Ciljevi projekta:

• Provesti primijenjeno istraživanje i razvoj prototipa (razina TRL4) kompaktnog visokobrzinskog mikrogeneratora, u svrhu primjene u proizvodnji zelene električne energije iz obnovljivih izvora kao što su bioplin, geotermalna energija, energija koncentriranog sunčevog zračenja ili otpadna toplina u postojećim industrijskim ili energetskim postrojenjima.
• Razviti, prototipno izraditi i laboratorijski ispitati mikrogenerator visoke kompaktnosti snage 10 do 500 kW te visoke brzine vrtnje (8000 do 30000 min-1)
• Razviti, prototipno izraditi i laboratorijski ispitati monitoring sustava prikladnog za praćenje rada mikrogeneratora
• Istražiti i definirati optimalnu izvedbu turbine za dva tipična slučaja:
  • Mikroturbina na vodenu paru
  • Mikroturbina na organski fluid

• Napraviti projekt ORC postrojenja prikladnog za proizvodnju električne energije iz niskotemperaturne otpadne topline

  

Opis projekta:

Cilj projekta je provesti primijenjeno istraživanje i razvoj prototipa (razina TRL4) kompaktnog visokobrzinskog mikrogeneratora, u svrhu primjene u proizvodnji zelene električne energije iz obnovljivih izvora kao što su bioplin, geotermalna energija, energija koncentriranog sunčevog zračenja ili otpadna toplina u postojećim industrijskim ili energetskim postrojenjima.

Potencijal izvora energije koju bi mogao iskoristiti sustav baziran na visokobrzinskom mikrogeneratoru je velik. Prema nekim procjenama, u EU postoji značajan potencijal za proizvodnju električne energije iz otpadne topline (engl. waste-heat-to-power) od 150 TWhel godišnje (izvor: „Thermal Energy Harvesting – The Path to Tapping into a Large CO2-free European Power Source“, Knowledge Center on Organic Rankine Cycle Technology, 2022). Isto tako, prema planu REPowerEU, do 2030 povećanje proizvodnje bioplina treba dosegnuti iznos od 35 milijardi m3. Mikroagregat na bazi visokobrzinskog mikrogeneratora može značajno doprinijeti iskorištavanju bioplina na mikrorazini (manje farme, manja poljoprivredna gospodarstva i sl.).

Ovakav mikrogeneratorski sustav omogućit će iskorištenje energije koje dosad uglavnom nije bilo isplativo ili moguće zbog malih iznosa topline te nedostatka prostora za ugradnju reduktora i generatora. Naime, u klasičnom termoenergetskom postrojenju, između turbine (parne ili plinske) i generatora potrebna je ugradnja reduktora koji visoku brzinu vrtnje turbine reducira do brzine generatora, a koja je uvjetovana frekvencijom mreže. Široka primjena i dostupnost frekvencijskih pretvarača otvorila je mogućnost direktnog spajanja turbine na generator te povećanja radne brzine iznad brzine uvjetovane frekvencijom električne mreže, čime je moguće smanjiti ukupne dimenzije sustava. Tehničkim rješenjem bez potrebe za ugradnjom reduktora te razvojem sustava manjih dimenzija koji bi imao nižu cijenu i troškove održavanja, omogućila bi se ugradnja u postrojenjima gdje to dosad nije bilo moguće zbog nedostatka prostora. 

Stoga je cilj projekta razviti mikrogenerator visoke kompaktnosti snage 10 do 500 kW te visoke brzine vrtnje (8000 do 30000 min-1), kako bi se lako mogao uklopiti u postojeća industrijska postrojenja te kako bi se omogućila isplativost ugradnje na postrojenjima s manjim količinama otpadne topline.

Istraživanje će biti usmjereno na određivanje optimalne elektromagnetske topologije mikrogeneratora bez upotrebe magneta rijetkih zemalja te drugih strateških materijala čija bi cijena u budućnosti mogla rasti, a dostupnost doći u pitanje.

Nakon utvrđivanja elektromagnetskih karakteristika, definirat će se detalji konstrukcije. Ciljano je da proizvedeni prototip radi 8000 sati godišnje bez potrebe za stajanjem i održavanjem. Nastojat će se izbjeći „egzotična“ konstrukcijska rješenja i komponente (primjerice ležajevi) koje se danas koriste u sličnim strojevima, a koje poskupljuju proizvod, povećavaju zahtjeve na održavanje i smanjuju raspoloživost u eksploataciji.

Tijekom projektiranja provest će se detaljne numeričke simulacije hlađenja te mehaničkih karakteristika čvrstoće, zamora, vibracija i buke kako bi se potvrdilo da stroj zadovoljava sve potrebne kriterije trajnoga rada.

U sklopu projekta izradit će se dva prototipa mikrogeneratora te će biti ispitani u laboratoriju metodom izravnog međusobnog terećenja, kako bi se eksperimentalno potvrdili projektirani parametri strojeva u raznim režimima rada.

Budući da je riječ o generatoru koji će kao primarni izvor koristiti toplinu iz obnovljivih izvora, u sklopu projekta provest će se projektiranje toplinskog procesa i turbine. Ovisno o temperaturnoj razini izvora, kao medij mogu se koristiti vodena para ili neki organski fluid. Stoga će se projektom istražiti i definirati optimalna izvedba turbine za dva tipična slučaja:

• Mikroturbina na vodenu paru
• Mikroturbina na organski fluid

Za svaki od navedenih slučajeva napravit će se komparativna analiza tri izvedbe mikroturbine na temelju rezultata simulacija koje će se provesti pomoću programa za numeričku dinamiku fluida. Cilj ovih analiza je odabrati optimalnu izvedbu turbine za oba radna medija te utvrditi koje su to specifičnosti koje se odražavaju na konstrukciju generatora, primarno u fokusu ovoga projekta.

Rezultati ovih analiza koristit će se također kao ulazni podaci za termičke i rotodinamičke analize agregata te će pomoći u određivanju optimalnog načina spajanja turbine s generatorom. U sklopu ovog projekta neće se izrađivati prototip turbine.

Kako bi se ocijenila tehnički izvediva i ekonomski isplativa razina temperature toplinskog izvora, napravit će se projekt tipičnog ORC postrojenja čime bi se na projektnoj razini dobila zaokružena cjelina za proizvodnju električne energije iz niskotemperaturne otpadne topline.

Da bi se osigurala robusnost i ekonomska isplativost rješenja, ključno je osigurati kompatibilnost  novog visokobrzinskog generatora s komercijalno dostupnim industrijskim pretvaračima. Navedeno uvjetuje upotrebu poznatih regulacijskih algoritama, standardne naponske razine, raspona radnih frekvencija te trajne i kratkotrajne struje. Provjera kompatibilnosti generatora i pretvarača provest će se u laboratorijskim uvjetima na prototipnim strojevima pogonjenim industrijskim pretvaračima.

U prototipne strojeve bit će ugrađen niz senzora kojima će se tijekom laboratorijskih ispitivanja pratiti različiti parametri rada generatora. Cilj je potvrditi proračunske rezultate pomoću mjerenja i osigurati potrebnu sigurnost rada, što je posebice važno na visokim brzinama vrtnje.

Kao dio projekta napravit će se nadogradnja postojećeg monitoring sustava s patentiranim konceptom sigurnosnog prikaza i time prilagoditi potrebama nadzora visokobrzinskog mikrogeneratora. Navedeno uključuje razvoj odgovarajućeg sistemskog softvera i nadogradnju postojećih Končarevih elektroničkih modula KonFID i KonECS platformi.

To će u fazama daljnjeg razvoja omogućiti digitalizaciju sustava koja obuhvaća: brz i siguran prikaz radnog stanja agregata, autonoman rad, daljinsko praćenje, daljinsko pojedinačno i mrežno upravljanje, pametno planiranje radnih ciklusa i pametno planiranje održavanja.

Tijekom projekta težit će se postizanju najveće moguće korisnosti svake od komponenata sustava turbina-generator, ali primarno vodeći računa da se osigura ekonomska isplativost investicije. Smatramo da će samo ekonomska isplativost i tehnički jednostavno rješenje potaknuti tržište na investicije u proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora.

Projekt će se provesti uz suradnju s relevantnim znanstvenim institucijama (Fakultet elektrotehnike i računarstva – FER i Fakultet strojarstva i brodogradnje – FSB), što će pružiti stručnost te podršku u daljnjem razvoju. Suradnja s FER-om primarno je usmjerena na optimizaciju elektromagnetskog dizajna, a s FSB-om na razvoj turbine i prikladnog parnog ciklusa.

U zaključku, projekt razvoja visokobrzinskog električnog mikrogeneratora i parne turbine predstavlja važan korak prema energetskoj održivosti, efikasnosti i inovaciji u industriji. Ovaj projekt donosi potencijalne koristi za gospodarstvo, okoliš i društvo te će doprinijeti ostvarenju ciljeva održive energetike u budućnosti.