Система рекуперации энергии Berner Tricoil на крыше Центра устойчивых ландшафтов в Питтсбурге, штат Пенсильвания
Рекуперация энергии включает в себя любую технику или метод минимизации ввода энергии в общую систему путем обмена энергией из одной подсистемы общей системы в другую. Энергия может быть в любой форме в любой подсистеме, но большинство систем рекуперации энергии обмениваются тепловой энергией либо в явной , либо в скрытой форме.
В некоторых обстоятельствах использование поддерживающей технологии, либо ежедневного хранения тепловой энергии , либо сезонного хранения тепловой энергии (STES, которая позволяет хранить тепло или холод между противоположными сезонами), необходимо для того, чтобы сделать рекуперацию энергии осуществимой. Одним из примеров является отходящее тепло от оборудования для кондиционирования воздуха , хранящееся в буферном резервуаре для помощи в ночном отоплении .
Принцип
Распространенное применение этого принципа — в системах, имеющих поток выхлопных газов или отходов , который передается из системы в окружающую среду. Часть энергии в этом потоке материала (часто газообразном или жидком ) может быть передана в подпиточный или входящий поток материала. Этот входящий поток массы часто поступает из окружения системы, которое, находясь в условиях окружающей среды, имеет более низкую температуру, чем поток отходов . Эта разность температур обеспечивает передачу тепла и, следовательно, передачу энергии или, в данном случае, рекуперацию. Тепловая энергия часто восстанавливается из потоков жидких или газообразных отходов в свежий подпиточный воздух и водозаборы в зданиях , например, для систем HVAC или технологических систем.
Системный подход
Потребление энергии является ключевой частью большинства видов деятельности человека. Это потребление включает преобразование одной энергетической системы в другую , например: преобразование механической энергии в электрическую, которая затем может питать компьютеры, освещение, двигатели и т. д. Входная энергия приводит в движение работу и в основном преобразуется в тепло или следует за продуктом в процессе как выходная энергия. Системы рекуперации энергии собирают выходную энергию и предоставляют ее как входную энергию для того же или другого процесса.
Система рекуперации энергии замкнет этот энергетический цикл , предотвратив возврат входящей энергии в природу и предоставив возможность ее использования в других формах желаемой работы.
Примеры
Рекуперация тепла осуществляется в источниках тепла, например, сталелитейном заводе . Нагретая охлаждающая вода из процесса продается для отопления домов, магазинов и офисов в близлежащей местности.
Рекуперативное торможение используется в электромобилях, поездах, тяжелых кранах и т. д., где энергия, потребляемая при повышении потенциала, возвращается поставщику электроэнергии при высвобождении.
Активные системы снижения давления, в которых перепад давления в потоке жидкости под давлением восстанавливается, а не преобразуется в тепло в редукционном клапане и высвобождается.
Электрическое турбокомпаундирование (ETC) — это технологическое решение проблемы повышения топливной экономичности газовых и дизельных двигателей за счет рекуперации отработанной энергии из выхлопных газов.
СТЭС
На литейном заводе в Швеции отработанное тепло извлекается и хранится в большой массе коренной породы, которая пронизана группой из 140 скважин, оборудованных теплообменниками (диаметром 155 мм), глубиной 150 м. Это хранилище используется для отопления соседнего завода по мере необходимости, даже спустя месяцы. [2]
Drake Landing Solar Community в Альберте , Канада, использует STES для восстановления и использования естественного тепла, которое в противном случае было бы потрачено впустую. Сообщество использует группу скважин в коренной породе для межсезонного хранения тепла, и это позволяет получать 97 процентов круглогодичного отопления помещений от солнечных тепловых коллекторов на крышах гаражей. [3] [4]
Холодные зимние температуры можно восстановить, пропуская воду через сухую градирню и используя ее для охлаждения глубокого водоносного слоя или кластера скважин. Холод затем извлекается из хранилища для летнего кондиционирования воздуха. [5] С коэффициентом производительности (COP) от 20 до 40 этот метод охлаждения может быть в десять раз эффективнее обычного кондиционирования воздуха. [6]
Воздействие на окружающую среду
Существует большой потенциал для рекуперации энергии в компактных системах, таких как крупные промышленные предприятия и коммунальные службы. Вместе с энергосбережением , должно быть возможно резко сократить мировое потребление энергии . Эффект этого будет следующим:
Изменение отраслей и экономик не полностью изучено
В 2008 году Том Кастен , председатель Recycled Energy Development , заявил: « Мы считаем, что могли бы производить около 19–20 процентов электроэнергии в США с помощью тепла, которое в настоящее время выбрасывается промышленностью » . [7]
Исследование Министерства энергетики 2007 года выявило потенциал для 135 000 мегаватт комбинированного производства тепла и электроэнергии (с использованием рекуперации энергии) в США, [8] а исследование Национальной лаборатории Лоуренса Беркли выявило около 64 000 мегаватт, которые можно было бы получить из энергии промышленных отходов, не считая ТЭЦ. [9] Эти исследования показывают, что около 200 000 мегаватт, или 20%, от общей мощности электроэнергии может быть получено за счет переработки энергии в США. Широкое использование переработки энергии может, таким образом, сократить выбросы, связанные с глобальным потеплением, примерно на 20 процентов. [10] Действительно, по состоянию на 2005 год около 42% загрязнения парниковых газов в США приходилось на производство электроэнергии и 27% на производство тепла. [11] [12]
Трудно количественно оценить воздействие на окружающую среду внедрения глобальной рекуперации энергии в некоторых секторах. Основные препятствия: [ необходима цитата ]
Отсутствие эффективных технологий для частных домов. Системы рекуперации тепла в частных домах могут иметь эффективность всего 30% и ниже. Возможно, более реалистичным будет использование энергосбережения, например, теплоизоляции или улучшенных зданий. Многие районы больше зависят от принудительного охлаждения, а системы извлечения тепла из жилищ для использования в других целях не являются широкодоступными.
Неэффективная инфраструктура. В частности, рекуперация тепла требует небольшого расстояния от производителя до потребителя, чтобы быть жизнеспособной. Решением может быть перемещение крупного потребителя в непосредственной близости от производителя. Это может иметь другие осложнения.
Транспортный сектор не готов. Поскольку транспортный сектор использует около 20% энергоснабжения, большая часть энергии тратится на преодоление гравитации и трения. Электромобили с рекуперативным торможением кажутся лучшими кандидатами для рекуперации энергии. Ветровые системы на кораблях находятся в стадии разработки. В этой области известно очень мало работ по авиационной отрасли .
^ Андерссон, О.; Хэгг, М. (2008 г.), «Результат 10 – Швеция – Предварительный проект сезонного аккумулятора тепла для ITT Flygt, Эммабода, Швеция», IGEIA – Интеграция геотермальной энергии в промышленные применения, стр. 38–56 и 72–76, получено 21 апреля 2013 г.
↑ Вонг, Билл (28 июня 2011 г.), «Drake Landing Solar Community» Архивировано 04.03.2016 в Wayback Machine , конференция IDEA/CDEA District Energy/CHP 2011, Торонто, стр. 1–30, получено 21 апреля 2013 г.
^ Вонг Б., Торнтон Дж. (2013). Интеграция солнечных и тепловых насосов. Архивировано 15 октября 2013 г. на семинаре по возобновляемому теплу Wayback Machine .
^ Paksoy, H.; Stiles, L. (2009), «Система холодного хранения тепловой энергии водоносного слоя в колледже Ричарда Стоктона». Архивировано 12 января 2014 г. в Wayback Machine , Effstock 2009 (11-я международная выставка) – Хранение тепловой энергии для эффективности и устойчивого развития, Стокгольм.
^ Виллемсен, Г. 1998. Геотермальные тепловые насосные системы открытого контура в США и водоносные холодные хранилища в Нидерландах – сходства и различия. Вторая международная геотермальная конференция в Стоктоне. 16 и 17 марта 1998 г.
^ Брюс Хедман, Анализ энергетики и окружающей среды/USCHPA, «Комбинированное производство тепла и электроэнергии и рекуперация тепла как варианты повышения энергоэффективности», Брифинг для сенатского комитета по возобновляемым источникам энергии, 10 сентября 2007 г., Вашингтон, округ Колумбия.
^ Бейли, Оуэн; Уоррелл, Эрнст (2005). «Технологии чистой энергии: предварительный перечень потенциала для генерации электроэнергии», Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, 4/05 (PDF) . doi :10.2172/843010.
^ «Управление энергетической информации, Существующие мощности по источникам энергии, 2006».
