stringtranslate.com

Когенерация

Диаграмма, сравнивающая потери при 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 является более эффективным использованием топлива или тепла, поскольку в противном случае теряемое тепло от выработки электроэнергии используется продуктивно. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) восстанавливают в противном случае теряемую тепловую энергию для отопления . Это также называется комбинированным теплоснабжением. Малые ТЭЦ являются примером децентрализованной энергетики . [2] Побочное тепло при умеренных температурах (100–180 °C (212–356 °F)) также может использоваться в абсорбционных холодильниках для охлаждения.

Подача высокотемпературного тепла сначала приводит в действие газовый или паровой турбинный генератор. Полученное низкотемпературное отработанное тепло затем используется для нагрева воды или помещений. В меньших масштабах (обычно ниже 1 МВт) может использоваться газовый двигатель или дизельный двигатель . Когенерация также распространена на геотермальных электростанциях, поскольку они часто производят относительно низкопотенциальное тепло . Бинарные циклы могут быть необходимы для достижения приемлемой тепловой эффективности для выработки электроэнергии вообще. Когенерация реже используется на атомных электростанциях , таких как NIMBY , и соображения безопасности часто держали их дальше от населенных пунктов, чем сопоставимые химические электростанции, а централизованное теплоснабжение менее эффективно в районах с низкой плотностью населения из-за потерь при передаче.

Когенерация практиковалась в некоторых из самых ранних установок по производству электроэнергии. До того, как центральные станции начали распределять электроэнергию, отрасли, вырабатывающие собственную электроэнергию, использовали отработанный пар для технологического нагрева. Крупные офисные и жилые здания, гостиницы и магазины обычно вырабатывали собственную электроэнергию и использовали отработанный пар для отопления зданий. Из-за высокой стоимости ранней покупной электроэнергии эти операции ТЭЦ продолжались в течение многих лет после того, как стало доступно коммунальное электричество. [3]

Обзор

Электростанция Masnedø CHP в Дании . Эта станция сжигает солому в качестве топлива. Соседние теплицы отапливаются централизованным теплоснабжением от станции.

Многие перерабатывающие отрасли промышленности, такие как химические заводы , нефтеперерабатывающие заводы и целлюлозно- бумажные фабрики , 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 быть получено при обычно низких давлениях, используемых в отоплении, или может быть получено при гораздо более высоком давлении и сначала пропущено через турбину для выработки электроэнергии. В турбине давление и температура пара понижаются, поскольку внутренняя энергия пара преобразуется в работу. Пар с более низким давлением, выходящий из турбины, затем может быть использован для технологического тепла.

Паровые турбины на тепловых электростанциях обычно проектируются для питания паром высокого давления, который выходит из турбины в конденсаторе, работающем на несколько градусов выше температуры окружающей среды и при абсолютном давлении в несколько миллиметров ртутного столба. (Это называется конденсационной турбиной.) Для всех практических целей этот пар имеет незначительную полезную энергию до того, как он конденсируется. Паровые турбины для когенерации проектируются для извлечения некоторого количества пара при более низких давлениях после того, как он прошел через ряд ступеней турбины, при этом неизвлеченный пар проходит через турбину в конденсатор. В этом случае извлеченный пар вызывает потерю механической мощности на последующих ступенях турбины. Или они проектируются, с извлечением или без него, для окончательного выпуска при противодавлении (без конденсации). [4] [5] Извлеченный или отработанный пар используется для технологического нагрева. Пар при обычных условиях технологического нагрева все еще имеет значительное количество энтальпии , которое можно было бы использовать для выработки электроэнергии, поэтому когенерация имеет альтернативную стоимость .

Типичная турбина для выработки электроэнергии на бумажной фабрике может иметь давление отбора 160 и 60 фунтов на квадратный дюйм (1,10 и 0,41 МПа). Типичное противодавление может составлять 60 фунтов на квадратный дюйм (0,41 МПа). На практике эти давления проектируются индивидуально для каждого объекта. И наоборот, простое производство технологического пара для промышленных целей вместо достаточно высокого давления для выработки электроэнергии на верхнем конце также имеет альтернативные издержки (см.: Условия подачи и выпуска пара ). Капитальные и эксплуатационные расходы котлов высокого давления, турбин и генераторов значительны. Это оборудование обычно работает непрерывно , что обычно ограничивает самогенерируемую электроэнергию крупномасштабными операциями.

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

Комбинированный цикл ( в котором несколько термодинамических циклов производят электроэнергию) может также использоваться для извлечения тепла с использованием системы отопления в качестве конденсатора основного цикла электростанции . Например, МГД-генератор РУ-25 в Москве нагревал котел для обычной паровой электростанции, конденсат которой затем использовался для отопления помещений. Более современная система может использовать газовую турбину, работающую на природном газе , выхлопные газы которой питают паровую установку, конденсат которой обеспечивает тепло. Когенерационные установки на основе энергоблока комбинированного цикла могут иметь тепловой КПД более 80%.

Жизнеспособность ТЭЦ (иногда называемая коэффициентом использования), особенно в небольших установках ТЭЦ, зависит от хорошей базовой нагрузки работы, как с точки зрения спроса на электроэнергию на месте (или вблизи места), так и спроса на тепло. На практике точное соответствие между потребностями в тепле и электроэнергии существует редко. ТЭЦ может либо удовлетворять потребность в тепле ( работа на тепле ), либо работать как электростанция с некоторым использованием своего отходящего тепла, причем последний вариант менее выгоден с точки зрения коэффициента использования и, следовательно, общей эффективности. Жизнеспособность может быть значительно повышена там, где существуют возможности для тригенерации. В таких случаях тепло от ТЭЦ также используется в качестве первичного источника энергии для охлаждения с помощью абсорбционного охладителя .

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 тяжелой изоляцией, которые дороги и неэффективны; тогда как электричество можно передавать по сравнительно простому проводу и на гораздо большие расстояния с той же потерей энергии.

Автомобильный двигатель становится ТЭЦ зимой, когда отбрасываемое тепло полезно для обогрева салона транспортного средства. Этот пример иллюстрирует тот факт, что развертывание ТЭЦ зависит от использования тепла в непосредственной близости от теплового двигателя.

Заводы по термически улучшенной добыче нефти (TEOR) часто производят значительное количество избыточной электроэнергии. После выработки электроэнергии эти заводы закачивают остаточный пар в скважины с тяжелой нефтью, чтобы нефть текла легче, увеличивая добычу.

Когенерационные установки обычно используются в системах централизованного теплоснабжения городов, системах центрального отопления крупных зданий (например, больниц, гостиниц, тюрем) и широко используются в промышленности в процессах термического производства для технической воды, охлаждения, производства пара или удобрения CO2 .

Электростанция Росток , комбинированная теплоэлектростанция, работающая на битуминозном угле в Германии.

Тригенерация или комбинированное охлаждение, тепло и электроэнергия ( CCHP ) относится к одновременной генерации электроэнергии и полезного тепла и охлаждения за счет сжигания топлива или солнечного теплового коллектора. Термины когенерация и тригенерация также могут применяться к энергосистемам, одновременно генерирующим электроэнергию, тепло и промышленные химикаты (например, синтез-газ ). Тригенерация отличается от когенерации тем, что отходящее тепло используется как для отопления, так и для охлаждения, как правило, в абсорбционном холодильнике. Комбинированные системы охлаждения, тепла и электроэнергии могут достигать более высокой общей эффективности, чем когенерация или традиционные электростанции. В Соединенных Штатах применение тригенерации в зданиях называется охлаждением, отоплением и электроэнергией зданий. Отопление и охлаждение могут работать одновременно или попеременно в зависимости от потребности и конструкции системы.

Виды растений

Электростанция Ханасаари , угольная когенерационная электростанция в Хельсинки , Финляндия

Установки цикла Topping в первую очередь производят электроэнергию с помощью паровой турбины. Частично расширенный пар затем конденсируется в нагревательном конденсаторе при уровне температуры, который подходит, например, для централизованного теплоснабжения или опреснения воды .

Установки нижнего цикла производят высокотемпературное тепло для промышленных процессов, затем котел- утилизатор отработанного тепла питает электростанцию. Установки нижнего цикла используются только в промышленных процессах, требующих очень высоких температур, таких как печи для производства стекла и металла, поэтому они менее распространены.

Крупные системы когенерации обеспечивают тепловую воду и электроэнергию для промышленного объекта или целого города. Распространенные типы установок ТЭЦ:

Меньшие когенерационные установки могут использовать поршневой двигатель или двигатель Стирлинга . Тепло отводится от выхлопных газов и радиатора. Системы популярны в небольших размерах, поскольку небольшие газовые и дизельные двигатели дешевле, чем небольшие газовые или масляные паровые электростанции.

Некоторые когенерационные установки работают на биомассе [ 11] или промышленных и муниципальных твердых отходах (см. сжигание ). Некоторые ТЭЦ используют отработанный газ в качестве топлива для производства электроэнергии и тепла. Отработанные газы могут быть газом из отходов животных , свалочным газом , газом из угольных шахт , канализационным газом и горючим промышленным отработанным газом. [12]

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

МикроТЭЦ

Микрокомбинированное производство тепла и электроэнергии или «микрокогенерация» — это так называемый распределенный источник энергии (DER). Мощность установки обычно составляет менее 5  кВт э в доме или на небольшом предприятии. Вместо того чтобы сжигать топливо только для обогрева помещения или воды, часть энергии преобразуется в электричество в дополнение к теплу. Это электричество можно использовать в доме или на предприятии или, если это разрешено руководством сети, продавать обратно в электросеть.

Консультанты Delta-ee заявили в 2013 году, что с 64% мировых продаж микрокомбинированные системы производства тепла и электроэнергии на топливных элементах обогнали обычные системы по продажам в 2012 году. [16] В 2012 году в Японии было продано 20 000 единиц в рамках проекта Ene Farm. Срок службы составил около 60 000 часов. Для блоков топливных элементов PEM , которые отключаются ночью, это соответствует предполагаемому 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]

Установки MicroCHP используют пять различных технологий: микротурбины , двигатели внутреннего сгорания , двигатели Стирлинга , паровые двигатели замкнутого цикла и топливные элементы . Один автор указал в 2008 году, что MicroCHP на основе двигателей Стирлинга является наиболее экономически эффективной из так называемых технологий микрогенерации для снижения выбросов углерода. [19] В отчете Ecuity Consulting за 2013 год по Великобритании говорится, что MCHP является наиболее экономически эффективным методом использования газа для выработки энергии на бытовом уровне. [20] [21] Однако достижения в технологии поршневых двигателей повышают эффективность установок комбинированного производства электроэнергии и тепла, особенно в области биогаза . [22] Поскольку и MiniCHP, и CHP продемонстрировали способность сокращать выбросы [23], они могут сыграть большую роль в области сокращения выбросов CO2 в зданиях, где более 14% выбросов можно сэкономить с помощью комбинированного производства электроэнергии и тепла в зданиях. [24] В 2017 году Кембриджский университет сообщил о создании экономически эффективного прототипа парового двигателя MicroCHP, который может стать коммерчески конкурентоспособным в последующие десятилетия. [25] Совсем недавно в некоторых частных домах можно было встретить 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 используется паровая конверсия природного газа для преобразования природного газа в водород перед использованием в топливном элементе. Таким образом, это все еще приводит к выбросам CO2 ( см. реакцию), но (временно) работа на этом может быть хорошим решением до тех пор, пока водород не начнет распределяться по системе трубопроводов (природного газа).

Другой пример MicroCHP — это работающая на природном газе или пропане конденсационная печь для производства электроэнергии. Она сочетает в себе технологию экономии топлива когенерации, то есть производство электроэнергии и полезного тепла из одного источника сгорания. Конденсационная печь — это газовая система с принудительной подачей воздуха со вторичным теплообменником, которая позволяет извлекать тепло из продуктов сгорания до температуры окружающей среды, а также рекуперировать тепло из водяного пара. Дымоход заменяется водостоком и вентиляционным отверстием в сторону здания.

Тригенерация

Тригенерационный цикл

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 централизованное теплоснабжение и электроснабжение

В Соединенных Штатах компания Consolidated Edison ежегодно распределяет 66 миллиардов килограммов пара температурой 350 °F (177 °C) через свои семь когенерационных установок в 100 000 зданий в Манхэттене — крупнейшем паровом районе в Соединенных Штатах. Пиковая поставка составляет 10 миллионов фунтов в час (или примерно 2,5 ГВт). [30] [31]

Промышленная ТЭЦ

Когенерация по-прежнему распространена на целлюлозно-бумажных комбинатах , нефтеперерабатывающих заводах и химических заводах. В этой «промышленной когенерации/ТЭЦ» тепло обычно восстанавливается при более высоких температурах (выше 100 °C) и используется для технологического пара или сушки. Это более ценно и гибко, чем низкосортное отработанное тепло, но есть небольшая потеря выработки электроэнергии. Повышенное внимание к устойчивости сделало промышленные ТЭЦ более привлекательными, поскольку они существенно сокращают углеродный след 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 вариант для автономного использования в различных удаленных приложениях с целью сокращения выбросов углерода. [32]

Давление коммунальных служб по сравнению с собственными промышленными источниками

Промышленные когенерационные установки обычно работают при гораздо более низких давлениях котлов, чем коммунальные. Среди причин:

  1. Когенерационные установки сталкиваются с возможным загрязнением возвращаемого конденсата. Поскольку котловая питательная вода от когенерационных установок имеет гораздо более низкие показатели возврата, чем 100% конденсационные электростанции, промышленности обычно приходится обрабатывать пропорционально больше котловой подпиточной воды. Котловая питательная вода должна быть полностью бескислородной и деминерализованной, и чем выше давление, тем критичнее уровень чистоты питательной воды. [5]
  2. Коммунальные предприятия, как правило, являются более масштабными предприятиями, чем промышленные предприятия, что помогает компенсировать более высокие капитальные затраты на высокое давление.
  3. На предприятиях коммунального обслуживания вероятность резких колебаний нагрузки ниже, чем на промышленных предприятиях, где приходится останавливать или запускать блоки, на которые может приходиться значительная доля спроса на пар или электроэнергию.

Парогенераторы с рекуперацией тепла

Парогенератор -утилизатор (HRSG) — это паровой котел, который использует горячие выхлопные газы газовых турбин или поршневых двигателей на ТЭЦ для нагрева воды и выработки пара . 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:

Когенерация с использованием биомассы

Биомасса относится к любому растительному или животному материалу, который может быть повторно использован 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 в плане производства энергии из биомассы. [33]

Растущим сектором использования биомассы для производства электроэнергии является сектор производства 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 спиртовой промышленности

В сахарной промышленности когенерация осуществляется за счет остатков жома от переработки сахара, которые сжигаются для получения пара. Часть пара может быть направлена ​​через турбину , которая вращает генератор, вырабатывая электроэнергию. [35]

Когенерация энергии в сахарной промышленности, расположенной в Бразилии, является практикой, которая растет в последние годы. С принятием когенерации энергии в секторе сахара и алкоголя, сахарная промышленность может удовлетворить спрос на электроэнергию, необходимую для работы, и генерировать излишки, которые могут быть коммерциализированы. [36] [37]

Преимущества когенерации с использованием жома сахарного тростника

По сравнению с выработкой электроэнергии с помощью термоэлектрических установок, работающих на ископаемом топливе, таком как природный газ , выработка энергии с использованием жома сахарного тростника имеет экологические преимущества за счет сокращения выбросов CO2 . [38]

В дополнение к экологическим преимуществам, когенерация с использованием жома сахарного тростника имеет преимущества с точки зрения эффективности по сравнению с термоэлектрической генерацией, за счет конечного назначения произведенной энергии. В то время как при термоэлектрической генерации часть произведенного тепла теряется, при когенерации это тепло может быть использовано в производственных процессах, что повышает общую эффективность процесса. [38]

Недостатки когенерации с использованием жома сахарного тростника

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

Из-за этого поглощения, когда жом сахарного тростника сжигается в когенерационной установке, в конечном итоге выделяются диоксины [39] и метилхлорид [40] . В случае диоксинов эти вещества считаются очень токсичными и канцерогенными. [41] [42] [43]

В случае метилхлорида, когда это вещество выбрасывается и достигает стратосферы , оно становится очень вредным для озонового слоя, поскольку хлор при соединении 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 становится более интенсивным, и происходит ухудшение глобального потепления . [40]

Сравнение с тепловым насосом

Тепловой насос можно сравнить с блоком ТЭЦ следующим образом. Если для подачи тепловой энергии отработанный пар из турбогенератора должен быть взят при более высокой температуре, чем та, при которой система будет производить большую часть электроэнергии, то потерянная выработка электроэнергии будет такой, как если бы тепловой насос использовался для обеспечения того же тепла, забирая электроэнергию из генератора, работающего при более низкой выходной температуре и более высокой эффективности. [44] Обычно на каждую единицу потерянной электроэнергии выделяется около 6 единиц тепла при температуре около 90 °C (194 °F). Таким образом, ТЭЦ имеет эффективный коэффициент полезного действия (КПД) по сравнению с тепловым насосом, равный 6. [45] Однако для дистанционно управляемого теплового насоса необходимо учитывать потери в электрической распределительной сети, порядка 6%. Поскольку потери пропорциональны квадрату тока, в пиковые периоды потери намного выше, и вполне вероятно, что широкое распространение (т. е. применение тепловых насосов по всему городу) приведет к перегрузке распределительных и передающих сетей, если они не будут существенно усилены.

Также возможно запустить тепловой привод в сочетании с тепловым насосом, где избыточное электричество (поскольку потребность в тепле является определяющим фактором на se [ необходимо разъяснение ] ) используется для приведения в действие теплового насоса. По мере увеличения потребности в тепле вырабатывается больше электроэнергии для приведения в действие теплового насоса, а отходящее тепло также нагревает нагревательную жидкость.

Поскольку эффективность тепловых насосов зависит от разницы температур горячего и холодного концов (эффективность возрастает по мере уменьшения разницы), может быть целесообразно объединить даже относительно низкосортное отработанное тепло, которое в противном случае не подходит для отопления дома, с тепловыми насосами. Например, достаточно большой резервуар охлаждающей воды при 15 °C (59 °F) может значительно повысить эффективность тепловых насосов, работающих из такого резервуара, по сравнению с тепловыми насосами с воздушным источником, работающими из холодного воздуха ночью при температуре −20 °C (−4 °F). Летом, когда есть спрос и на кондиционирование воздуха , и на теплую воду, одна и та же вода может даже служить как «свалкой» для отработанного тепла, отводимого кондиционерами, так и «источником» для тепловых насосов, обеспечивающих теплую воду. Эти соображения лежат в основе того, что иногда называют «холодным централизованным отоплением», использующим источник «тепла», температура которого значительно ниже той, которая обычно используется в централизованном отоплении. [46]

Распределенная генерация

Большинство индустриальных стран генерируют большую часть своей потребности в электроэнергии на крупных централизованных объектах с большой мощностью выработки электроэнергии. Эти установки выигрывают от экономии масштаба, но могут нуждаться в передаче электроэнергии на большие расстояния, что приводит к потерям при передаче. Производство когенерации или тригенерации ограничено местным спросом и, таким образом, иногда может нуждаться в сокращении (например, производство тепла или холода для соответствия спросу). Примером применения когенерации с тригенерацией в крупном городе является паровая система Нью-Йорка .

Тепловая эффективность

Каждый тепловой двигатель подчиняется теоретическим пределам эффективности цикла Карно или подмножества цикла Ренкина в случае паротурбинных электростанций или цикла Брайтона в газотурбинных с паротурбинными установками. Большая часть потери эффективности при выработке пара связана со скрытой теплотой испарения пара, которая не извлекается, когда турбина выпускает свой пар низкой температуры и давления в конденсатор. (Обычный пар в конденсаторе будет иметь абсолютное давление в несколько миллиметров и на порядок на 5 °C (41 °F) горячее, чем температура охлаждающей воды, в зависимости от мощности конденсатора.) При когенерации этот пар выходит из турбины при более высокой температуре, где он может быть использован для технологического тепла, отопления зданий или охлаждения с помощью абсорбционного охладителя . Большая часть этого тепла происходит от скрытой теплоты испарения при конденсации пара.

Тепловая эффективность в системе когенерации определяется как:

Где:

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

Где:

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

Обычные центральные угольные или атомные электростанции преобразуют около 33–45% своего входящего тепла в электричество. [48] [5] Электростанции с циклом Брайтона работают с эффективностью до 60%. В случае обычных электростанций примерно 10–15% этого тепла теряется в дымовой трубе котла. Большая часть оставшегося тепла выходит из турбин в виде низкосортного отработанного тепла без существенного локального использования, поэтому оно обычно выбрасывается в окружающую среду, как правило, в охлаждающую воду, проходящую через конденсатор. [5] Поскольку выхлоп турбины обычно чуть выше температуры окружающей среды, некоторая потенциальная выработка электроэнергии приносится в жертву, отводя более горячий пар из турбины для целей когенерации. [49]

Для того, чтобы когенерация была практичной, производство электроэнергии и конечное использование тепла должны находиться в относительно близком расстоянии (обычно <2 км). Даже если эффективность небольшого распределенного электрогенератора может быть ниже, чем у большой центральной электростанции, использование его отработанного тепла для локального отопления и охлаждения может привести к общему использованию первичного топлива до 80%. [48] Это обеспечивает существенные финансовые и экологические выгоды.

Расходы

Обычно для газовой электростанции полная стоимость установки за кВт электроэнергии составляет около 400 фунтов стерлингов/кВт (577 долларов США), что сопоставимо с крупными центральными электростанциями. [50]

История

Когенерация в Европе

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

ЕС активно включил когенерацию в свою энергетическую политику через Директиву о ТЭЦ . В сентябре 2008 года на слушаниях в Интергруппе по городскому размещению Европейского парламента комиссар по энергетике Андрис Пиебалгс заявил: «Надежность поставок действительно начинается с энергоэффективности ». [51] Энергоэффективность и когенерация признаются в первых параграфах Директивы Европейского союза о когенерации 2004/08/EC. Эта директива направлена ​​на поддержку когенерации и установление метода расчета возможностей когенерации для каждой страны. Развитие когенерации было очень неравномерным на протяжении многих лет и на протяжении последних десятилетий доминировало в зависимости от национальных обстоятельств.

Европейский союз вырабатывает 11% электроэнергии с помощью когенерации. [52] Однако существует большая разница между государствами-членами с колебаниями экономии энергии от 2% до 60%. В Европе есть три страны с самой интенсивной в мире экономикой когенерации: Дания, Нидерланды и Финляндия. [53] Из 28,46 ТВт·ч электроэнергии, выработанной обычными 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% от общего спроса страны на электроэнергию может быть обеспечено за счет когенерации. На данный момент Германия поставила цель удвоить свою когенерацию электроэнергии с 12,5% от всей электроэнергии страны до 25% от всей электроэнергии страны к 2020 году и приняла соответствующее законодательство. [55] 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 получать не менее 15% своего государственного потребления электроэнергии от ТЭЦ к 2010 году. [56] Другими мерами Великобритании по стимулированию роста ТЭЦ являются финансовые стимулы, поддержка грантов, более широкая нормативная база, а также государственное руководство и партнерство.

Согласно моделированию расширения когенерации для стран G8, проведенному МЭА в 2008 году, 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 ТВт·ч до 465 ТВт·ч в 2030 году. Это также приведет к увеличению общего объема когенерированной электроэнергии в каждой стране на 16–29% к 2030 году.

Правительствам в их начинаниях в области когенерации помогают такие организации, как COGEN Europe , которые служат информационным центром для самых последних обновлений в энергетической политике Европы. COGEN — это зонтичная организация Европы, представляющая интересы когенерационной отрасли.

Проект Европейского государственно-частного партнерства « Совместное предприятие по топливным элементам и водороду» ene.field в 2017 году [57] развернет до 1000 установок комбинированного производства тепла и электроэнергии на топливных элементах ( микро-ТЭЦ ) в 12 штатах. По состоянию на 2012 год были установлены первые 2 установки. [58] [59] [60]

Когенерация в Соединенном Королевстве

В Соединенном Королевстве схема обеспечения качества комбинированного производства тепла и электроэнергии регулирует комбинированное производство тепла и электроэнергии. Она была введена в 1996 году. Она определяет, посредством расчета входов и выходов, «хорошее качество ТЭЦ» с точки зрения достижения первичной экономии энергии по сравнению с обычной раздельной генерацией тепла и электроэнергии. Соблюдение требований обеспечения качества комбинированного производства тепла и электроэнергии требуется для установок когенерации, чтобы иметь право на государственные субсидии и налоговые льготы. [61]

Когенерация в Соединенных Штатах

Теплоэлектростанция Кендалл мощностью 250  МВт в Кембридже, Массачусетс

Возможно, первое современное использование переработки энергии было осуществлено Томасом Эдисоном . Его станция Pearl Street Station 1882 года , первая в мире коммерческая электростанция, была комбинированной теплоэлектростанцией, производившей как электроэнергию, так и тепловую энергию, а также использовавшей отработанное тепло для обогрева соседних зданий. [62] Переработка позволила заводу Эдисона достичь примерно 50-процентной эффективности.

К началу 1900-х годов появились правила, поощряющие электрификацию сельской местности посредством строительства централизованных заводов, управляемых региональными коммунальными службами. Эти правила не только поощряли электрификацию всей сельской местности, но и препятствовали децентрализованной генерации электроэнергии, такой как когенерация.

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

Количество когенерационных установок быстро росло, и вскоре они стали производить около 8% всей энергии в Соединенных Штатах. [63] Однако законопроект оставил реализацию и обеспечение соблюдения на усмотрение отдельных штатов, в результате чего во многих частях страны делалось мало или вообще ничего. [ необходима цитата ]

Министерство энергетики США поставило перед собой амбициозную цель: к 2030 году доля ТЭЦ в генерирующих мощностях должна составить 20%. [ требуется ссылка ] По всей стране было создано восемь Центров применения чистой энергии [64] . Их миссия заключается в разработке необходимых знаний о применении технологий и образовательной инфраструктуры, необходимых для продвижения технологий «чистой энергии» (комбинированное производство тепла и электроэнергии, утилизация отработанного тепла и централизованное энергоснабжение) в качестве жизнеспособных вариантов энергии и снижения любых предполагаемых рисков, связанных с их внедрением. Основное внимание Центров применения направлено на обеспечение программы охвата и внедрения технологий для конечных пользователей, политиков, коммунальных служб и заинтересованных сторон в 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, отопления и электроснабжения: [67]

Ядерный

Возобновляемый

Смотрите также

Дальнейшее чтение

Ссылки

  1. ^ "Как когенерация обеспечивает тепло и электроэнергию?". Scientific American . Архивировано из оригинала 2019-11-27 . Получено 2019-11-27 .
  2. ^ "Что такое децентрализованная энергия?". База знаний по децентрализованной энергии. Архивировано из оригинала 2008-12-10.
  3. ^ Хантер, Луис К.; Брайант, Линвуд (1991). История промышленной власти 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 противодавлением турбогенераторов" (PDF) . nrel.gov . Архивировано (PDF) из оригинала 21 декабря 2016 г. . Получено 28 апреля 2018 г. .
  5. ^ abcd Пар — его генерация и использование. Babcock & Wilcox. 1913.
  6. ^ "Finning Caterpillar Gas Engine CHP Ratings". Архивировано из оригинала 18 мая 2015 г. Получено 15 мая 2015 г.
  7. ^ "Полная газовая ТЭЦ-электростанция Deutz мощностью 7 МВт (2 x 3,5 МВт) на продажу". Claverton Energy Research Group. Архивировано из оригинала 2013-09-30.
  8. ^ http://www.elforsk.se/nyhet/seminarie/Elforskdagen%20_10/webb_varme/d_welander.pdf [ постоянная мертвая ссылка ] [шведский]
  9. ^ Локателли, Джорджио; Фиордалисо, Андреа; Боарин, Сара; Рикотти, Марко Э. (01.05.2017). «Когенерация: вариант для облегчения отслеживания нагрузки в малых модульных реакторах» (PDF) . Прогресс в ядерной энергетике . 97 : 153–161. Bibcode :2017PNuE...97..153L. doi :10.1016/j.pnucene.2016.12.012. Архивировано (PDF) из оригинала 24.07.2018 . Получено 07.07.2019 .
  10. ^ Welle (www.dw.com), Deutsche. "Чешские исследователи разрабатывают революционную атомную отопительную установку | DW | 07.04.2021". DW.COM . Архивировано из оригинала 2021-06-09 . Получено 2021-06-16 .
  11. ^ "Высокая производительность когенерации инновационной паровой турбины для ТЭЦ, работающей на биомассе, в Иислами, Финляндия" (PDF) . OPET. Архивировано (PDF) из оригинала 15 июля 2011 г. Получено 13 марта 2011 г.
  12. ^ "Трансформация выбросов парниковых газов в энергию" (PDF) . WIPO Green Case Studies, 2014. Всемирная организация интеллектуальной собственности. 2014. Архивировано (PDF) из оригинала 13 апреля 2015 г. Получено 6 апреля 2015 г.
  13. ^ Оливейра, А.С.; Афонсо, К.; Матос, Дж.; Риффат, С.; Нгуен, М.; Доэрти, П. (2002). «Комбинированная система отопления и электроснабжения зданий, работающая на солнечной энергии и газе». Прикладная теплотехника . 22 (6): 587–593. Bibcode : 2002AppTE..22..587O. doi : 10.1016/S1359-4311(01)00110-7.
  14. ^ Ягуб, В.; Доэрти, П.; Риффат, С.Б. (2006). «Микро-ТЭЦ с приводом от солнечной энергии и газа для офисного здания». Прикладная тепловая инженерия . 26 (14): 1604–1610. Bibcode : 2006AppTE..26.1604Y. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2005.11.021.
  15. ^ Пирс, Дж. М. (2009). «Расширение проникновения фотоэлектричества с помощью распределенной генерации в жилых домах на основе гибридных солнечных фотоэлектрических систем + комбинированных систем выработки тепла и электроэнергии». Энергия . 34 (11): 1947–1954. Bibcode : 2009Ene....34.1947P. CiteSeerX 10.1.1.593.8182 . doi : 10.1016/j.energy.2009.08.012. S2CID  109780285. 
  16. ^ Обзор отрасли топливных элементов 2013 г. Архивировано 14 апреля 2016 г. на Wayback Machine
  17. ^ ab "Latest Developments in the Ene-Farm Scheme". Архивировано из оригинала 14 апреля 2016 года . Получено 15 мая 2015 года .
  18. ^ "Запуск нового продукта на основе домашнего топливного элемента 'Ene-Farm', более доступного и простого в установке - Новости штаб-квартиры - Panasonic Newsroom Global". Архивировано из оригинала 10 июля 2014 г. Получено 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 г. Получено 15 мая 2015 г.
  20. ^ Роль микро-ТЭЦ в мире интеллектуальной энергетики Архивировано 04.03.2016 на Wayback Machine
  21. ^ Elsevier Ltd, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford, OX5 1GB, United Kingdom. «Отчет о микро-ТЭЦ вызвал жаркую дискуссию об энергетическом будущем Великобритании». Архивировано из оригинала 20 марта 2016 г. Получено 15 мая 2015 г.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  22. ^ "Лучшая стоимость ТЭЦ, комбинированного производства тепла и электроэнергии и когенерации - Alfagy - прибыльная более зеленая энергия через ТЭЦ, когенерацию и котел на биомассе с использованием древесины, биогаза, природного газа, биодизеля, растительного масла, синтетического газа и соломы". Архивировано из оригинала 23 апреля 2015 г. Получено 15 мая 2015 г.
  23. ^ Pehnt, M (2008). «Влияние распределенных энергетических систем на окружающую среду — случай микрокогенерации». Environmental Science & Policy . 11 (1): 25–37. Bibcode : 2008ESPol..11...25P. doi : 10.1016/j.envsci.2007.07.001.
  24. ^ "Покупка ТЭЦ и когенерации - процесс - Alfagy ТЭЦ и когенерация". Архивировано из оригинала 2012-11-03 . Получено 2012-11-03 .«Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ или когенерация) для экономии энергии и выбросов углерода в коммерческих зданиях».
  25. ^ Ду, Руоян; Робертсон, Пол (2017). «Экономически эффективный инвертор, подключенный к сети, для микрокомбинированной системы теплоснабжения и электроснабжения». IEEE Transactions on Industrial Electronics . 64 (7): 5360–5367. doi :10.1109/TIE.2017.2677340. S2CID  1042325. Архивировано из оригинала 23.02.2020 . Получено 07.07.2019 .
  26. ^ "Fuel Cell micro CHP". Архивировано из оригинала 2019-11-06 . Получено 2019-10-23 .
  27. ^ "Fuel cell micro Cogeneration". Архивировано из оригинала 2019-10-23 . Получено 2019-10-23 .
  28. ^ "Clarke Energy - Fuel-Efficient Distributed Generation". Clarke Energy . Архивировано из оригинала 19 мая 2015 года . Получено 15 мая 2015 года .
  29. ↑ Топливные элементы и ТЭЦ. Архивировано 18 мая 2012 г. на Wayback Machine.
  30. ^ "Newsroom: Steam". ConEdison. Архивировано из оригинала 2007-08-21 . Получено 2007-07-20 .
  31. ^ Bevelhymer, Carl (2003-11-10). "Steam". Gotham Gazette. Архивировано из оригинала 2007-08-13 . Получено 2007-07-20 .
  32. ^ "Микро-ТЭЦ (комбинированное производство тепла и электроэнергии) – Системы когенерации". Vista Projects Limited . 18 марта 2020 г. Архивировано из оригинала 24-06-2021 . Получено 21-06-2021 .
  33. ^ Соареш 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 важность для ponto de vista Técnico, Ecoômico e Environment (Dissertação) (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 алколейро». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |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, Tiroumalechetty, M. (2008). «Уровни диоксина в летучей золе, образующейся при сжигании багассы». Журнал опасных материалов . 155 (1–2): 179–182. Bibcode : 2008JHzM..155..179C. doi : 10.1016/j.jhazmat.2007.11.045. PMID  18166264.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  40. ^ abc Lobert, Jurgen; Keene, Willian; Yevich, Jennifer (1999). "Глобальные выбросы хлора от сжигания биомассы: Реактивный инвентарь выбросов хлора" (PDF) . Journal of Geophysical Research: Atmospheres . 104 (D7). Wiley: 8373–8389. Bibcode :1999JGR...104.8373L. doi : 10.1029/1998JD100077 . Архивировано (PDF) из оригинала 26 октября 2019 г. . Получено 11 марта 2019 г. .
  41. ^ Агентство по регистрации токсичных веществ и заболеваний (ATSDR) (1998). «Заявление общественного здравоохранения о хлорированных дибензо-п-диоксинах (CDD)». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  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". Scientific Reports . 6 : 38012. Bibcode :2016NatSR...638012X. doi :10.1038/srep38012. PMC 5126552 . PMID  27897234. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  43. ^ Environmental Justice Activists (ред.). «Диоксины и фураны: самые токсичные химикаты, известные науке». Архивировано из оригинала 19 марта 2019 г. Получено 5 марта 2019 г.
  44. ^ «Почему тепло от ТЭЦ является возобновляемым — на основе доклада, представленного на IAEE в Вильнюсе (2010)» (PDF) . 2011-09-14. стр. 4 абзац 4. Архивировано (PDF) из оригинала 2017-09-21 . Получено 2017-12-25 .
  45. ^ Лоу, Р. (2011). «Комбинированное производство тепла и электроэнергии рассматривается как виртуальный тепловой насос парового цикла». Энергетическая политика . 39 (9): 5528–5534. Bibcode : 2011EnPol..39.5528L. doi : 10.1016/j.enpol.2011.05.007.
  46. ^ «Было ли bedeutet kalte Nahwärme? (Обновление)» . 17 января 2018 г.
  47. ^ "Тригенерационные системы с топливными элементами" (PDF) . Научная статья . Архивировано (PDF) из оригинала 6 октября 2011 г. . Получено 18 апреля 2011 г. .
  48. ^ ab "DOE – Fossil Energy: How Turbine Power Plants Work". Fossil.energy.gov. Архивировано из оригинала 27 мая 2010 г. Получено 25 сентября 2011 г.
  49. ^ См. тексты по машиностроению или химическому машиностроению по термодинамике.
  50. ^ "38% HHV Caterpillar Bio-gas Engine Fitted to Sewage Works - Claverton Group". Архивировано из оригинала 19 августа 2019 года . Получено 15 мая 2015 года .
  51. ^ «Позиционный документ Промышленного форума по энергоэффективности: энергоэффективность — важнейший компонент энергетической безопасности» (PDF) .[ постоянная мертвая ссылка ]
  52. ^ "2011 - Cogen - Эксперты обсуждают центральную роль когенерации в формировании энергетической политики ЕС" (PDF) . cogenerurope.eu . Архивировано (PDF) из оригинала 20 июня 2017 г. . Получено 28 апреля 2018 г. .
  53. ^ "COGEN Europe: Когенерация в обеспечении безопасности энергоснабжения Европейского Союза" (PDF) . 16 октября 2017 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  54. ^ "Производство электроэнергии по источникам энергии". Архивировано из оригинала 2014-02-20.
  55. ^ "KWKG 2002". Архивировано из оригинала 2014-02-02.
  56. ^ "Действия DEFRA в Великобритании - комбинированное производство тепла и электроэнергии". Архивировано из оригинала 2010-06-12.
  57. ^ "5th stakeholder general assembly of the FCH JU" (PDF) . fch-ju.eu . Архивировано (PDF) из оригинала 10 ноября 2013 г. . Получено 28 апреля 2018 г. .
  58. ^ "ene.field". Архивировано из оригинала 2 октября 2016 года . Получено 15 мая 2015 года .
  59. ^ Общеевропейские полевые испытания микро-ТЭЦ на топливных элементах для жилых домов. Архивировано 09.11.2016 на Wayback Machine.
  60. ^ ene.field Грант № 303462 Архивировано 10 ноября 2013 г. на Wayback Machine
  61. ^ "Программа обеспечения качества комбинированного тепла и электроэнергии". decc.gov.uk. Архивировано из оригинала 30 октября 2014 года . Получено 28 апреля 2018 года .
  62. ^ "Первой в мире коммерческой электростанцией была когенерационная установка". Архивировано из оригинала 2008-04-25 . Получено 2008-06-15 .
  63. ^ "World Survey of Decentralized Energy" (PDF) . Май 2006. Архивировано (PDF) из оригинала 2009-01-06 . Получено 2008-07-27 .
  64. ^ "Восемь центров применения чистой энергии". Архивировано из оригинала 2013-04-15 . Получено 2010-02-24 .{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
  65. ^ "Данные по электроэнергии". Архивировано из оригинала 2015-05-31.
  66. ^ "New England Energy". Архивировано из оригинала 2015-01-23.
  67. ^ Мастерс, Гилберт (2004). Возобновляемые и эффективные электроэнергетические системы . Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press.