stringtranslate.com

Когенерация

Диаграмма сравнения потерь от традиционной генерации и когенерации

Когенерация или комбинированное производство тепла и электроэнергии ( ТЭЦ ) — это использование теплового двигателя [1] или электростанции для одновременной выработки электроэнергии и полезного тепла.

Когенерация представляет собой более эффективное использование топлива или тепла, поскольку в противном случае тепло, потраченное впустую при выработке электроэнергии, используется для продуктивного использования. Комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ) восстанавливают потерянную тепловую энергию для отопления . Это также называется централизованным теплоснабжением с комбинированным производством тепла и электроэнергии. Малые ТЭЦ являются примером децентрализованной энергетики . [2] Тепло побочного продукта при умеренных температурах (100–180 °C, 212–356 °F) также можно использовать в абсорбционных холодильниках для охлаждения.

Подача высокотемпературного тепла сначала приводит в движение генератор, работающий на газовой или паровой турбине . Полученное низкотемпературное отходящее тепло затем используется для отопления воды или помещений. В меньших масштабах (обычно ниже 1 МВт) можно использовать газовый или дизельный двигатель . Когенерация также распространена на геотермальных электростанциях , поскольку они часто производят относительно низкопотенциальное тепло . Бинарные циклы могут быть необходимы для достижения приемлемого теплового КПД производства электроэнергии. Когенерация реже используется на атомных электростанциях, поскольку NIMBY и соображения безопасности часто удерживают их дальше от населенных пунктов, чем аналогичные химические электростанции, а централизованное теплоснабжение менее эффективно в районах с более низкой плотностью населения из-за потерь при передаче.

Когенерация практиковалась на некоторых из первых установок по производству электроэнергии. До того, как центральные станции распределяли электроэнергию, предприятия, вырабатывающие собственную электроэнергию, использовали отработанный пар для технологического нагрева. Большие офисные и жилые здания, гостиницы и магазины обычно производят собственную электроэнергию и используют отработанный пар для отопления зданий. Из-за высокой стоимости электроэнергии, купленной на ранних этапах, работа ТЭЦ продолжалась в течение многих лет после того, как электричество стало доступным. [3]

Обзор

ТЭЦ Маснедо в Дании . Эта станция сжигает солому в качестве топлива. Соседние теплицы отапливаются за счет централизованного теплоснабжения завода.

Многие обрабатывающие 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 цели. Это тепло, которое обычно используется в форме пара, может генерироваться при обычно низком давлении, используемом при нагреве, или может генерироваться при гораздо более высоком давлении и сначала проходить через турбину для выработки электроэнергии. В турбине давление и температура пара понижаются, поскольку внутренняя энергия пара преобразуется в работу. Пар низкого давления, выходящий из турбины, затем может быть использован для технологического тепла.

Паровые турбины на тепловых электростанциях обычно проектируются для подачи пара под высоким давлением, который выходит из турбины в конденсаторе, работающем при температуре на несколько градусов выше температуры окружающей среды и при абсолютном давлении в несколько миллиметров ртутного столба. (Это называется конденсационной турбиной.) Для всех практических целей этот пар имеет незначительную полезную энергию до того, как он конденсируется. Паровые турбины для когенерации предназначены для отбора некоторого количества пара при более низких давлениях после того, как он прошел через несколько ступеней турбины, при этом неизвлеченный пар поступает через турбину в конденсатор. В этом случае отбираемый пар вызывает потери механической мощности на последующих ступенях турбины. Или они предназначены, с вытяжкой или без нее, для окончательного выхлопа при противодавлении (без конденсации). [4] [5] Отработанный или отработанный пар используется для технологического нагрева. Пар при обычных условиях технологического нагрева все еще имеет значительную энтальпию , которую можно использовать для производства электроэнергии, поэтому когенерация имеет альтернативные издержки .

Типичная турбина для выработки электроэнергии на бумажной фабрике может иметь давление отбора 160 фунтов на квадратный дюйм (1,103 МПа) и 60 фунтов на квадратный дюйм (0,41 МПа). Типичное противодавление может составлять 60 фунтов на квадратный дюйм (0,41 МПа). На практике это давление рассчитывается индивидуально для каждого объекта. И наоборот, простое производство технологического пара для промышленных целей вместо достаточно высокого давления для выработки электроэнергии на верхнем уровне также имеет альтернативные издержки (см. Условия подачи и выхлопа пара ). Капитальные и эксплуатационные затраты на котлы высокого давления, турбины и генераторы значительны. Это оборудование обычно работает непрерывно , что обычно ограничивает самогенерируемую мощность крупномасштабными операциями.

Когенерационная установка в Меце , Франция . Котел мощностью 45 МВт использует биомассу отходов древесины в качестве источника энергии, обеспечивая электроэнергией и теплом 30 000 жилых домов .

Комбинированный цикл (в котором несколько термодинамических циклов производят электроэнергию) также может использоваться для извлечения тепла с использованием системы отопления в качестве конденсатора нижнего цикла электростанции . Например, МГД-генератор РУ-25 в Москве обогревал котел обычной паровой электростанции, конденсат которого затем использовался для обогрева помещений. В более современной системе может использоваться газовая турбина , работающая на природном газе , выхлопы которой приводят в действие паровую установку, чей конденсат обеспечивает тепло. Когенерационные установки на базе энергоблока комбинированного цикла могут иметь тепловой КПД более 80%.

Жизнеспособность ТЭЦ (иногда называемая коэффициентом использования), особенно на небольших ТЭЦ, зависит от хорошей базовой нагрузки, как с точки зрения потребности в электроэнергии на площадке (или вблизи нее), так и потребности в тепле. На практике точное соответствие между потребностями в тепле и электроэнергии редко существует. ТЭЦ может либо удовлетворять потребность в тепле ( работа с использованием тепла ), либо работать как электростанция с некоторым использованием отработанного тепла, причем последнее менее выгодно с точки зрения коэффициента использования и, следовательно, его общей эффективности. Жизнеспособность может быть значительно повышена там, где существуют возможности для тригенерации. В таких случаях тепло 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 транспортировать на большие расстояния. Для этого требуются трубы с хорошей изоляцией, которые дороги и неэффективны; тогда как электричество можно передавать по сравнительно простому проводу и на гораздо большие расстояния с теми же потерями энергии.

Зимой автомобильный двигатель превращается в ТЭЦ, когда отработанное тепло используется для обогрева салона автомобиля. Этот пример иллюстрирует тот факт, что развертывание ТЭЦ зависит от использования тепла вблизи теплового двигателя.

Установки термического повышения нефтеотдачи (ТЭОР) часто производят значительное количество избыточной электроэнергии. После выработки электроэнергии эти электростанции закачивают оставшийся пар в скважины с тяжелой нефтью, чтобы нефть текла легче, увеличивая добычу.

Когенерационные установки обычно встречаются в системах централизованного теплоснабжения городов, системах центрального отопления крупных зданий (например, в больницах, гостиницах, тюрьмах) и широко используются в промышленности в процессах производства тепла для технической воды, охлаждения, производства пара или удобрения CO 2 .

Тригенерация или комбинированное охлаждение, тепло и электроэнергия ( ТТЭЦ ) относится к одновременной выработке электроэнергии и полезному отоплению и охлаждению за счет сжигания топлива или солнечного коллектора тепла. Термины когенерация и тригенерация также могут применяться к энергосистемам, одновременно производящим электроэнергию, тепло и промышленные химикаты (например, синтез-газ ). Тригенерация отличается от когенерации тем, что отходящее тепло используется как для нагрева, так и для охлаждения, обычно в абсорбционном холодильнике. Комбинированные системы охлаждения, отопления и электроснабжения могут достичь более высокой общей эффективности, чем когенерационные или традиционные электростанции. В Соединенных Штатах применение тригенерации в зданиях называется охлаждением, отоплением и электроснабжением зданий. Мощность нагрева и охлаждения может работать одновременно или попеременно в зависимости от необходимости и конструкции системы.

Виды растений

Электростанция Ханасаари — угольная когенерационная электростанция в Хельсинки , Финляндия.

Установки топпингового цикла в основном производят электроэнергию с помощью паровой турбины. Частично расширенный пар затем конденсируется в конденсаторе отопления при температуре, подходящей, например, для централизованного теплоснабжения или опреснения воды .

Установки нижнего цикла производят высокотемпературное тепло для промышленных процессов, а затем котел- утилизатор снабжает электростанцию. Установки с нижним циклом используются только в промышленных процессах, требующих очень высоких температур, например, в печах для производства стекла и металла, поэтому они менее распространены.

Крупные когенерационные системы обеспечивают горячую воду и электроэнергию для промышленного объекта или целого города. Распространенными типами ТЭЦ являются:

Меньшие когенерационные установки могут использовать поршневой двигатель или двигатель Стирлинга . Тепло отводится от выхлопной системы и радиатора. Системы небольших размеров популярны, поскольку небольшие газовые и дизельные двигатели дешевле, чем небольшие паровые электростанции, работающие на газе или жидком топливе.

Некоторые когенерационные установки работают на биомассе , [11] или твердых промышленных и бытовых отходах (см. сжигание ). Некоторые ТЭЦ используют отработанный газ в качестве топлива для производства электроэнергии и тепла. Отходными газами могут быть газы отходов животноводства , свалочный газ , газ угольных шахт , канализационный газ и горючие промышленные газы. [12]

Некоторые когенерационные установки сочетают газовую и солнечную фотоэлектрическую генерацию для дальнейшего улучшения технических и экологических показателей. [13] Такие гибридные системы можно масштабировать до уровня здания [14] и даже отдельных домов. [15]

МикроТЭЦ

Микрокомбинированное производство тепла и электроэнергии или «Микрокогенерация» — это так называемый распределенный энергетический ресурс (DER). Мощность установки обычно составляет менее 5 кВт эл. в доме или на малом предприятии. Вместо сжигания топлива для простого обогрева помещения или воды некоторые Эта электроэнергия может использоваться дома или на работе или, если это разрешено руководством сети, продаваться обратно в электросеть.

В 2013 году консультанты Delta-ee заявили, что в 2012 году микрокомбинированные системы производства тепла и электроэнергии на топливных элементах заняли 64% мировых продаж, опередив по продажам традиционные системы. [16] В 2012 году в Японии в целом в рамках проекта Ene Farm было продано 20 000 единиц . Срок службы около 60 000 часов. Для блоков топливных элементов PEM, которые отключаются ночью, это соответствует расчетному сроку службы от десяти до пятнадцати лет. [17] По цене 22 600 долларов США до установки. [18] На 2013 год предусмотрена государственная субсидия на 50 000 единиц. [17]

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 МикроТЭЦ на базе двигателей Стирлинга является наиболее экономически эффективной из так называемых технологий микрогенерации в плане снижения выбросов углекислого газа. [19] В отчете британской компании Ecuity Consulting за 2013 год говорится, что MCHP является наиболее экономически эффективным методом использования газа для производства энергии на внутреннем уровне. [20] [21] Однако достижения в области технологии поршневых двигателей повышают эффективность ТЭЦ, особенно в области биогаза . [22] Поскольку было доказано, что и МиниТЭЦ, и ТЭЦ сокращают выбросы [23] , они могут сыграть большую роль в области сокращения выбросов CO 2 в зданиях, где более 14% выбросов можно сэкономить с помощью ТЭЦ в зданиях. [24] В 2017 году Кембриджский университет сообщил о создании экономичного прототипа парового двигателя MicroCHP, который потенциально может стать коммерчески конкурентоспособным в последующие десятилетия. [25] 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. [26] [27] При работе на природном газе он основан на паровой конверсии природного газа для преобразования природного газа в водород перед использованием в топливном элементе. Таким образом, при этом по-прежнему выделяются CO 2 (см. реакцию), но (временно) работа на этом может быть хорошим решением до тех пор, пока водород не начнет распределяться по системе трубопроводов (природного газа).

Другим примером микроТЭЦ является конденсационная печь для производства электроэнергии, работающая на природном газе или пропане. Он сочетает в себе технику экономии топлива при когенерации, что означает производство электроэнергии и полезного тепла из одного источника сгорания. Конденсационная печь представляет собой газовую систему с принудительной подачей воздуха и вторичным теплообменником, позволяющую извлекать тепло из продуктов сгорания до температуры окружающей среды, а также рекуперировать тепло из водяного пара. Дымоход заменен водостоком и вентиляционным отверстием в сторону здания.

Тригенерация

Цикл тригенерации

Установка, производящая электроэнергию, тепло и холод, называется тригенерационной [28] или полигенерационной установкой. Системы когенерации, связанные с абсорбционными или адсорбционными охладителями, используют отходящее тепло для охлаждения . [29]

Комбинированное теплоэлектроцентральное отопление

В Соединенных Штатах компания Consolidated Edison ежегодно распределяет 66 миллиардов килограммов пара с температурой 350 °F (180 °C) через свои семь когенерационных электростанций в 100 000 зданий на Манхэттене — крупнейшем паровом районе в Соединенных Штатах . Пиковая мощность составляет 10 миллионов фунтов в час (или примерно 2,5 ГВт). [30] [31]

Промышленная ТЭЦ

Когенерация по-прежнему широко распространена на целлюлозно-бумажных , нефтеперерабатывающих и химических заводах. В этой «промышленной когенерации/ТЭЦ» тепло обычно рекуперируется при более высоких температурах (выше 100 градусов Цельсия) и используется для технологического пара или сушки. Это более ценно и гибко, чем низкопотенциальное отходящее тепло, но при этом происходит небольшая потеря выработки электроэнергии. Повышенное внимание к устойчивому развитию сделало промышленную ТЭЦ более привлекательной, поскольку она существенно снижает выбросы углекислого газа по сравнению с выработкой пара или сжиганием топлива на месте и импортом электроэнергии из сети.

Небольшие промышленные когенерационные установки имеют выходную мощность 5–25 МВт и представляют собой жизнеспособный автономный вариант для различных удаленных применений с целью сокращения выбросов углекислого газа. [32]

Давление на коммунальные услуги в сравнении с собственными промышленными

Промышленные когенерационные установки обычно работают при гораздо более низком давлении в котлах, чем коммунальные предприятия. Среди причин: 1) ТЭЦ сталкиваются с возможным загрязнением возвращаемого конденсата. Поскольку питательная вода для котлов когенерационных электростанций имеет гораздо более низкий коэффициент возврата, чем 100% конденсационные электростанции, промышленности обычно приходится очищать пропорционально больше подпиточной воды для котлов. Питательная вода котла должна быть полностью бескислородной и деминерализованной, и чем выше давление, тем более критичен уровень чистоты питательной воды. [5] 2) Коммунальные предприятия, как правило, представляют собой более крупные электроэнергетические предприятия, чем промышленность, что помогает компенсировать более высокие капитальные затраты, связанные с высоким давлением. 3) В коммунальных предприятиях реже случаются резкие перепады нагрузки, чем в промышленных предприятиях, которые связаны с остановкой или запуском агрегатов, которые могут составлять значительный процент спроса на пар или электроэнергию.

Парогенераторы-утилизаторы

Парогенератор -утилизатор (HRSG) — это паровой котел, который использует горячие выхлопные газы газовых турбин или поршневых двигателей ТЭЦ для нагрева воды и выработки пара . Пар, в свою очередь, приводит в движение паровую турбину или используется в промышленных процессах, требующих тепла.

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

Когенерация с использованием биомассы

Биомасса относится к любому растительному или животному материалу, который можно повторно использовать в качестве источника тепла или электроэнергии, например, сахарный тростник , растительные масла, древесина, органические отходы и остатки пищевой или сельскохозяйственной промышленности. Бразилия в настоящее время считается мировым эталоном с точки зрения производства энергии из биомассы. [33]

Растущим сектором использования биомассы для производства электроэнергии является сектор сахара и спирта, который в основном использует жом сахарного тростника в качестве топлива для производства тепловой и электрической энергии [34].

Когенерация электроэнергии в сахарной и алкогольной промышленности

В промышленности по производству сахарного тростника когенерация работает на жоме , оставшемся при рафинировании сахара, который сжигается для получения пара. Некоторое количество пара можно пропустить через турбину , которая вращает генератор и производит электроэнергию. [35]

Когенерация энергии на предприятиях по производству сахарного тростника, расположенных в Бразилии, является практикой, которая в последние годы становится все более популярной. С внедрением когенерации энергии в сахарном и алкогольном секторах отрасли сахарного тростника смогут обеспечивать потребность в электроэнергии, необходимую для работы, и генерировать излишки, которые можно коммерциализировать. [36] [37]

Преимущества когенерации с использованием жома сахарного тростника

По сравнению с производством электроэнергии с помощью термоэлектрических установок, работающих на ископаемом топливе, например, на природном газе , производство энергии с использованием выжимок сахарного тростника имеет экологические преимущества за счет сокращения выбросов CO 2 . [38]

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

Недостатки когенерации с использованием жома сахарного тростника

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

Из-за этого поглощения при сжигании жома сахарного тростника в когенерационных установках выделяются диоксины [39] и метилхлорид [40] . Что касается диоксинов, то эти вещества считаются очень токсичными и канцерогенными. [41] [42] [43]

В случае с метилхлоридом, когда это вещество выбрасывается в атмосферу и достигает стратосферы , оно оказывается очень вредным для озонового слоя, поскольку хлор при соединении с молекулой озона генерирует каталитическую реакцию, приводящую к разрыву 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 становится более интенсивным на Земле и усиливается глобальное потепление . [40]

Сравнение с тепловым насосом

Тепловой насос можно сравнить с ТЭЦ следующим образом. Если для подачи тепловой энергии необходимо использовать выхлопной пар турбогенератора с более высокой температурой, чем при которой система будет производить большую часть электроэнергии, потери в выработке электроэнергии будут такими же, как если бы для получения того же тепла использовался тепловой насос, забирая электрическая мощность 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 (194 °F). Таким образом, ТЭЦ имеет эффективный коэффициент полезного действия (COP) по сравнению с тепловым насосом, равный 6. [45] Однако для теплового насоса с дистанционным управлением необходимо учитывать потери в распределительной электрической сети порядка 6%. Поскольку потери пропорциональны квадрату тока, в пиковые периоды потери намного выше этого значения, и вполне вероятно, что широкое распространение (т. е. общегородское применение тепловых насосов) приведет к перегрузке распределительных и передающих сетей, если они не будут существенно усилены.

Также возможно запустить операцию с тепловым приводом в сочетании с тепловым насосом, где избыточная электроэнергия (поскольку потребность в тепле является определяющим фактором в se [ необходимы разъяснения ] ) используется для привода теплового насоса. По мере увеличения потребности в тепле для привода теплового насоса вырабатывается больше электроэнергии, при этом отходящее тепло также нагревает теплоноситель.

Поскольку эффективность тепловых насосов зависит от разницы между температурой горячего и холодного концов (эффективность возрастает по мере уменьшения разницы), возможно, стоит объединить даже относительно низкопотенциальное отходящее тепло, которое в противном случае непригодно для отопления дома, с тепловыми насосами. Например, достаточно большой резервуар с охлаждающей водой при температуре 15 °C (59 °F) может значительно повысить эффективность использования тепловых насосов из такого резервуара по сравнению с тепловыми насосами с воздушным источником , использующими холодный воздух при температуре -20 °C (-4 °F) ночь. Летом, когда есть потребность как в кондиционировании воздуха , так и в теплой воде, одна и та же вода может даже служить одновременно «свалкой» отходящего тепла, отводимого кондиционерами, и «источником» для тепловых насосов, обеспечивающих теплую воду. Эти соображения лежат в основе того, что иногда называют «холодным централизованным отоплением» с использованием источника «тепла», температура которого значительно ниже температуры, обычно используемой в централизованном теплоснабжении. [46]

Распределенная генерация

Большинство промышленно развитых стран удовлетворяют большую часть своих потребностей в электроэнергии на крупных централизованных объектах, способных вырабатывать большую мощность. Эти электростанции получают выгоду от экономии за счет масштаба, но, возможно, им придется передавать электроэнергию на большие расстояния, что приводит к потерям при передаче. Производство когенерации или тригенерации ограничено местным спросом, 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

На каждый тепловой двигатель распространяются теоретические пределы эффективности цикла Карно или подмножества цикла Ренкина в случае паротурбинных электростанций или цикла Брайтона в газовых турбинах с паротурбинными установками. Большая часть потерь эффективности при выработке паровой энергии связана со скрытой теплотой испарения пара, которая не восстанавливается, когда турбина выпускает пар с низкой температурой и давлением в конденсатор. (Обычное абсолютное давление пара, поступающего в конденсатор, составляет несколько миллиметров и примерно на 5 °C/11 °F горячее, чем температура охлаждающей воды, в зависимости от мощности конденсатора.) При когенерации этот пар выходит из турбины с более высокой температурой. где его можно использовать для технологического тепла, отопления зданий или охлаждения с помощью абсорбционного чиллера . Большая часть этого тепла образуется за счет скрытой теплоты испарения при конденсации пара.

Тепловой КПД в когенерационной системе определяется как:

Где:

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

Где:

Типичные модели когенерации имеют потери, как и в любой системе. Распределение энергии ниже представлено в процентах от общей входной энергии: [47]

Обычные центральные угольные или атомные электростанции преобразуют около 33-45% потребляемого тепла в электричество. [48] ​​[5] Электростанции с циклом Брайтона работают с КПД до 60%. В случае традиционных электростанций примерно 10-15% этого тепла теряется в дымовой трубе котла. Большая часть оставшегося тепла выходит из турбин в виде низкопотенциального отходящего тепла, не имеющего существенного местного использования, поэтому оно обычно выбрасывается в окружающую среду, обычно в охлаждающую воду, проходящую через конденсатор. [5] Поскольку температура выхлопных газов турбины обычно чуть выше температуры окружающей среды, некоторая потенциальная выработка электроэнергии приносится в жертву за счет отклонения пара с более высокой температурой от турбины для целей когенерации. [49]

Чтобы когенерация была практичной, производство электроэнергии и конечное использование тепла должны располагаться в относительно непосредственной близости (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 отопления и охлаждения может привести к общему использованию основного источника топлива на 80%. [48] ​​Это обеспечивает существенные финансовые и экологические выгоды.

Расходы

Как правило, для газовой электростанции полная стоимость установки электроэнергии за кВт составляет около 400 фунтов стерлингов/кВт (577 долларов США), что сопоставимо с затратами на крупные центральные электростанции. [50]

История

Когенерация в Европе

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

ЕС активно включил когенерацию в свою энергетическую политику посредством Директивы о ТЭЦ . В сентябре 2008 года на слушаниях Межгруппы по вопросам городского жилья Европейского парламента комиссар по энергетике Андрис Пиебалгс заявил: «Надежность энергоснабжения действительно начинается с энергоэффективности ». [51] Энергоэффективность и когенерация признаны в первых параграфах Директивы Европейского Союза по когенерации 2004/08/EC. Целью этой директивы является поддержка когенерации и установление метода расчета возможностей когенерации в каждой стране. Развитие когенерации на протяжении многих лет было очень неравномерным, и на протяжении последних десятилетий в нем доминировали национальные условия.

Европейский Союз производит 11% своей электроэнергии с помощью когенерации. [52] Тем не менее, существует большая разница между государствами-членами ЕС с различиями в экономии энергии от 2% до 60%. В Европе есть три страны с наиболее интенсивной в мире экономикой когенерации: Дания, Нидерланды и Финляндия. [53] Из 28,46 ТВтч электроэнергии, произведенной традиционными тепловыми электростанциями в Финляндии в 2012 году, 81,80% приходилось на когенерацию. [54]

Другие европейские страны также прилагают большие усилия для повышения эффективности. Германия сообщила, что в настоящее время более 50% общего спроса на электроэнергию в стране может быть обеспечено за счет когенерации. На данный момент Германия поставила цель удвоить долю когенерации электроэнергии с 12,5% всей электроэнергии страны до 25% электроэнергии страны к 2020 году и приняла соответствующее вспомогательное законодательство. [55] Великобритания также активно поддерживает комбинированное производство тепла и электроэнергии. В свете цели Великобритании по сокращению выбросов углекислого газа на 60% к 2050 году правительство поставило цель обеспечить к 2010 году не менее 15% государственного потребления электроэнергии за счет ТЭЦ. [56] Другие меры Великобритании по стимулированию роста ТЭЦ. Это финансовые стимулы, грантовая поддержка, более совершенная нормативно-правовая база, а также лидерство и партнерство со стороны правительства.

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

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

В рамках проекта ene.field в рамках Седьмой рамочной программы Европейского государственно-частного партнерства по топливным элементам и водороду в 2017 году [57] будет развернуто до 1000 жилых установок комбинированного производства тепла и электроэнергии ( микро-ТЭЦ ) на топливных элементах в 12 штатах. В 2012 году состоялись первые 2 установки. [58] [59] [60]

Когенерация в Соединенном Королевстве

В Соединенном Королевстве схема комбинированного обеспечения качества тепла и электроэнергии регулирует комбинированное производство тепла и электроэнергии. Он был введен в действие в 1996 году. Он определяет посредством расчета затрат и выработки «ТЭЦ хорошего качества» с точки зрения достижения экономии первичной энергии по сравнению с традиционным раздельным производством тепла и электроэнергии. Соблюдение требований по обеспечению качества комбинированного производства тепла и электроэнергии необходимо для того, чтобы когенерационные установки имели право на государственные субсидии и налоговые льготы. [61]

Когенерация в США

Когенерационная станция Кендалл мощностью 250 МВт в Кембридже, Массачусетс.

Возможно, первое современное использование переработки энергии было осуществлено Томасом Эдисоном . Его станция Перл-Стрит 1882 года , первая в мире коммерческая электростанция, представляла собой комбинированную теплоэлектростанцию, производившую как электричество, так и тепловую энергию, используя при этом отходящее тепло для обогрева соседних зданий. [62] Переработка позволила заводу Эдисона достичь эффективности примерно 50 процентов.

К началу 1900-х годов появились правила, способствующие электрификации сельских районов посредством строительства централизованных электростанций, управляемых региональными коммунальными предприятиями. Эти правила не только способствовали электрификации всей сельской местности, но и препятствовали децентрализованному производству электроэнергии, например, когенерации.

К 1978 году Конгресс признал, что эффективность центральных электростанций находится в стагнации, и стремился стимулировать повышение эффективности с помощью Закона о политике регулирования коммунальных предприятий (PURPA), который поощрял коммунальные предприятия покупать электроэнергию у других производителей энергии.

Распространялись когенерационные установки, вскоре производившие около 8% всей энергии в Соединенных Штатах. [63] Однако законопроект оставил реализацию и обеспечение соблюдения закона на усмотрение отдельных штатов, в результате чего во многих частях страны практически ничего не делалось. [ нужна цитата ]

Министерство энергетики США поставило перед собой агрессивную цель: к 2030 году ТЭЦ будут составлять 20% генерирующих мощностей. [ нужна ссылка ] По всей стране было создано восемь центров применения чистой энергии [64] . Их миссия состоит в том, чтобы развивать необходимые знания о применении технологий и образовательную инфраструктуру, необходимую для продвижения технологий «чистой энергии» (комбинированное производство тепла и электроэнергии, рекуперация отработанного тепла и централизованное энергоснабжение) в качестве жизнеспособных вариантов энергетики и снижения любых предполагаемых рисков, связанных с их внедрением. Целью центров приложений является обеспечение информационно-просветительской программы и программы 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 выгодными для когенерации. [65] [66]

Применение в системах генерации электроэнергии

Ископаемое

Любая из следующих обычных электростанций может быть преобразована в комбинированную систему охлаждения, тепла и электроэнергии: [67]

Ядерный

Возобновляемый

Смотрите также

дальнейшее чтение

Рекомендации

  1. ^ «Как когенерация обеспечивает тепло и электроэнергию?». Научный американец . Архивировано из оригинала 27 ноября 2019 г. Проверено 27 ноября 2019 г.
  2. ^ «Что такое децентрализованная энергия?». База знаний о децентрализованной энергетике. Архивировано из оригинала 10 декабря 2008 г.
  3. ^ Хантер, Луи К.; Брайант, Линвуд (1991). История промышленной мощи в Соединенных Штатах, 1730–1930, Том. 3: Передача власти . Кембридж, Массачусетс, Лондон: MIT Press. ISBN 978-0-262-08198-6.
  4. ^ «Рассмотрите возможность установки котлов высокого давления с турбогенераторами с противодавлением» (PDF) . nrel.gov . Архивировано (PDF) из оригинала 21 декабря 2016 года . Проверено 28 апреля 2018 г.
  5. ^ abcd Steam — его создание и использование. Бэбкок и Уилкокс. 1913.
  6. ^ "Рейтинги ТЭЦ газовых двигателей Caterpillar" . Архивировано из оригинала 18 мая 2015 года . Проверено 15 мая 2015 г.
  7. ^ «Продается полная ТЭЦ с газовыми двигателями Deutz мощностью 7 МВт (2 x 3,5 МВт)» . Клавертонская группа энергетических исследований. Архивировано из оригинала 30 сентября 2013 г.
  8. ^ http://www.elforsk.se/nyhet/seminarie/Elforskdagen%20_10/webb_varme/d_welander.pdf [ постоянная мертвая ссылка ] [шведский]
  9. ^ Локателли, Джорджио; Фьордалисо, Андреа; Боарин, Сара; Рикотти, Марко Э. (01 мая 2017 г.). «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. Архивировано (PDF) из оригинала 24 июля 2018 г. Проверено 7 июля 2019 г.
  10. ^ Welle (www.dw.com), Deutsche. «Чешские исследователи разработали революционную атомную теплоэлектростанцию ​​| DW | 07.04.2021». DW.COM . Архивировано из оригинала 9 июня 2021 г. Проверено 16 июня 2021 г.
  11. ^ «Высокая производительность когенерации благодаря инновационной паровой турбине для ТЭЦ, работающей на биомассе, в Иислами, Финляндия» (PDF) . ОПЕТ. Архивировано (PDF) из оригинала 15 июля 2011 года . Проверено 13 марта 2011 г.
  12. ^ «Преобразование выбросов парниковых газов в энергию» (PDF) . «Зеленые» тематические исследования ВОИС, 2014 г. Всемирная организация интеллектуальной собственности. 2014. Архивировано (PDF) из оригинала 13 апреля 2015 года . Проверено 6 апреля 2015 г.
  13. ^ Оливейра, AC; Афонсу, К.; Матос, Дж.; Риффат, С.; Нгуен, М.; Доэрти, П. (2002). «Комбинированная теплоэнергетическая система для зданий, работающая на солнечной энергии и газе». Прикладная теплотехника . 22 (6): 587–593. дои : 10.1016/S1359-4311(01)00110-7.
  14. ^ Ягуб, В.; Доэрти, П.; Риффат, С.Б. (2006). «Система микро-ТЭЦ, работающая на солнечной энергии и газе, для офисного здания». Прикладная теплотехника . 26 (14): 1604–1610. doi :10.1016/j.applthermaleng.2005.11.021.
  15. ^ Пирс, Дж. М. (2009). «Расширение проникновения фотоэлектрической энергии за счет распределенной генерации в жилых домах из гибридных солнечных фотоэлектрических + комбинированных теплоэнергетических систем». Энергия . 34 (11): 1947–1954. CiteSeerX 10.1.1.593.8182 . doi :10.1016/j.energy.2009.08.012. S2CID  109780285. 
  16. ^ Обзор индустрии топливных элементов за 2013 г. Архивировано 14 апреля 2016 г. на Wayback Machine.
  17. ^ ab «Последние события в схеме Эне-Фарм». Архивировано из оригинала 14 апреля 2016 года . Проверено 15 мая 2015 г.
  18. ^ «Запуск нового домашнего продукта на топливных элементах Ene-Farm, более доступного и простого в установке - Новости штаб-квартиры - Panasonic Newsroom Global» . Архивировано из оригинала 10 июля 2014 года . Проверено 15 мая 2015 г.
  19. ^ «Что такое микрогенерация? И что является наиболее экономически эффективным с точки зрения сокращения выбросов CO2» . Архивировано из оригинала 11 июля 2015 года . Проверено 15 мая 2015 г.
  20. ^ Роль микро-ТЭЦ в мире умной энергетики. Архивировано 4 марта 2016 г. в Wayback Machine.
  21. ^ Elsevier Ltd, Бульвар, Лэнгфорд Лейн, Кидлингтон, Оксфорд, OX5 1 ГБ, Великобритания. «Отчет о микро-ТЭЦ вызвал бурную дискуссию об энергетическом будущем Великобритании» . Архивировано из оригинала 20 марта 2016 года . Проверено 15 мая 2015 г.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  22. ^ «ТЭЦ с лучшим соотношением цены и качества, комбинированное производство тепла и электроэнергии и когенерация - Alfagy - прибыльная экологически чистая энергия через ТЭЦ, когенерационный котел и котел на биомассе с использованием древесины, биогаза, природного газа, биодизельного топлива, растительного масла, синтез-газа и соломы» . Архивировано из оригинала 23 апреля 2015 года . Проверено 15 мая 2015 г.
  23. ^ Пент, М (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.
  24. ^ «Покупка ТЭЦ и когенерации - процесс - ТЭЦ и когенерация Alfagy» . Архивировано из оригинала 3 ноября 2012 г. Проверено 3 ноября 2012 г.«Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ или когенерация) для экономии энергии и выбросов углерода в коммерческих зданиях».
  25. ^ Ду, Жоян; Робертсон, Пол (2017). «Экономичный сетевой инвертор для микрокомбинированной теплоэнергетической системы». Транзакции IEEE по промышленной электронике . 64 (7): 5360–5367. дои : 10.1109/TIE.2017.2677340. S2CID  1042325. Архивировано из оригинала 23 февраля 2020 г. Проверено 7 июля 2019 г.
  26. ^ "Микро-ТЭЦ на топливных элементах" . Архивировано из оригинала 06.11.2019 . Проверено 23 октября 2019 г.
  27. ^ «Микрокогенерация топливных элементов» . Архивировано из оригинала 23 октября 2019 г. Проверено 23 октября 2019 г.
  28. ^ «Кларк Энерджи - Топливно-эффективная распределенная генерация» . Кларк Энерджи . Архивировано из оригинала 19 мая 2015 года . Проверено 15 мая 2015 г.
  29. ↑ Топливные элементы и ТЭЦ. Архивировано 18 мая 2012 г., в Wayback Machine.
  30. ^ "Отдел новостей: Steam" . КонЭдисон. Архивировано из оригинала 21 августа 2007 г. Проверено 20 июля 2007 г.
  31. ^ Бевелхаймер, Карл (10 ноября 2003 г.). "Пар". Готэмская газета. Архивировано из оригинала 13 августа 2007 г. Проверено 20 июля 2007 г.
  32. ^ «Микро-ТЭЦ (комбинированное производство тепла и электроэнергии) - системы когенерации» . Виста Проектс Лимитед . 18 марта 2020 г. Архивировано из оригинала 24 июня 2021 г. Проверено 21 июня 2021 г.
  33. ^ Соарес Тейшейра, Роналду (2010). . Использование остатков сахароспирта при изготовлении фиброцемента в процессе экструзии (Диссертация) (на португальском языке). Университет Сан-Паулу.
  34. ^ "Национальный энергетический баланс 2018" . Empresa de Pesquisa Energética. Архивировано из оригинала 22 декабря 2018 года . Проверено 11 марта 2019 г..
  35. ^ Дантас Фильо, 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). Университет Сан-Паулу.
  36. ^ Барбели, Марсело Карлос (2015). . Объединение энергии и ее важности для технического, экономического и окружающего мира (Диссертация) (на португальском языке). Факультет технологий, наук и образования - FATECE.
  37. ^ Томаз В.Л., Гордоно Ф.С., Да Силва Ф.П., Де Кастро, доктор медицинских наук, Эсперидиан М. (2015). «Получение энергии в качестве части багажа в Кана-де-Асукар: исследование многолетнего бизнеса без сетора сукроалколеиро». {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  38. ^ аб Рибейро, Сильвио (2010). Gestãoambiental em usinas do setor sucroalcooleiro: fatores de influência e práticas adotadas (Dissertação) (на португальском языке). Университет Estadual Paulista (UNESP) в Бауру. hdl : 11449/92984 .
  39. ^ ab Yive, NSCK, Тирумалечетти, М. (2008). «Уровни диоксинов в летучей золе, образующейся в результате сгорания жома». Журнал опасных материалов . 155 (1–2): 179–182. дои : 10.1016/j.jhazmat.2007.11.045. ПМИД  18166264.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  40. ^ abc Лоберт, Юрген; Кин, Виллиан; Йевич, Дженнифер (1999). «Глобальные выбросы хлора в результате сжигания биомассы: инвентаризация выбросов реактивного хлора» (PDF) . Журнал геофизических исследований: Атмосфера . Уайли. 104 (Д7): 8373–8389. Бибкод : 1999JGR...104.8373L. дои : 10.1029/1998JD100077 . Архивировано (PDF) из оригинала 26 октября 2019 года . Проверено 11 марта 2019 г.
  41. ^ Агентство по регистрации токсичных веществ и заболеваний (ATSDR) (1998). «Заявление общественного здравоохранения о хлорированных дибензо-п-диоксинах (ХДД)». {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  42. ^ СЮ, Дж., Й.Е., Ю., ХУАН, Ф., ЧЕН, Х., ВУ, ХАНЬ., ХУАН, Дж., Ху, Дж., СЯ, Д., ВУ, Ю (2016). «Связь между диоксином и заболеваемостью и смертностью от рака: метаанализ». Научные отчеты . 6 : 38012. Бибкод : 2016NatSR...638012X. дои : 10.1038/srep38012. ПМК 5126552 . ПМИД  27897234. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  43. ^ Активисты экологической справедливости (ред.). «Диоксины и фураны: самые токсичные химические вещества, известные науке». Архивировано из оригинала 19 марта 2019 года . Проверено 5 марта 2019 г.
  44. ^ «Почему тепло от ТЭЦ является возобновляемым - на основе документа, представленного на конференции IAEE в Вильнюсе (2010 г.)» (PDF) . 14 сентября 2011 г. п. 4, абзац 4. Архивировано (PDF) из оригинала 21 сентября 2017 г. Проверено 25 декабря 2017 г.
  45. ^ Лоу, Р. (2011). «Комбинированное производство тепла и электроэнергии рассматривается как тепловой насос виртуального парового цикла». Энергетическая политика . 39 (9): 5528–5534. doi :10.1016/j.enpol.2011.05.007.
  46. ^ «Было ли bedeutet kalte Nahwärme? (Обновление)» . 17 января 2018 г.
  47. ^ «Системы тригенерации с топливными элементами» (PDF) . Исследовательская работа . Архивировано (PDF) из оригинала 6 октября 2011 года . Проверено 18 апреля 2011 г.
  48. ^ ab «Министерство энергетики - Ископаемая энергия: как работают турбинные электростанции» . Fossil.energy.gov. Архивировано из оригинала 27 мая 2010 года . Проверено 25 сентября 2011 г.
  49. ^ См. тексты по термодинамике в области машиностроения или химической инженерии.
  50. ^ «Биогазовый двигатель Caterpillar HHV мощностью 38%, установленный на очистных сооружениях - Claverton Group» . Архивировано из оригинала 19 августа 2019 года . Проверено 15 мая 2015 г.
  51. ^ «Позиционный документ промышленного форума по энергоэффективности: энергоэффективность — жизненно важный компонент энергетической безопасности» (PDF) .[ постоянная мертвая ссылка ]
  52. ^ «2011 - Эксперты Cogen обсуждают центральную роль когенерации в формировании энергетической политики ЕС» (PDF) . cogeneurope.eu . Архивировано (PDF) из оригинала 20 июня 2017 года . Проверено 28 апреля 2018 г.
  53. ^ «COGEN Europe: Когенерация в обеспечении безопасности энергоснабжения Европейского Союза» (PDF) .[ постоянная мертвая ссылка ]
  54. ^ «Получение электроэнергии по источникам энергии». Архивировано из оригинала 20 февраля 2014 г.
  55. ^ "КВКГ 2002". Архивировано из оригинала 2 февраля 2014 г.
  56. ^ «Действие DEFRA в Великобритании - комбинированное производство тепла и электроэнергии» . Архивировано из оригинала 12 июня 2010 г.
  57. ^ «5-е общее собрание заинтересованных сторон FCH JU» (PDF) . fch-ju.eu . Архивировано (PDF) из оригинала 10 ноября 2013 года . Проверено 28 апреля 2018 г.
  58. Ссылки _ Архивировано из оригинала 2 октября 2016 года . Проверено 15 мая 2015 г.
  59. ^ Общеевропейские полевые испытания бытовых микро-ТЭЦ на топливных элементах. Архивировано 9 ноября 2016 г. в Wayback Machine.
  60. ^ Грант ene.field № 303462. Архивировано 10 ноября 2013 г., в Wayback Machine.
  61. ^ «Комбинированная программа обеспечения качества тепла и электроэнергии» . decc.gov.uk. _ Архивировано из оригинала 30 октября 2014 года . Проверено 28 апреля 2018 г.
  62. ^ «Первая в мире коммерческая электростанция была когенерационной установкой» . Архивировано из оригинала 25 апреля 2008 г. Проверено 15 июня 2008 г.
  63. ^ «Мировой обзор децентрализованной энергетики» (PDF) . Май 2006 г. Архивировано (PDF) из оригинала 6 января 2009 г. Проверено 27 июля 2008 г.
  64. ^ «Восемь центров применения чистой энергии». Архивировано из оригинала 15 апреля 2013 г. Проверено 24 февраля 2010 г.{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
  65. ^ «Данные по электроэнергии». Архивировано из оригинала 31 мая 2015 г.
  66. ^ "Энергия Новой Англии". Архивировано из оригинала 23 января 2015 г.
  67. ^ Мастерс, Гилберт (2004). Возобновляемые и эффективные электроэнергетические системы . Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press.