж слід назад через теплообмінник.) У процесі поглинання виробляється корисне тепло. Після поглинача водний розчин, збагачений аміаком, потрапляє в сепаратор вологи.
Тут у процес включається газовий пальник, що повідомляє йому тепло. Завдяки низькій температурі кипіння аміак випаровується і в процесі ректифікації відділяється від води, необхідність у якій вичерпана. Вода тече тому в поглинач. Пари аміаку, Згущаючи, виділяють додатковий тепло, після чого цикл відновлюється.
Конструкція DAWP припускає дію пристрої на основі лише гравітаційної циркуляції. Тому вага його значний, констатують фахівці Buderus. Зате воно обходиться без рухомих частин - насосів, клапанів. Перевага технології полягає в безшумної та безвібраціоної роботі устаткування, яке практично не потребує обслуговування.
ККД пристрою становить приблизно 1,5.
Для практичного застосування передбачається комбінація DAWP і газоконденсатного бойлера, який підключається під час пікових навантажень.
Якщо вірити Buderus, така система в змозі забезпечити на 20 або навіть на 30% більшу утилізацію тепла, ніж сьогоднішні газоконденсатні бойлери.