Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Диаграмма сравнения потерь от традиционной генерации и когенерации
Часть серии о
Устойчивая энергия
Ветряные турбины возле Вендсисселя, Дания (2004 г.)
Обзор
Энергосбережение
Возобновляемая энергия
Экологичный транспорт

Когенерация или комбинированное производство тепла и энергии ( ТЭЦ ) - это использование теплового двигателя [1] или электростанции для одновременного производства электроэнергии и полезного тепла . Тригенерация или комбинированное охлаждение, тепло и энергия ( CCHP ) означает одновременное производство электроэнергии и полезного нагрева и охлаждения за счет сжигания топлива или солнечного коллектора тепла. Термины когенерация и тригенерация также могут применяться к энергетическим системам, одновременно производящим 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) утилизируют теряемую в противном случае тепловую энергию для отопления . Это также называется централизованным теплоснабжением с комбинированной выработкой тепла и электроэнергии. Небольшие ТЭЦ - пример децентрализованной энергетики . [2] Побочный продукт тепла при умеренных температурах (100–180 ° C, 212–356 ° F) также может использоваться в абсорбционных холодильниках для охлаждения.

Подача высокотемпературного тепла сначала приводит в действие генератор с газовой или паровой турбиной . Получающееся в результате низкотемпературное отходящее тепло затем используется для отопления воды или помещений. В меньших масштабах (обычно менее 1 МВт) можно использовать газовый двигатель или дизельный двигатель . Тригенерация отличается от когенерации тем, что отходящее теплоиспользуется как для нагрева, так и для охлаждения, обычно в абсорбционном холодильнике. Комбинированные системы охлаждения, тепла и электроэнергии могут достичь более высокой общей эффективности, чем когенерационные или традиционные электростанции. В Соединенных Штатах применение тригенерации в зданиях называется охлаждением, обогревом и электроэнергией. Мощность нагрева и охлаждения может работать одновременно или поочередно в зависимости от потребности и конструкции системы.

Когенерация практиковалась в некоторых из самых ранних 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, отели 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 [ править ]

ТЭЦ Маснедё в Дании . Эта станция сжигает солому как топливо. Прилегающие теплицы отапливаются централизованным отоплением от 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 виде 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, может затем использоваться для технологического тепла.

Паровые турбины на тепловых электростанциях обычно проектируются для подачи пара высокого давления, который выходит из турбины в конденсаторе, работающем на несколько градусов выше температуры окружающей среды и при абсолютном давлении на несколько миллиметров ртутного столба. (Это называется конденсационной турбиной.) Для всех практических целей этот пар имеет незначительную полезную энергию до того, как он сконденсируется. Паровые турбины для когенерации предназначены для отбора некоторого количества пара при более низком давлении после того, как он прошел через ряд ступеней турбины, при этом невыбранный пар проходит через турбину в конденсатор. В этом случае отводимый пар вызывает потерю механической мощности.в нижних ступенях турбины. Или они предназначены, с вытяжкой или без нее, для окончательной вытяжки при противодавлении (без конденсации). [4] [5] Отработанный или отработанный пар используется для технологического нагрева. Пар в обычных условиях технологического нагрева по-прежнему имеет значительную энтальпию, которая может быть использована для производства электроэнергии, поэтому когенерация имеет альтернативные издержки.

Типичная турбина для выработки электроэнергии на бумажной фабрике может иметь давление отвода 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 на верхнем конце также имеет альтернативные издержки (см .: Условия подачи и выпуска пара ). Капитальные и эксплуатационные расходы на котлы высокого давления, турбины и генераторы значительны. Это оборудование обычно работает в непрерывном режиме , что обычно ограничивает выработку собственной энергии крупномасштабными операциями.

Когенерационная установка в Меце , Франция . Котел мощностью 45 МВт использует отходы древесной биомассы в качестве источника энергии, обеспечивая электричеством и теплом 30 000 жилищ .

Комбинированный цикл (в котором несколько термодинамических циклах производство электроэнергии), также может быть использован для извлечения тепла с использованием системы отопления в качестве конденсатора электростанции в дна цикла . Например, МГД-генератор РУ-25 в Москве обогревал котел обычной паросиловой установки, конденсат которой затем использовался для отопления помещений. В более современной системе может использоваться газовая турбина, работающая на природном газе , выхлопные газы которой приводят в действие паровую установку, конденсат которой обеспечивает тепло. Когенерационные установки на базе парогазового энергоблока могут иметь тепловой КПД более 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 либо удовлетворять потребность в тепле (работа с тепловым приводом ), либо работать как электростанция с некоторым использованием отходящего тепла, причем последнее менее выгодно с точки зрения коэффициента использования и, следовательно, общей эффективности. Жизнеспособность может быть значительно увеличена там, где существуют возможности для тригенерации. В таких случаях тепло от ТЭЦ также используется в качестве основного источника энергии для охлаждения с помощью абсорбционного чиллера .

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 становится теплоэлектроцентралью, когда отводимое тепло используется для обогрева салона автомобиля. Этот пример показывает, что развертывание ТЭЦ зависит от использования тепла вблизи теплового двигателя.

Установки термического повышения нефтеотдачи (TEOR) часто производят значительное количество избыточной электроэнергии. После выработки электроэнергии эти установки закачивают оставшийся пар в скважины с тяжелой нефтью, чтобы нефть текла легче, увеличивая добычу. Когенерационные установки TEOR в округе Керн, Калифорния, производят столько электроэнергии, что ее нельзя полностью использовать на месте, и они передаются в Лос-Анджелес [ необходима цитата ] .

ТЭЦ - один из наиболее 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 используются в системах централизованного теплоснабжения городов, системах центрального отопления больших зданий (например, в больницах, гостиницах, тюрьмах) и обычно используются в промышленности в процессах термического производства технологической воды, охлаждения, производства пара или CO. 2 удобрения.

Виды растений [ править ]

Hanasaari Power Plant , когенерационная электростанция , работающая на угле, в Хельсинки , Финляндия

Установки цикла доливки в основном вырабатывают электроэнергию с помощью паровой турбины. Частично расширенный пар затем конденсируется в нагревательном конденсаторе при подходящем температурном уровне, например, для централизованного теплоснабжения или опреснения воды .

Пассив цикл растения производят высокую температуру температуры для промышленных процессов, того восстановление отработанного тепла котел подает электрический завод. Установки с нижним 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:

  • Газотурбинные ТЭЦ, использующие отходящее тепло дымовых газов газовых турбин. В качестве топлива обычно используется природный газ .
  • Газ двигатель ТЭЦ использует возвратно - поступательное движение газового двигатель, который , как правило , более конкурентоспособный , чем газовая турбина примерно до 5 МВт. В качестве газообразного топлива обычно используется природный 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]
  • ТЭЦ с биотопливным двигателем используют адаптированный поршневой газовый двигатель или дизельный двигатель , в зависимости от того, какое биотопливо используется, и в остальном очень похожи по конструкции на ТЭЦ с газовым двигателем. Преимущество использования биотоплива заключается в снижении расхода углеводородного топлива и, как следствие, уменьшении 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 - когенерационная установка с газификатором древесины, в которой древесные гранулы или биотопливо из древесных стружек газифицируются в условиях высокой температуры без кислорода; полученный газ затем используется для питания газового двигателя.
  • Электростанции комбинированного цикла адаптированы для ТЭЦ
  • Топливные элементы с расплавленным карбонатом и топливные элементы с твердым оксидом имеют горячий выхлоп, который очень подходит для обогрева.
  • Паротурбинные ТЭЦ, использующие систему отопления в качестве конденсатора пара для паровой турбины.
  • Ядерные энергетические установки , аналогичные другие паротурбинных электростанции, могут быть оснащены экстракциями в турбинах кровоточить , частично расширенный пар для системы 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 двигатель Стирлинга . Тепло отводится от выхлопа и радиатора. Эти системы популярны в небольших размерах, потому что небольшие газовые и дизельные двигатели дешевле, чем небольшие газовые или мазутные пароэлектрические установки.

Некоторые когенерации обжигают с помощью биомассы , [12] или промышленных и твердых бытовых отходов (см сжигание ). Некоторые ТЭЦ используют отработанный газ в качестве топлива для производства электроэнергии и тепла. Отходящими газами могут быть газ из отходов животноводства , свалочный газ , газ угольных шахт , газ сточных вод и горючие промышленные отходящие газы. [13]

Некоторые когенерационные установки объединяют газовую и солнечную фотоэлектрическую генерацию для дальнейшего улучшения технических и экологических показателей. [14] Такие гибридные системы можно масштабировать до уровня здания [15] и даже до отдельных домов. [16]

MicroCHP [ править ]

Микро-комбинированное производство тепла и электроэнергии или «микрокогенерация» - это так называемый распределенный энергоресурс (РЭР). В доме или на небольшом предприятии мощность установки обычно составляет менее 5 кВт- эл. В дополнение к теплу энергия преобразуется в электричество, которое можно использовать дома или на работе или, если это разрешено руководством сети, продавать обратно в электрическую сеть.

В 2013 году консультанты Delta-ee заявили, что с 64% мировых продаж микрокомбинированные тепловые и электрические топливные элементы превзошли традиционные системы по продажам в 2012 году. [17] В 2012 году в Японии было продано 20 000 единиц в рамках проекта Ene Farm. Со сроком службы около 60 000 часов. Для блоков топливных элементов PEM , которые отключаются в ночное время, это соответствует расчетному сроку службы от десяти до пятнадцати лет. [18] По цене 22 600 долларов США до установки. [19] На 2013 год действует государственная субсидия на 50 000 единиц. [18]

В установках MicroCHP используются пять различных технологий: микротурбины , двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга , паровые двигатели замкнутого цикла 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 было показано, что и МиниТЭЦ, и ТЭЦ сокращают выбросы [24], они могут сыграть большую роль в области сокращения выбросов CO 2 в зданиях, где более 14% выбросов можно сократить 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 теперь можно найти микро-ТЭЦ на топливных элементах , которые могут работать на водороде или других видах топлива, таких как природный газ или сжиженный нефтяной газ. [27] [28] При работе на природном газе используется паровой риформинг.природного газа для преобразования природного газа в водород перед использованием в топливном элементе. Следовательно, он все еще выделяет 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 [ править ]

Цикл тригенерации

Установка, производящая электричество, тепло и холод, называется установкой тригенерации [29] или полигенерацией. В когенерационных системах, связанных с абсорбционными чиллерами или адсорбционными чиллерами, отработанное тепло используется для охлаждения . [30]

Комбинированное теплоэнергетическое районное отопление [ править ]

См. Также: Центральное отопление

В Соединенных Штатах , Consolidated Edison распределяет 66 миллиардов килограммов 350 ° F (180 ° C) Парная каждый год через свои семь теплоэлектростанций 100000 зданий в Манхэттене -самый большой окружные пар в Соединенных Штатах. Пиковая производительность составляет 10 миллионов фунтов в час (или примерно 2,5 ГВт). [31] [32]

Промышленная ТЭЦ [ править ]

Когенерация по-прежнему распространена на целлюлозно-бумажных , нефтеперерабатывающих и химических заводах. 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 устойчивости сделало промышленные ТЭЦ более привлекательными, поскольку они значительно сокращают углеродный след по сравнению с производством пара или сжиганием топлива на месте и импортом электроэнергии из сети.

Давление на коммунальные услуги по сравнению с собственными промышленными предприятиями [ править ]

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, предприятиям обычно приходится обрабатывать пропорционально больше подпиточной воды для котлов. Питательная вода котла должна быть полностью очищенной от кислорода 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 вероятность резких колебаний нагрузки, чем на промышленных предприятиях, которые связаны с остановкой или запуском блоков, которые могут составлять значительный процент потребности в паре или электроэнергии.

Парогенераторы-утилизаторы [ править ]

Рекуперации тепла парогенератор (КА) представляет собой паровой котел , который использует горячие выхлопные газы из газовых турбин или поршневых двигателей в ТЭЦ для нагрева воды и генерировании пары . Пар, в свою очередь, приводит в действие паровую турбину или используется в промышленных процессах, требующих тепла.

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

  • HRSG 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 конвекции .
  • 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 низок, испаритель и экономайзер спроектированы с пластинчато-ребристыми теплообменниками.

Когенерация с использованием биомассы [ править ]

Биомасса становится одним из важнейших источников возобновляемой энергии . 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]

Растущий сектор использования биомассы для производства электроэнергии является сахар и алкоголь сектор, который в основном использует сахарного тростника жмых в качестве топлива для тепловой и электрической энергии поколения [34]

Когенерация электроэнергии в сахарно-спиртовой отрасли [ править ]

В производстве сахарного тростника когенерация питается остатками жмыха от рафинирования сахара, которые сжигаются для получения пара. Некоторое количество пара можно пропустить через турбину, которая вращает генератор, производя электроэнергию. [35]

Когенерация энергии в производстве сахарного тростника в Бразилии - практика, которая в последние годы растет. С внедрением когенерации энергии в сахарном и спиртовом секторах отрасли производства сахарного тростника могут удовлетворять потребности в электроэнергии, необходимой для работы, и генерировать излишки, которые можно коммерциализировать. [36] [37]

Преимущества когенерации с использованием жмыха сахарного тростника [ править ]

По сравнению с производством электроэнергии с помощью термоэлектрических станций на ископаемом топливе , например природного газа , производство энергии с использованием жмыха сахарного тростника имеет экологические преимущества за счет сокращения выбросов CO2 . [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 с использованием жмыха сахарного тростника [ править ]

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

Из-за этого поглощения, когда жмых сахарного тростника сжигают в когенерации, в конечном итоге выделяются диоксины [39] и хлористый метил [40] . В случае диоксинов эти вещества считаются очень токсичными и злокачественными. [41] [42] [43]

В случае хлористого метила, когда это вещество выделяется и достигает стратосферы , оно оказывается очень вредным для озонового слоя, поскольку хлор в сочетании с молекулой озона генерирует 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 на Земле более интенсивное, и глобальное потепление ухудшается . [40]

Сравнение с тепловым насосом [ править ]

Тепловой насос можно сравнить с блоком ТЭЦ следующим образом . Если для подачи тепловой энергии выхлопной пар из турбогенератора должен отбираться при более высокой температуре, чем при которой система будет производить большую часть электроэнергии, потеря выработки электроэнергии будет такой же, как если бы тепловой насос использовался для выработки того же тепла, отбирая электроэнергия 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 эффективный коэффициент полезного действия (COP) по сравнению с тепловым насосом, равным 6. [45]Однако для теплового насоса с дистанционным управлением необходимо учитывать потери в электрической распределительной сети порядка 6%. Поскольку потери пропорциональны квадрату тока, во время пиковых периодов потери намного выше, чем это, и вполне вероятно, что широкое распространение (например, общегородское применение тепловых насосов) вызовет перегрузку распределительных и передающих сетей, если они не будут существенно усилены.

Также возможно 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 отработанное тепло также нагревает теплоноситель.

Распределенная генерация [ править ]

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 применением тригенерации в крупном городе является паровая система Нью-Йорка .

Тепловая эффективность [ править ]

Каждый тепловой двигатель подчиняется теоретическим пределам эффективности цикла Карно или подмножества цикла Ренкина в случае паротурбинных электростанций или цикла Брайтона в газовых турбинах с паротурбинными установками. Большая часть потери эффективности при выработке энергии пара связана со скрытой теплотой парообразования.пара, который не восстанавливается, когда турбина выпускает свой пар низкой температуры и давления 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 с более высокой температурой. где он может использоваться для технологического тепла, отопления зданий или охлаждения с помощью абсорбционного чиллера . Большая часть этого тепла приходится на скрытую теплоту парообразования, когда пар конденсируется.

Термический КПД в системе когенерации определяется как:

Где:

= Тепловая эффективность
= Общий объем работы по всем системам
= Суммарный подвод тепла в систему

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

Где:

= Тепловая эффективность
= Общий объем работы по всем системам
= 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] Электростанции с циклом Брайтона работают с КПД до 60%. В случае обычных электростанций примерно 10-15% этого тепла теряется в дымовой трубе котла. Большая часть оставшегося тепла выделяется турбинами 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 немного 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 должны располагаться 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 отработанного тепла для местного нагрева и охлаждения может привести к общему использованию первичного топлива на уровне 80%. [47] Это дает значительные финансовые и экологические выгоды.

Затраты [ править ]

См. Также: Стоимость электроэнергии по источникам

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

История [ править ]

Когенерация в Европе [ править ]

Когенерационная тепловая электростанция в Феррера-Эрбоньоне ( PV ), Италия

ЕС активно включены когенерации в свою энергетическую политику посредством директивы 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 за счет когенерации. [51] Однако между государствами-членами существует большая разница в 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% сокращения выбросов углекислого газа к 2050 году правительство поставило цель обеспечить по крайней мере 15% государственного потребления электроэнергии от ТЭЦ к 2010 году [55]. Другие меры Великобритании по стимулированию роста ТЭЦ - это финансовые стимулы, грантовая поддержка, усиление нормативно-правовой базы, лидерство и партнерство со стороны правительства.

Согласно модели МЭА 2008 года расширения когенерации для стран G8, 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 общего объема когенерационной электроэнергии в каждой стране на 16–29% к 2030 году.

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

В рамках проекта седьмой рамочной программы Европейского государственно-частного партнерства по совместному осуществлению топливных элементов и водорода ene.field развернет в 2017 году [56] до 1000 бытовых установок комбинированного производства тепла и энергии ( микро-ТЭЦ ) на топливных элементах в 12 штатах. В 2012 году состоялись первые 2 установки. [57] [58] [59]

Когенерация в Соединенном Королевстве [ править ]

В Соединенном Королевстве , то теплоэлектроцентрали Обеспечение качества схема регулирует комбинированного производства тепловой и электрической энергии. 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 установки когенерации имели право на получение государственных субсидий и налоговых льгот, необходимо соблюдение требований по обеспечению качества комбинированного производства тепла и электроэнергии. [60]

Когенерация в США [ править ]

Когенерационная станция Kendall мощностью 250 МВт в Кембридже, Массачусетс

Возможно, первое современное использование утилизации энергии было сделано Томасом Эдисоном . Его первая в мире коммерческая электростанция на Перл-стрит 1882 года была теплоэлектроцентралью, производившей 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 правила, способствующие электрификации сельских районов путем строительства централизованных электростанций, управляемых региональными коммунальными предприятиями. Эти правила не только способствовали электрификации всей сельской местности, но и препятствовали децентрализации производства электроэнергии, такой как когенерация.

К 1978 году Конгресс признал, что эффективность центральных электростанций застопорилась, и попытался стимулировать повышение эффективности с помощью Закона о политике регулирования коммунальных предприятий (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. [ необходима цитата ]

США Министерство энергетики имеет агрессивную цель иметь ТЭЦ составляет 20% генерирующих мощностей к 2030 г. Восемь Чистые Применение Центры 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) в качестве жизнеспособных вариантов энергии и снизить любые предполагаемые риски, связанные с их внедрением. Центры приложений ориентированы на предоставление программ распространения и внедрения технологий для конечных пользователей, разработчиков политики, 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]

Приложения в системах производства электроэнергии [ править ]

Невозобновляемый [ править ]

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 [ править ]

  • Солнечная тепловая энергия
  • Биомасса
  • Водородный топливный элемент
  • Любой тип компрессора или турбодетандера , например, в накопителе энергии сжатым воздухом.
  • Геотермальный

См. Также [ править ]

  • Разделение воздуха
  • Цикл Карно
  • Карно метод
  • Директива по ТЭЦ
  • Стоимость электроэнергии по источникам
  • Распределенная генерация (более общий термин, охватывающий ТЭЦ)
  • Районное отопление
  • Производство электроэнергии
  • Электрификация
  • Энергетическая политика Европейского Союза
  • Воздействие производства электроэнергии на окружающую среду
  • Европейская ассоциация биомассы
  • Промышленный газ
  • Микро-теплоэнергетика
  • Паровая система Нью-Йорка
  • Цикл Ренкина
  • Абсорбционный холодильник
  • Котел

Дальнейшее чтение [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Как когенерация обеспечивает тепло и электроэнергию?» . Scientific American . Проверено 27 ноября 2019 .
  2. ^ "Что такое децентрализованная энергия?" . База знаний о децентрализованной энергии. Архивировано 10 декабря 2008 года.
  3. ^ Хантер, Луи С .; Брайант, Линвуд (1991). История промышленной власти в Соединенных Штатах, 1730-1930, Vol. 3: Передача власти . Кембридж, Массачусетс, Лондон: MIT Press. ISBN 978-0-262-08198-6.
  4. ^ "Рассмотрите возможность установки котлов высокого давления с турбогенераторами противодавления" (PDF) . nrel.gov . Архивировано 21 декабря 2016 года (PDF) из оригинала . Проверено 28 апреля 2018 .
  5. ^ a b c d Steam - его создание и использование . Бэбкок и Уилкокс. 1913 г.
  6. ^ «Углеродный след различных источников тепла - сжигание биомассы и CHPDH - самый низкий» . Claverton Energy Research Group. Архивировано из оригинала на 2011-10-05.
  7. ^ «Когенерация признана наиболее энергоэффективным методом преобразования энергии» . Viessmann. Архивировано 8 августа 2016 года.
  8. ^ "Finning Caterpillar Gas Engine Ratings" . Архивировано 18 мая 2015 года . Дата обращения 15 мая 2015 .
  9. ^ "Завершить продажу ТЭЦ с газовым двигателем 7 МВт Deutz (2 x 3,5 МВт)" . Claverton Energy Research Group. Архивировано 30 сентября 2013 года.
  10. ^ http://www.elforsk.se/nyhet/seminarie/Elforskdagen%20_10/webb_varme/d_welander.pdf [ постоянная мертвая ссылка ] [шведский]
  11. ^ Локателли, Джорджио; Фьордалисо, Андреа; Боарин, Сара; Рикотти, Марко Э. (2017-05-01). «Когенерация: возможность облегчить отслеживание нагрузки в малых модульных реакторах» (PDF) . Прогресс в атомной энергетике . 97 : 153–161. DOI : 10.1016 / j.pnucene.2016.12.012 .
  12. ^ "Высокая производительность когенерации инновационной паровой турбиной для ТЭЦ, работающей на биомассе, в Иислами, Финляндия" (PDF) . OPET. Архивировано 15 июля 2011 года (PDF) . Проверено 13 марта 2011 года .
  13. ^ «Преобразование выбросов парниковых газов в энергию» (PDF) . ВОИС Green Case Studies, 2014 . Всемирная организация интеллектуальной собственности. 2014. Архивировано 13 апреля 2015 года (PDF) . Проверено 6 апреля 2015 года .
  14. ^ Oliveira, AC; Afonso, C .; Matos, J .; Riffat, S .; Nguyen, M .; Доэрти, П. (2002). «Комбинированная теплоэнергетическая система для зданий, использующих солнечную энергию и газ». Прикладная теплотехника . 22 (6): 587–593. DOI : 10.1016 / S1359-4311 (01) 00110-7 .
  15. ^ Yagoub, W .; Doherty, P .; Риффат, SB (2006). «Солнечная энергия и газовая микро-ТЭЦ для офисного здания». Прикладная теплотехника . 26 (14): 1604–1610. DOI : 10.1016 / j.applthermaleng.2005.11.021 .
  16. ^ Пирс, JM (2009). «Расширение проникновения фотоэлектрических систем с помощью распределенной генерации в жилых помещениях на основе гибридных солнечных фотоэлектрических + комбинированных систем теплоэнергетики». Энергия . 34 (11): 1947–1954. CiteSeerX 10.1.1.593.8182 . DOI : 10.1016 / j.energy.2009.08.012 . 
  17. ^ Обзор отрасли топливных элементов за 2013 г. Архивировано 14 апреля 2016 г. на Wayback Machine
  18. ^ a b «Последние изменения в схеме Ene-Farm» . Архивировано 14 апреля 2016 года . Дата обращения 15 мая 2015 .
  19. ^ «Запуск нового продукта домашних топливных элементов 'Ene-Farm', более доступного и простого в установке - Новости штаб-квартиры - Panasonic Newsroom Global» . Архивировано 10 июля 2014 года . Дата обращения 15 мая 2015 .
  20. ^ «Что такое микрогенерация? И что является наиболее экономически эффективным с точки зрения сокращения выбросов CO2» . Архивировано 11 июля 2015 года . Дата обращения 15 мая 2015 .
  21. ^ Роль микро ТЭЦ в интеллектуальном мире энергии архивации 2016-03-04 в Wayback Machine
  22. ^ Elsevier Ltd, The Boulevard, Langford Lane, Кидлингтон, Оксфорд, OX5 1GB, Великобритания. «Отчет Micro CHP вызывает бурные дискуссии об энергетическом будущем Великобритании» . Архивировано 20 марта 2016 года . Дата обращения 15 мая 2015 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  23. ^ «Лучшая ТЭЦ, комбинированное производство тепла и электроэнергии и когенерация - Альфаги - более прибыльная экологически чистая энергия через ТЭЦ, когенерационный котел и биомассу с использованием древесины, биогаза, природного газа, биодизеля, растительного масла, синтез-газа и соломы» . Архивировано 23 апреля 2015 года . Дата обращения 15 мая 2015 .
  24. ^ Pehnt, M (2008). «Воздействие распределенных энергетических систем на окружающую среду - случай микрокогенерации». Экологическая наука и политика . 11 (1): 25–37. DOI : 10.1016 / j.envsci.2007.07.001 .
  25. ^ «Покупка ТЭЦ и когенерации - процесс - ТЭЦ и когенерация Alfagy» . Архивировано 03 ноября 2012 года . Проверено 3 ноября 2012 . «Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ или когенерация) для экономии энергии и углерода в коммерческих зданиях».
  26. ^ Ду, Жоян; Робертсон, Пол (2017). «Экономичный инвертор, подключенный к сети, для микрокомбинированной теплоэнергетической системы» . IEEE Transactions по промышленной электронике . 64 (7): 5360–5367. DOI : 10.1109 / TIE.2017.2677340 . S2CID 1042325 . 
  27. ^ Топливные элементы микро ТЭЦ
  28. ^ Микрокогенерация топливных элементов
  29. ^ "Clarke Energy - экономичное распределенное производство" . Кларк Энерджи . Дата обращения 15 мая 2015 .
  30. ↑ Топливные элементы и ТЭЦ. Архивировано 18 мая 2012 г., на Wayback Machine.
  31. ^ "Новости: Steam" . ConEdison. Архивировано 21 августа 2007 года . Проверено 20 июля 2007 .
  32. ^ Bevelhymer, Карл (2003-11-10). «Пар» . Gotham Gazette. Архивировано 13 августа 2007 года . Проверено 20 июля 2007 .
  33. ^ Соарес Тейшейра, Роналду (2010). . Utilização de resíduos Sucro-Alcooleiros na Fabricação de fibrocimento pelo processo de extrusão (Dissertação) (на португальском языке). Universidade de São Paulo.
  34. ^ "Balanço energético nacional 2018" . Empresa de Pesquisa Energética . Проверено 11 марта 2019 ..
  35. ^ Дантас Филхо, Пауло Лукас (2009). . Análise da Viabilidade Econômica Financeira de Projetos de Cogeração de Energia Através do Bagaço de Cana-de-Açúcar em Quatro Usinas em São Paulo (Dissertação) (на португальском языке). Universidade de São Paulo.
  36. ^ Барбели, Марсело Карлос (2015). . A cogeração de energia e sua importância do ponto de vista técnico, econômico e ambiental (Dissertação) (на португальском языке). Faculdade de Tecnologia, Ciências e Educação - FATECE.
  37. ^ Tomaz У. л, Gordono Ф. S, Da Silva Ф. Р, Де Кастро МД С, Esperidião М. (2015). "Cogeração de energia a partir do bagaço da cana-de-açúcar: estudo de caso múltiplo no setor sucroalcoleiro". Cite journal requires |journal= (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  38. ^ a b Рибейро, Сильвио (2010). Gestão ambiental em usinas do setor Sucroalcooleiro: Fateres de Influência e práticas adotadas (Dissertação) (на португальском языке). Universidade Estadual Paulista (UNESP) de Bauru. hdl : 11449/92984 .
  39. ^ a b Yive, NSCK, Tiroumalechetty, M. (2008). «Уровни диоксина в летучей золе от сжигания жома». Журнал опасных материалов . 155 (1–2): 179–182. DOI : 10.1016 / j.jhazmat.2007.11.045 . PMID 18166264 . CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  40. ^ a b c Лоберт, Юрген; Кин, Виллиан; Евич, Дженнифер (1999). «Глобальные выбросы хлора от сжигания биомассы: Реестр выбросов реактивного хлора» (PDF) . Журнал геофизических исследований: атмосферы . Вайли. 104 (D7): 8373–8389. Bibcode : 1999JGR ... 104.8373L . DOI : 10.1029 / 1998JD100077 . Проверено 11 марта 2019 .
  41. ^ Агентство токсичных веществ и регистрации заболеваний (ATSDR) (1998). "Заявление об охране здоровья хлорированных дибензо-п-диоксинов (ХДД)". Cite journal requires |journal= (help)
  42. ^ XU, J., YE, Y., HUANG, F., CHEN, H., WU, HAN., HUANG, J., HU, J., XIA, D., WU, Y (2016). «Связь между диоксином и заболеваемостью раком и смертностью: метаанализ» . Научные отчеты . 6 : 38012. Bibcode : 2016NatSR ... 638012X . DOI : 10.1038 / srep38012 . PMC 5126552 . PMID 27897234 .  CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  43. ^ Активисты экологической справедливости (ред.). «Диоксины и фураны: наиболее токсичные химические вещества, известные науке» . Дата обращения 5 марта 2019 .
  44. ^ «Почему тепло от ТЭЦ является возобновляемым - на основе документа, представленного в IAEE Vilnius (2010)» (PDF) . 2011-09-14. п. 4 абзац 4. Архивировано (PDF) из оригинала 21.09.2017 . Проверено 25 декабря 2017 .
  45. Перейти ↑ Lowe, R. (2011). «Комбинированное производство тепла и электроэнергии, рассматриваемое как тепловой насос виртуального парового цикла». Энергетическая политика . 39 (9): 5528–5534. DOI : 10.1016 / j.enpol.2011.05.007 .
  46. ^ «Системы тригенерации с топливными элементами» (PDF) . Исследовательская статья . Архивировано 6 октября 2011 года (PDF) . Проверено 18 апреля 2011 года .
  47. ^ a b "DOE - Ископаемая энергия: Как работают турбинные электростанции" . Fossil.energy.gov. Архивировано из оригинала на 27 мая 2010 года . Проверено 25 сентября 2011 .
  48. ^ См. Тексты по термодинамике по механической или химической инженерии.
  49. ^ «38% HHV двигатель Caterpillar на биогазе, установленный на очистных сооружениях - Claverton Group» . Архивировано из оригинального 2 -го января 2013 года . Дата обращения 15 мая 2015 .
  50. ^ «Позиционный документ промышленного форума по энергоэффективности: энергоэффективность - жизненно важный компонент энергетической безопасности» (PDF) . [ постоянная мертвая ссылка ]
  51. ^ «2011 - Cogen - эксперты обсуждают центральную роль когенерации в формировании энергетической политики ЕС» (PDF) . cogeneurope.eu . Архивировано 20 июня 2017 года (PDF) . Проверено 28 апреля 2018 .
  52. ^ «COGEN Europe: когенерация в безопасности энергоснабжения Европейского Союза» (PDF) . [ постоянная мертвая ссылка ]
  53. ^ «Производство электроэнергии источником энергии» . Архивировано из оригинала на 2014-02-20.
  54. ^ "KWKG 2002" . Архивировано из оригинала на 2014-02-02.
  55. ^ «Действие DEFRA в Великобритании - теплоэнергетика» . Архивировано из оригинала на 2010-06-12.
  56. ^ «5-е общее собрание заинтересованных сторон FCH JU» (PDF) . fch-ju.eu . Архивировано 10 ноября 2013 года (PDF) . Проверено 28 апреля 2018 .
  57. ^ "ene.field" . Архивировано 2 октября 2016 года . Дата обращения 15 мая 2015 .
  58. ^ Общеевропейские полевые испытания микро-ТЭЦ на топливных элементах. Архивировано 9 ноября 2016 г. на Wayback Machine.
  59. ^ ene.field Грант № 303462. Архивировано 10 ноября 2013 г. в Wayback Machine.
  60. ^ «Комбинированная программа обеспечения качества тепла и электроэнергии» . decc.gov.uk . Архивировано 30 октября 2014 года . Проверено 28 апреля 2018 .
  61. ^ "Первая в мире коммерческая электростанция была когенерационной установкой" . Архивировано из оригинала на 2008-04-25 . Проверено 15 июня 2008 .
  62. ^ «Мировой обзор децентрализованной энергетики» (PDF) . Май 2006 г.
  63. ^ Восемь центров применения чистой энергии, заархивированные 15 апреля 2013 г., в Archive.today
  64. ^ "Электричество данных" . Архивировано 31 мая 2015 года.
  65. ^ "Энергия Новой Англии" . Архивировано 23 января 2015 года.
  66. ^ Мастерс, Гилберт (2004). Возобновляемые и эффективные электроэнергетические системы . Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press.