Когенерация - Cogeneration

Диаграмма сравнения потерь от традиционной генерации и когенерации

Часть серии о
Устойчивая энергия
Обзор
Устойчивая энергия Углеродно-нейтральное топливо Поэтапный отказ от ископаемого топлива
Энергосбережение
Когенерация Эффективное использование энергии Хранилище энергии Зеленое здание Тепловой насос Низкоуглеродистая энергия Микрогенерация Пассивная солнечная конструкция здания
Возобновляемая энергия
Биотопливо Геотермальный Гидроэлектричество Солнечная Приливный Волна Ветер
Экологичный транспорт
Электромобиль Зеленый автомобиль Подключаемый гибрид
Портал возобновляемой энергии  Портал окружающей среды

Когенерация или же комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ) - это использование Тепловой двигатель^[1] или же электростанция к производить электричество и полезное тепло в то же время. Тригенерация или же комбинированное охлаждение, тепло и мощность (CCHP) относится к одновременному производству электроэнергии и полезному нагреву и охлаждению за счет сжигания топлива или солнечного коллектора тепла. Условия когенерация и тригенерация также может применяться в энергосистемах, одновременно производящих электроэнергию, тепло и промышленные химикаты (например, синтез-газ ).

Когенерация - это более эффективное использование топлива, потому что тепло, которое в противном случае теряется при производстве электроэнергии, находит продуктивное использование. Комбинированные теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) восстанавливают потери, в противном случае тепловая энергия за обогрев. Это также называется централизованным теплоснабжением с комбинированной выработкой тепла и электроэнергии. Небольшие ТЭЦ являются примером децентрализованная энергия.^[2] Нагрев побочных продуктов при умеренных температурах (100–180 ° C, 212–356 ° F) также можно использовать в абсорбционные холодильники для охлаждения.

Подача высокотемпературного тепла сначала приводит в движение газ или же паровая турбина -питательный генератор. Получающееся в результате низкотемпературное отходящее тепло затем используется для отопления воды или помещений. В меньших масштабах (обычно менее 1 МВт) Газовый двигатель или же дизель может быть использовано. Тригенерация отличается от когенерации тем, что отходящее тепло используется как для нагрева, так и для охлаждения, обычно в абсорбционном холодильнике. Комбинированные системы охлаждения, тепла и электроэнергии могут достичь более высокого общего КПД, чем когенерационные или традиционные электростанции. В Соединенных Штатах применение тригенерации в зданиях называется охлаждением, обогревом и электроэнергией. Мощность обогрева и охлаждения может работать одновременно или поочередно, в зависимости от потребности и конструкции системы.

Когенерация применялась в некоторых из самых первых установок по производству электроэнергии. До того, как центральные станции распределяли электроэнергию, предприятия, производящие собственную электроэнергию, использовали отработанный пар для технологического отопления. Большие офисные и многоквартирные дома, гостиницы и магазины обычно вырабатывали собственную энергию и использовали отработанный пар для отопления зданий. Из-за высокой стоимости ранее купленной электроэнергии эти ТЭЦ продолжались в течение многих лет после того, как электроэнергия стала доступной.^[3]

Обзор

Маснедо ТЭЦ в г. Дания. Эта станция сжигает солому как топливо. Соседние теплицы отапливаются районное отопление с завода.

Многие перерабатывающие отрасли, такие как химические заводы, нефтеперерабатывающие заводы и целлюлозно-бумажные комбинаты, требуют большого количества технологического тепла для таких операций, как химические реакторы, дистилляционные колонны, паровые сушилки и другие применения. Это тепло, которое обычно используется в форме пара, может генерироваться при обычно низких давлениях, используемых при нагревании, или может генерироваться при гораздо более высоком давлении и сначала пропускаться через турбину для выработки электроэнергии. В турбине давление и температура пара снижаются, поскольку внутренняя энергия пара преобразуется в работу. Пар более низкого давления, выходящий из турбины, можно затем использовать для технологического тепла.

Паровые турбины на тепловые электростанции обычно предназначены для подачи пара высокого давления, который выходит из турбины в конденсаторе, работающем на несколько градусов выше температуры окружающей среды и при абсолютном давлении в несколько миллиметров ртутного столба. (Это называется уплотнение турбина.) Для всех практических целей этот пар имеет незначительную полезную энергию до того, как он сконденсируется. Паровые турбины для когенерации предназначены для добыча некоторого количества пара при более низких давлениях после того, как он прошел через ряд ступеней турбины, при этом невыбранный пар проходит через турбину в конденсатор. В этом случае отводимый пар вызывает механическое потеря мощности в нижних ступенях турбины. Или они предназначены, с вытяжкой или без, для окончательной вытяжки при обратное давление (без конденсации).^[4][5] Отработанный или отработанный пар используется для технологического нагрева. Пар при обычных условиях технологического нагрева все еще имеет значительное количество энтальпия которые можно использовать для производства электроэнергии, поэтому когенерация имеет альтернативные издержки.

Типовая турбина для выработки электроэнергии в бумажная фабрика может иметь давление экстракции 160 фунтов на квадратный дюйм (1,103 МПа) и 60 фунтов на квадратный дюйм (0,41 МПа). Типичное противодавление может составлять 60 фунтов на кв. Дюйм (0,41 МПа). На практике это давление рассчитывается индивидуально для каждого объекта. И наоборот, простая генерация технологического пара для промышленных целей вместо достаточно высокого давления для выработки энергии в верхней части также имеет альтернативные издержки (см. Условия подачи и отвода пара ). Капитальные и эксплуатационные расходы на котлы высокого давления, турбины и генераторы значительны. Это оборудование нормально работает непрерывно, что обычно ограничивает самогенерируемую мощность крупномасштабными операциями.

Когенерационная установка в г. Мец, Франция. Котел мощностью 45 МВт работает на древесных отходах. биомасса как источник энергии, обеспечивающий электричеством и теплом 30 000 жилища.

А комбинированный цикл (в котором несколько термодинамических циклов производят электричество), также может использоваться для извлечения тепла с помощью системы отопления в качестве конденсатор электростанции нижний цикл. Например, РУ-25 Генератор МГД в Москва нагревали котел для обычной паровой электростанции, конденсат которой затем использовался для отопления помещений. Более современная система может использовать газовая турбина питаться от натуральный газ, выхлопные газы которой приводят в действие паровую установку, конденсат которой обеспечивает тепло. Когенерационные установки на базе парогазового энергоблока могут иметь тепловой КПД выше 80%.

Жизнеспособность ТЭЦ (иногда называемая коэффициентом использования), особенно в небольших ТЭЦ, зависит от хорошей базовой нагрузки как с точки зрения потребности в электроэнергии на месте (или рядом с ним), так и потребности в тепле. На практике точное соответствие между потребностями в тепле и электричестве существует редко. ТЭЦ может удовлетворить потребность в тепле (работа с тепловым приводом) или работать как электростанция с некоторым использованием отходящего тепла, последнее менее выгодно с точки зрения коэффициента использования и, следовательно, его общей эффективности. Жизнеспособность может быть значительно увеличена там, где существуют возможности для тригенерации. В таких случаях тепло от ТЭЦ также используется в качестве первичного источника энергии для охлаждения с помощью абсорбционный чиллер.

ТЭЦ наиболее эффективна, когда тепло можно использовать на месте или очень близко к нему. Общая эффективность снижается, когда тепло необходимо переносить на большие расстояния. Для этого требуются сильно изолированные трубы, которые дороги и неэффективны; тогда как электричество может передаваться по сравнительно простому проводу и на гораздо большие расстояния при тех же потерях энергии.

Зимой автомобильный двигатель превращается в ТЭЦ, когда отбрасываемое тепло используется для обогрева салона автомобиля. Пример показывает, что развертывание ТЭЦ зависит от использования тепла вблизи теплового двигателя.

Термически повышенная нефтеотдача (TEOR) заводы часто производят значительное количество избыточной электроэнергии. После выработки электроэнергии эти установки закачивают оставшийся пар в скважины с тяжелой нефтью, чтобы нефть могла течь легче, увеличивая добычу. Когенерационные установки TEOR в Керн Каунти, Калифорния производят столько электроэнергии, что ее нельзя полностью использовать на месте, и она передается в Лос-Анджелес^{[нужна цитата ]}.

ТЭЦ - один из самых экономичных методов сокращения выбросов углерода из систем отопления в холодном климате. ^[6] и признан наиболее энергоэффективным методом преобразования энергии ископаемого топлива или биомассы в электроэнергию.^[7] Когенерационные установки обычно встречаются в районное отопление системы городов, центральное отопление системы больших зданий (например, больниц, гостиниц, тюрем) и обычно используются в промышленности в процессах термического производства для технологической воды, охлаждения, производства пара или CO₂ оплодотворение.

Виды растений

Электростанция Ханасаари, а угольный когенерационная электростанция в Хельсинки, Финляндия

Установки цикла доливки в основном вырабатывают электроэнергию с помощью паровой турбины. Частично расширенный пар затем конденсируется в нагревательном конденсаторе при подходящем уровне температуры, например районное отопление или же опреснение воды.

Нижний цикл установки производят высокотемпературное тепло для промышленных процессов, тогда утилизация отходящего тепла котел питает электроустановку. Установки с донным циклом используются только в промышленных процессах, требующих очень высоких температур, таких как печи для производства стекла и металла, поэтому они менее распространены.

Крупные когенерационные системы обеспечивают отопление водой и электроэнергией для промышленной площадки или всего города. Общие типы ТЭЦ:

• Газовая турбина ТЭЦ, использующие отходящее тепло дымовых газов газовых турбин. Используемое топливо обычно натуральный газ.
• Газовый двигатель На ТЭЦ используется поршневой газовый двигатель, который обычно более конкурентоспособен, чем газовая турбина мощностью примерно до 5 МВт. Используемое газообразное топливо обычно натуральный газ. Эти установки, как правило, производятся в виде полностью укомплектованных блоков, которые могут быть установлены в производственном помещении или на внешнем производственном комплексе с простыми подключениями к системе подачи газа, электрической распределительной сети и системам отопления. Типичные результаты и эффективность см. ^[8] Типичный большой пример см. ^[9]
• Биотопливный двигатель ТЭЦ используют адаптированный поршневой газовый двигатель или дизель, в зависимости от того, какое биотопливо используется, и в остальном очень похожи по конструкции на ТЭЦ с газовым двигателем. Преимущество использования биотоплива заключается в уменьшении углеводородное топливо потребление и, следовательно, снижение выбросов углерода. Эти установки обычно производятся в виде полностью укомплектованных единиц, которые могут быть установлены в производственном помещении или за пределами производственного комплекса с простыми подключениями к электрическим распределительным и отопительным системам объекта. Другой вариант - это газификатор древесины ТЭЦ, на которой древесные гранулы или биотопливо из древесной щепы газифицированный в среде с нулевым содержанием кислорода и высокой температурой; полученный газ затем используется для питания газового двигателя.
• Комбинированный цикл электростанции адаптированы под ТЭЦ
• Топливные элементы с расплавленным карбонатом и твердооксидные топливные элементы имеют горячий выхлоп, очень подходят для отопления.
• Паровая турбина ТЭЦ, использующие систему отопления в качестве пар конденсатор паровой турбины
• Атомная энергия растения Подобно другим паротурбинным электростанциям, они могут быть оснащены отводами в турбинах для отвода частично расширенного пара в систему отопления. При температуре системы отопления 95 ° C можно извлечь около 10 МВт тепла на каждый потерянный МВт электроэнергии. При температуре 130 ° C выигрыш немного меньше, примерно 7 МВт на каждую потерянную МВт.^[10] Обзор вариантов когенерации находится в ^[11]

Меньшие когенерационные установки могут использовать Поршневой двигатель или же двигатель Стирлинга. Тепло отводится от выхлопа и радиатора. Эти системы популярны в небольших размерах, потому что небольшие газовые и дизельные двигатели менее дороги, чем небольшие газовые или масляные пароэлектрические установки.

Некоторые когенерационные установки отапливаются биомасса,^[12] или промышленные и твердые бытовые отходы (видеть сжигание ). Некоторые ТЭЦ используют отходящие газы в качестве топлива для производства электроэнергии и тепла. Отходящие газы могут быть газами от отходы животноводства, свалочный газ, газ из угольных шахт, сточный газ, и горючие промышленные отходящие газы.^[13]

Некоторые когенерационные установки сочетают в себе газ и солнечную энергию. фотоэлектрический поколения для дальнейшего улучшения технических и экологических показателей.^[14] Такие гибридные системы можно масштабировать до уровня здания.^[15] и даже отдельные дома.^[16]

МикроТЧП

Микро-теплоэнергетика или «Микрокогенерация» - это так называемая распределенный энергетический ресурс (DER). Установка обычно меньше 5 кВт_е в доме или небольшом бизнесе. Вместо того, чтобы сжигать топливо для обогрева помещения или воды, часть энергии помимо тепла преобразуется в электричество. Эту электроэнергию можно использовать в доме или на работе или, если это разрешено руководством сети, продавать обратно в электрическую сеть.

В 2013 году консультанты Delta-ee заявили, что на долю микрокомбинированного тепла и электроэнергии на топливных элементах приходилось 64% мировых продаж, а в 2012 году объем продаж превышал обычные системы.^[17] 20000 единиц были проданы в Япония в 2012 году в целом в рамках проекта Ene Farm. С Продолжительность жизни около 60 000 часов. За Топливный элемент PEM Это соответствует расчетному сроку службы от десяти до пятнадцати лет, которые отключаются ночью.^[18] По цене 22 600 долларов до установки.^[19] На 2013 год действует государственная субсидия на 50 000 единиц.^[18]

В установках MicroCHP используются пять различных технологий: микротурбины, внутреннее сгорание двигатели, Двигатели Стирлинга, замкнутый цикл Паровые двигатели, и топливные элементы. В 2008 году один автор указал, что MicroCHP на базе двигателей Стирлинга является наиболее рентабельной из так называемых технологий микрогенерации для снижения выбросов углерода.^[20] В отчете Ecuity Consulting, опубликованном в Великобритании за 2013 год, говорится, что MCHP является наиболее экономичным методом использования газа для производства энергии на бытовом уровне.^[21][22] Однако достижения в технологии поршневых двигателей повышают эффективность ТЭЦ, особенно в области биогаза.^[23] Поскольку и МиниТЭЦ, и ТЭЦ снижают выбросы ^[24] они могут сыграть большую роль в области CO₂ сокращение от зданий, где более 14% выбросов можно сэкономить с помощью ТЭЦ в зданиях.^[25] Кембриджский университет сообщил о создании экономичного прототипа парового двигателя MicroCHP в 2017 году, который может стать коммерчески конкурентоспособным в следующие десятилетия.^[26] Совсем недавно в некоторых частных домах микро-ТЭЦ на топливных элементах теперь можно найти, которые могут работать на водороде или других видах топлива, таких как природный газ или СНГ.^[27][28] При работе на природном газе он полагается на паровой риформинг природного газа для преобразования природного газа в водород перед использованием в топливном элементе. Следовательно, это все еще излучает CO
2 (см. реакцию), но (временно) работа в этом режиме может быть хорошим решением до момента, когда водород начинает распределяться по системе трубопроводов (природного газа).

Тригенерация

Цикл тригенерации

Завод, производящий электричество, тепло и холод, называется тригенерацией.^[29] или завод полигенерации. Системы когенерации, связанные с абсорбционные чиллеры или адсорбционные чиллеры используют отходящее тепло для охлаждение.^[30]

Комбинированное теплоэнергетическое централизованное теплоснабжение

в Соединенные Штаты, Консолидированный Эдисон распределяет 66 миллиардов килограммов пара 180 ° C (350 ° F) каждый год через свои семь когенерационных установок в 100000 зданий в Манхэттен - крупнейший паровой район в США. Пиковая производительность составляет 10 миллионов фунтов в час (или примерно 2,5 ГВт).^[31][32]

Промышленная ТЭЦ

Когенерация по-прежнему распространена в целлюлозно-бумажные комбинаты, нефтеперерабатывающие и химические заводы. В этой «промышленной когенерации / ТЭЦ» тепло обычно рекуперируется при более высоких температурах (выше 100 ° C) и используется для технологического пара или сушки. Это более ценно и гибко, чем низкопотенциальное отходящее тепло, но при этом возникает небольшая потеря выработки электроэнергии. Повышенное внимание к устойчивость повысила привлекательность промышленных ТЭЦ, так как существенно снижает углеродный след по сравнению с производством пара или сжиганием топлива на месте и импортом электроэнергии из сети.

Давление на коммунальные услуги по сравнению с производственными собственными силами

Промышленные когенерационные установки обычно работают при гораздо более низком давлении котла, чем коммунальные. Среди причин: 1) ТЭЦ сталкиваются с возможным загрязнением возвратного конденсата. Поскольку питательная вода для котлов от когенерационных установок имеет гораздо более низкий коэффициент возврата, чем 100% -ные конденсационные электростанции, промышленным предприятиям обычно приходится обрабатывать пропорционально больше подпиточной воды для котлов. Питательная вода котла должна быть полностью бескислородной и деминерализованной, и чем выше давление, тем важнее уровень чистоты питательной воды.^[5] 2) Коммунальные предприятия обычно представляют собой более крупную энергетику, чем промышленность, что помогает компенсировать более высокие капитальные затраты на высокое давление. 3) У коммунальных предприятий меньше шансов иметь резкие колебания нагрузки, чем на промышленных предприятиях, которые связаны с остановкой или запуском блоков, которые могут составлять значительный процент потребности в паре или электроэнергии.

Парогенераторы-утилизаторы

А парогенератор с рекуперацией тепла (HRSG) - паровой котел, использующий горячую выхлопные газы от газовые турбины или же поршневые двигатели в ТЭЦ для нагрева воды и выработки пар. Пар, в свою очередь, приводит в движение паровая турбина или используется в промышленных процессах, требующих тепла.

Котлы-утилизаторы, используемые в ТЭЦ, отличаются от обычных парогенераторов следующими основными особенностями:

• Котел-утилизатор разработан на основе конкретных характеристик газовой турбины или поршневого двигателя, с которыми он будет соединяться.
• Поскольку температура выхлопных газов относительно низкая, передача тепла осуществляется в основном за счет конвекция.
• Скорость выхлопных газов ограничена необходимостью снижения потерь напора. Таким образом, коэффициент передачи низкий, что требует большой площади поверхности нагрева.
• Поскольку разница температур между горячими газами и нагреваемой жидкостью (пар или вода) мала, а коэффициент теплопередачи также невелик, испаритель и экономайзер выполнены с пластинчато-ребристыми теплообменниками.

Когенерация с использованием биомассы

Биомасса становится одним из важнейших источников Возобновляемая энергия. Биомасса относится к любому растительному или животному веществу, в котором его можно повторно использовать в качестве источника тепла или электричества, например сахарный тростник, растительные масла, древесина, органические отходы и остатки пищевой или сельскохозяйственной промышленности. Бразилия теперь считается мировым эталоном с точки зрения производства энергии из биомассы.^[33]

Растущим сектором использования биомассы для производства электроэнергии является сектор сахара и алкоголя, который в основном использует жмых сахарного тростника в качестве топлива для тепловой и электроэнергия поколение ^[34]

Когенерация электроэнергии в сахарно-спиртовой отрасли

В индустрии сахарного тростника когенерация поддерживается жмых остаток рафинирования сахара, который сжигается для получения пара. Некоторое количество пара можно отправить через турбина который вращает генератор, вырабатывающий электроэнергию.^[35]

Когенерация энергии в производстве сахарного тростника в Бразилии - практика, которая в последние годы растет. С внедрением когенерации энергии в сахарном и алкогольном секторах отрасли производства сахарного тростника могут обеспечивать спрос на электроэнергию, необходимую для работы, и генерировать излишки, которые можно коммерциализировать.^[36][37]

Преимущества когенерации с использованием жмыха сахарного тростника

По сравнению с производством электроэнергии на ископаемом топливе. термоэлектрический растения, такие как натуральный газ, производство энергии с использованием жмыха сахарного тростника имеет экологические преимущества благодаря сокращению СО2 выбросы.^[38]

Помимо экологических преимуществ, когенерация с использованием жмыха сахарного тростника дает преимущества с точки зрения эффективности по сравнению с термоэлектрической генерацией благодаря конечному назначению производимой энергии. В то время как при термоэлектрической генерации часть производимого тепла теряется, при когенерации это тепло может быть использовано в производственных процессах, повышая общую эффективность процесса.^[38]

Недостатки когенерации на жмыхе сахарного тростника

При выращивании сахарного тростника обычно используют источники калия, содержащие высокую концентрацию хлор, Такие как хлорид калия (KCl). Учитывая, что KCl применяется в огромных количествах, сахарный тростник поглощает высокие концентрации хлора.^[39]

Из-за этой абсорбции при сжигании жома сахарного тростника в когенерационной установке диоксины ^[39] и метилхлорид ^[40] заканчивается испусканием. В случае диоксинов эти вещества считаются очень токсичными и злокачественными.^[41][42][43]

В случае хлористого метила, когда это вещество выделяется и достигает стратосфера, это очень вредно для озон слой, так как хлор при соединении с молекулой озона вызывает каталитическую реакцию, приводящую к разрушению озоновых связей.^[40]

После каждой реакции хлор начинает разрушительный цикл с другой молекулой озона. Таким образом, один атом хлора может разрушить тысячи молекул озона. Поскольку эти молекулы разрушаются, они не могут поглощать ультрафиолетовые лучи. В результате УФ-излучение более интенсивна на Земле, и наблюдается ухудшение глобальное потепление.^[40]

Сравнение с тепловым насосом

А Тепловой насос можно сравнить с ТЭЦ следующим образом. Если для подачи тепловой энергии выхлопной пар из турбогенератора должен отбираться при более высокой температуре, чем система могла бы производить большую часть электроэнергии, потери выработки электроэнергии равны будто тепловой насос использовался для обеспечения того же тепла, забирая электроэнергию от генератора, работающего при более низкой выходной температуре и более высоком КПД.^[44] Обычно на каждую потерянную единицу электроэнергии выделяется около 6 единиц тепла при температуре около 90 ° C. Таким образом, ТЭЦ имеет эффективную Коэффициент полезного действия (COP) по сравнению с тепловым насосом 6.^[45] Однако для теплового насоса с дистанционным управлением необходимо учитывать потери в электрической распределительной сети порядка 6%. Поскольку потери пропорциональны квадрату тока, в периоды пиковой нагрузки потери намного выше, чем это, и вполне вероятно, что широкое распространение (например, применение тепловых насосов в масштабах города) вызовет перегрузку распределительных и передающих сетей, если они не будут существенно усилены.

Также можно запустить работу с тепловым приводом в сочетании с тепловым насосом, где избыточная электроэнергия (поскольку потребность в тепле является определяющим фактором использования) используется для приведения в действие теплового насоса. По мере увеличения потребности в тепле вырабатывается больше электроэнергии для привода теплового насоса, а отходящее тепло также нагревает теплоноситель.

Распределенная генерация

Большинство промышленно развитых стран вырабатывают большую часть своих потребностей в электроэнергии на крупных централизованных объектах, способных производить большую электрическую мощность. Эти станции выигрывают от экономии за счет масштаба, но, возможно, потребуется передавать электроэнергию на большие расстояния, вызывая потери при передаче. Когенерационное или тригенерационное производство подвержено ограничениям местного спроса, и поэтому иногда может потребоваться его сокращение (например, производство тепла или холода для удовлетворения спроса). Примером когенерации с приложениями тригенерации в крупном городе является Паровая система Нью-Йорка.

Тепловая эффективность

Каждый тепловой двигатель подчиняется теоретическим пределам эффективности Цикл Карно или подмножество Цикл Ренкина в случае паротурбинных электростанций или Цикл Брайтона в газовой турбине с паротурбинными установками. Большая часть потери эффективности при производстве энергии пара связана с скрытая теплота испарения пара, который не восстанавливается, когда турбина выпускает пар с низкой температурой и давлением в конденсатор. (Обычно пар, подаваемый в конденсатор, имеет абсолютное давление в несколько миллиметров и на 5 ° C / 11 ° F выше температуры охлаждающей воды, в зависимости от производительности конденсатора.) При когенерации этот пар выходит из турбины при более высокой температуре. где он может использоваться для технологического тепла, обогрева зданий или охлаждения с абсорбционный чиллер. Большая часть тепла исходит от скрытая теплота испарения когда пар конденсируется.

Тепловая эффективность в системе когенерации определяется как:

${ displaystyle eta _ {th} Equiv { frac {W_ {out}} {Q_ {in}}} Equ { frac { text {Электрическая мощность + Тепловая мощность}} { text {Общее количество тепла Вход}}}}$

Куда:

${ displaystyle eta _ {th}}$ = Тепловая эффективность

${ displaystyle W_ {out}}$ = Общий объем работы по всем системам

${ displaystyle Q_ {in}}$ = Суммарный подвод тепла в систему

Тепловая мощность также может быть использована для охлаждения (например, летом) благодаря абсорбционному охладителю. Если охлаждение достигается в то же время, тепловая эффективность в системе тригенерации определяется как:

${ displaystyle eta _ {th} Equiv { frac {W_ {out}} {Q_ {in}}} Equ { frac { text {Электрическая мощность + Тепловая мощность + Охлаждение}} { text {Общая тепловая нагрузка}}}}$

Куда:

${ displaystyle eta _ {th}}$ = Тепловая эффективность

${ displaystyle W_ {out}}$ = Общий объем работы по всем системам

${ displaystyle Q_ {in}}$ = Суммарный подвод тепла в систему

Типичные модели когенерации имеют потери, как и в любой системе. Распределение энергии ниже представлено в процентах от общей потребляемой энергии:^[46]

Электричество = 45%

Нагрев + охлаждение = 40%

Тепловые потери = 13%

Потери в электросети = 2%

Обычные центральные угольные или атомные электростанции преобразуют около 33-45% вводимого тепла в электричество.^[47][5] Цикл Брайтона электростанции работают с КПД до 60%. В случае обычных электростанций примерно 10-15% этого тепла теряется в дымовой трубе котла. Большая часть оставшегося тепла выходит из турбин в виде низкопотенциальных отходов тепла, не имеющих значительного местного использования, поэтому оно обычно сбрасывается в окружающую среду, как правило, для охлаждающей воды, проходящей через конденсатор.^[5] Поскольку температура выхлопа турбины обычно чуть выше температуры окружающей среды, некоторая потенциальная выработка энергии приносится в жертву из-за отвода пара с более высокой температурой из турбины для целей когенерации.^[48]

Для того, чтобы когенерация была практичной, производство электроэнергии и конечное использование тепла должно происходить относительно близко (обычно <2 км). Даже несмотря на то, что эффективность небольшого распределенного электрического генератора может быть ниже, чем у большой центральной электростанции, использование его отходов тепло для местного нагрева и охлаждения может привести к общему использованию первичного топлива на 80%.^[47] Это дает существенные финансовые и экологические преимущества.

Расходы

Как правило, для электростанции, работающей на газе, стоимость полной установки за кВт электроэнергии составляет около 400 фунтов стерлингов / кВт (577 долларов США), что сопоставимо с большими центральными электростанциями.^[49]

История

Когенерация в Европе

Когенерационная тепловая электростанция в г. Феррера Эрбоньоне (PV ), Италия

В Европа активно включила когенерацию в свою энергетическую политику через Директива по ТЭЦ. В сентябре 2008 года на слушаниях в Интергруппе городского жилья Европейского парламента комиссар по энергетике Андрис Пиебалгс сказал: «Надежность поставок действительно начинается с энергоэффективности».^[50] Энергоэффективность и когенерация признаны в первых параграфах Директивы Европейского Союза по когенерации 2004/08 / EC. Эта директива предназначена для поддержки когенерации и установления метода расчета возможностей когенерации для каждой страны. Развитие когенерации было очень неравномерным на протяжении многих лет, и на протяжении последних десятилетий доминировали национальные обстоятельства.

Европейский Союз вырабатывает 11% электроэнергии с помощью когенерации.^[51] Однако существует большая разница между государствами-членами с вариациями экономии энергии от 2% до 60%. В Европе есть три страны с самой интенсивной в мире когенерационной экономикой: Дания, Нидерланды и Финляндия.^[52] Из 28,46 ТВтч электроэнергии, произведенной традиционными тепловыми электростанциями в Финляндии в 2012 году, 81,80% приходилось на когенерацию.^[53]

Другие европейские страны также прилагают большие усилия для повышения эффективности. Германия сообщила, что в настоящее время более 50% всей потребности страны в электроэнергии может быть обеспечено за счет когенерации. На данный момент Германия поставила цель удвоить объем когенерации электроэнергии с 12,5% электроэнергии страны до 25% к 2020 году и приняла соответствующее законодательство.^[54] Великобритания также активно поддерживает комбинированное производство тепла и электроэнергии. В свете цели Великобритании по достижению 60% -ного сокращения выбросов углекислого газа к 2050 году правительство поставило цель обеспечить по крайней мере 15% государственного потребления электроэнергии от ТЭЦ к 2010 году.^[55] Другими мерами Великобритании по стимулированию роста ТЭЦ являются финансовые стимулы, грантовая поддержка, усиление нормативно-правовой базы, лидерство и партнерство правительства.

Согласно моделированию расширения когенерации для стран «Большой восьмерки» МЭА 2008 года, расширение когенерации только во Франции, Германии, Италии и Великобритании фактически удвоит существующую экономию первичного топлива к 2030 году. Это увеличит экономию в Европе с сегодняшних 155,69 Твч до 465. Twh в 2030 году. Это также приведет к увеличению на 16–29% общего объема когенерационной электроэнергии в каждой стране к 2030 году.

Правительствам помогают в их усилиях по ТЭЦ такие организации, как COGEN Europe которые служат информационным центром самых последних обновлений энергетической политики Европы. COGEN - это головная европейская организация, представляющая интересы когенерационной отрасли.

Европейский государственно-частное партнерство Совместное предприятие по топливным элементам и водороду Седьмая рамочная программа проект ene.field развернут в 2017 году^[56] до 1000 бытовых топливных элементов комбинированного производства тепла и электроэнергии (микро-ТЭЦ ) установки в 12 штатах. В 2012 году состоялись первые 2 установки.^[57][58][59]

Когенерация в Соединенном Королевстве

в объединенное Королевство, то Комбинированное обеспечение качества электроэнергии и тепла Схема регулирует комбинированное производство тепла и электроэнергии. Он был введен в 1996 году. Он определяет, посредством расчета входов и выходов, «ТЭЦ хорошего качества» с точки зрения достижения экономии первичной энергии по сравнению с традиционным раздельным производством тепла и электроэнергии. Для того чтобы когенерационные установки имели право на получение государственных субсидий и налоговых льгот, необходимо соблюдение требований по обеспечению качества комбинированного производства тепла и электроэнергии.^[60]

Когенерация в США

250 МВт Кендалл когенерационная станция посадить в Кембридж, Массачусетс

Возможно, первое современное использование переработка энергии было сделано Томас Эдисон. Его 1882 г. Станция Перл-Стрит, первая в мире коммерческая электростанция, представляла собой теплоэлектростанцию, производящую как электрическую, так и тепловую энергию, а отходящее тепло использовалось для обогрева соседних зданий.^[61] Переработка позволила заводу Эдисона достичь примерно 50-процентной эффективности.

К началу 1900-х годов появились нормативные акты, способствующие электрификации сельских районов путем строительства централизованных электростанций, управляемых региональными коммунальными предприятиями. Эти правила не только способствовали электрификации по всей сельской местности, но и препятствовали децентрализации производства электроэнергии, такой как когенерация.

К 1978 году Конгресс признал, что эффективность на центральных электростанциях осталась на прежнем уровне, и попытался стимулировать повышение эффективности с помощью Закон о нормативной политике в сфере коммунальных услуг (PURPA), который поощрял коммунальные предприятия покупать электроэнергию у других производителей энергии.

Разрасталось количество когенерационных установок, которые вскоре производили около 8% всей энергии в Соединенных Штатах.^[62] Тем не менее, реализация и исполнение законопроекта оставалось на усмотрение отдельных штатов, в результате чего во многих частях страны практически ничего не было сделано.^{[нужна цитата ]}

В Министерство энергетики США ставит перед собой агрессивную цель - к 2030 году обеспечить ТЭЦ 20% генерирующих мощностей. Восемь центров применения чистой энергии^[63] были созданы по всей стране. Их миссия состоит в том, чтобы развивать необходимые знания о применении технологий и образовательную инфраструктуру, необходимую для того, чтобы использовать технологии «чистой энергии» (комбинированное производство тепла и электроэнергии, рекуперация отработанного тепла и централизованное энергоснабжение) как жизнеспособные варианты энергии и снизить любые предполагаемые риски, связанные с их внедрением. Центры приложений ориентированы на предоставление программ распространения и внедрения технологий для конечных пользователей, политиков, коммунальных предприятий и заинтересованных сторон отрасли.

Высокие тарифы на электроэнергию в Новой Англии и Средней Атлантике делают эти районы США наиболее благоприятными для когенерации.^[64][65]

Применения в системах производства электроэнергии

Невозобновляемый

Любая из следующих традиционных электростанций может быть преобразована в комбинированную систему охлаждения, тепла и электроэнергии:^[66]

• Каменный уголь
• Микротурбина
• Натуральный газ
• Атомная энергия
• Масло
• Малая газовая турбина

Возобновляемый

• Солнечная тепловая энергия
• Биомасса
• Водород топливная ячейка
• Любой тип компрессор или же турбодетандер, например, в накопитель энергии сжатого воздуха
• Геотермальный

Смотрите также

дальнейшее чтение

• Пар, его создание и использование (35-е изд.). Компания Бэбкок и Уилсон. 1913 г.

Рекомендации