Prove sperimentali su un sistema micro-cogenerativo basato su ciclo Stirling

The efficiency improvement is an important strategy to achieve money and greenhouse gases emission savings; diffusion of micro-cogeneration is a good strategy that can help reaching this target through production of electric and thermal energy with high efficiency nearby the final consumption, avoiding transmission losses. The present work focuses on the test of the commercial micro-cogeneration WhisperGen™, based on Stirling cycle, that provides up to 1.0 kW of electrical power and about 8 kW of thermal power in fully-cogenerative mode, that can rise up to 14 kW with the running of supplementary burner. The system smallness and quietness make it adapt for residential applications. In order to make WhisperGen™ work correctly and get measurements, connections to natural gas, water circuit of the laboratory, electric grid, instruments and signals are made. The purpose of tests performed is the mapping of efficiencies and emissions, changing mass flow and temperature of the inlet water; through the elaboration of measurements, composition and energy balance controls have been accomplished. Results show high efficiencies, in particular electric efficiency is about 11% in fully cogenerative mode and about 7% with the running of the supplementary burner, while the thermal efficiency, sensitive to inlet water temperature changes, is in the range 87-100%; the on-off running, with steps of about 30 minutes, decreaases the electric efficiency, compared to the running in steady state, of about 20%. Emissions are modest, with measurements, referred to dry flue gas at 6% of oxygen, lower than 30 ppm for CO and 20 ppm for NOx. The evaluation of error propagation makes clear that the error on the thermal efficiency, about 3.0%, is about an order of magnitude higher than the error of electric efficiency, and that it’s mainly due to the error on the water temperature and natural gas composition measurements.

L’aumento dell’efficienza energetica è un’importante strategia per ottenere risparmio economico e minori emissioni di gas ad effetto serra; la diffusione della micro-cogenerazione è una strategia in grado di realizzare quest’obiettivo, attraverso la produzione di energia termica ed elettrica con rendimenti elevati, in prossimità del luogo di utilizzo evitando le perdite di trasmissione. Il presente lavoro è incentrato sulla sperimentazione del sistema commerciale WhisperGen™, basato su ciclo Stirling, in grado di fornire 1 kW elettrico e 8 kW termici in assetto puramente cogenerativo e 14 kW con l’ausilio di un secondo bruciatore. Le dimensioni contenute e la bassa rumorosità la rendono idonea per l’installazione in ambito domestico. Per consentire l’esercizio del WhisperGen™ e la realizzazione delle misure si provvede alla realizzazione delle connessioni alla rete del gas naturale, al circuito dell’acqua del laboratorio, alla rete elettrica e al cablaggio degli strumenti e dei segnali necessari. Le prove hanno come obiettivo la mappatura delle prestazioni e delle emissioni della macchina, al variare della portata e della temperatura dell’acqua; attraverso la rielaborazione delle misure sono realizzati i controlli sulle composizioni e sul bilancio di energia. I risultati mostrano la bontà delle prestazioni, con rendimento elettrico pari a circa 11% in assetto puramente cogenerativo e 7% nel funzionamento con il secondo bruciatore; il rendimento termico, sensibile alle variazioni della temperatura dell’acqua e della modalità di funzionamento, è compreso nell’intervallo 87-100%. Nel funzionamento intermittente della macchina, ad intervalli di circa 30 minuti, si osserva una riduzione del rendimento elettrico, rispetto allo stato stazionario, di circa il 20%. Le emissioni sono modeste, con valori, espressi al 6% di ossigeno nei fumi secchi, minori di 30 ppm per la CO e di 20 ppm per gli NOx. L’analisi della propagazione degli errori permette di definire come l’errore del rendimento termico, circa 3.0%, sia un ordine di grandezza maggiore di quello del rendimento elettrico, circa 0.3%; entrambi sono principalmente imputabili alle misure di composizione del gas naturale.