Система рекуперации энергии Berner Tricoil на вершине Центра устойчивых ландшафтов в Питтсбурге, штат Пенсильвания.
Рекуперация энергии включает любую технику или метод минимизации поступления энергии в общую систему путем обмена энергией из одной подсистемы общей системы с другой. Энергия может находиться в любой форме в любой подсистеме, но большинство систем рекуперации энергии обменивают тепловую энергию либо в явной , либо в скрытой форме.
В некоторых обстоятельствах для того, чтобы сделать рекуперацию энергии практически осуществимой, необходимо использование соответствующей технологии, либо ежедневного хранения тепловой энергии , либо сезонного хранения тепловой энергии (STES, которая позволяет хранить тепло или холод между противоположными сезонами). Одним из примеров является отходящее тепло от оборудования для кондиционирования воздуха , хранящееся в буферном резервуаре для обогрева в ночное время .
Принцип
Обычно этот принцип применяется в системах, в которых есть поток выхлопных газов или поток отходов , который переносится из системы в окружающую среду. Некоторая часть энергии в этом потоке материала (часто газообразного или жидкого ) может передаваться потоку подпиточного или входного материала. Этот входной массовый поток часто поступает из окружающей среды системы, которая, находясь в условиях окружающей среды, имеет более низкую температуру, чем поток отходов . Эта разница температур обеспечивает передачу тепла и, следовательно, передачу энергии или, в данном случае, рекуперацию. Тепловая энергия часто восстанавливается из потоков жидких или газообразных отходов в воздухозаборники свежего воздуха и воды в зданиях , например, для систем отопления, вентиляции и кондиционирования или технологических систем.
Системный подход
Потребление энергии является ключевой частью большинства видов деятельности человека. Это потребление включает в себя 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 процесс как выходная энергия. Системы рекуперации энергии собирают выходную мощность и предоставляют ее в качестве входной мощности для того же или другого процесса.
Система рекуперации энергии закроет этот энергетический цикл , чтобы предотвратить высвобождение входной энергии обратно в природу и ее использование в других формах желаемой работы.
Примеры
Рекуперация тепла реализована в источниках тепла, таких как, например, сталелитейный завод . Нагретая охлаждающая вода , полученная в процессе, продается для отопления домов, магазинов и офисов на прилегающей территории.
Рекуперативное торможение используется в электромобилях, поездах, тяжелых кранах и т. д., где энергия, потребляемая при повышении потенциала, при отпускании возвращается поставщику электроэнергии.
Системы активного снижения давления, в которых перепад давления в потоке жидкости под давлением восстанавливается, а не преобразуется в тепло в редукционном клапане и сбрасывается.
Electric Turbo Compounding (ETC) — это технологическое решение проблемы повышения топливной эффективности газовых и дизельных двигателей за счет рекуперации ненужной энергии из выхлопных газов.
СТС
На литейном заводе в Швеции отходящее тепло рекуперируется и хранится в большой массе естественной коренной породы, через которую проходит группа из 140 скважин с теплообменниками (диаметром 155 мм) и глубиной 150 метров. Этот резервуар используется для отопления соседнего завода по мере необходимости, даже спустя месяцы. [2]
Солнечное сообщество Drake Landing в Альберте , Канада, использует STES для восстановления и использования природного тепла, которое в противном случае было бы потрачено впустую. Местные жители используют группу скважин в скальных породах для межсезонного хранения тепла, и это позволяет получать 97 процентов круглогодичного обогрева помещений за счет солнечных тепловых коллекторов на крышах гаражей. [3] [4]
Холодные зимние температуры можно восстановить, циркулируя воду через сухую градирню и используя ее для охлаждения глубокого водоносного горизонта или кластера скважин. Позже холод извлекается из хранилища для летнего кондиционирования. [5] Благодаря коэффициенту полезного действия (COP) от 20 до 40 этот метод охлаждения может быть в десять раз более эффективным, чем обычное кондиционирование воздуха. [6]
Воздействие на окружающую среду
Существует большой потенциал рекуперации энергии в компактных системах, таких как крупные предприятия и коммунальные предприятия. Вместе с энергосбережением появится возможность резко сократить мировое потребление энергии . Тогда эффект от этого будет:
Изменение отраслей и экономики полностью не исследовано
В 2008 году Том Кастен , председатель Recycled Energy Development , заявил: « Мы думаем, что могли бы производить от 19 до 20 процентов электроэнергии в США за счет тепла, которое в настоящее время выбрасывается промышленностью » . [7]
Исследование Министерства энергетики, проведенное в 2007 году, выявило потенциал для производства 135 000 мегаватт комбинированного тепла и электроэнергии (с использованием рекуперации энергии) в США [8] , а исследование Национальной лаборатории Лоуренса Беркли выявило около 64 000 мегаватт, которые можно получить из промышленных отходов энергии. не считая ТЭЦ. [9] Эти исследования показывают, что около 200 000 мегаватт, или 20% общей мощности электроэнергии, могут быть получены за счет переработки энергии в США. Широкое использование переработки энергии может, таким образом, сократить выбросы, вызывающие глобальное потепление, примерно на 20 процентов. [10] Действительно, по состоянию на 2005 год около 42% выбросов парниковых газов в США приходилось на производство электроэнергии и 27% на производство тепла. [11] [12]
Трудно количественно оценить воздействие на окружающую среду внедрения глобального восстановления энергии в некоторых секторах. Основными препятствиями являются :
Отсутствие эффективных технологий для частных домов. Системы рекуперации тепла в частных домах могут иметь эффективность до 30% и менее. Возможно, более реалистичным будет использовать энергосбережение, например, теплоизоляцию или улучшение зданий. Многие районы в большей степени зависят от принудительного охлаждения, а система отвода тепла из жилищ для использования в других целях не имеет широкого распространения.
Неэффективная инфраструктура. В частности, для того чтобы рекуперация тепла была жизнеспособной, необходимо, чтобы она находилась на небольшом расстоянии от производителя к потребителю. Решением может стать перемещение крупного потребителя поближе к производителю. Это может иметь другие осложнения.
Транспортный сектор не готов. Поскольку транспортный сектор использует около 20% энергоресурсов, большая часть энергии тратится на преодоление гравитации и трения. Электромобили с рекуперативным торможением кажутся лучшим кандидатом на рекуперацию энергии. Ветровые системы на судах находятся в стадии разработки. В этой области известно очень мало работ об 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.), «Солнечное сообщество Drake Landing». Архивировано 4 марта 2016 г. на 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. Мастерская по возобновляемому теплу.
^ Паксой, Х.; Стайлз, Л. (2009 г.), «Система холодного хранения тепловой энергии водоносного горизонта в колледже Ричарда Стоктона». Архивировано 12 января 2014 г. в Wayback Machine , Effstock 2009 (11-е международное мероприятие) - Хранение тепловой энергии для эффективности и устойчивости, Стокгольм.
^ Виллемсен, Г. 1998. Системы геотермальных тепловых насосов с разомкнутым контуром в США и холодильные хранилища водоносных горизонтов в Нидерландах – сходства и различия. Вторая Стоктонская международная геотермальная конференция. 16 и 17 марта 1998 г.
^ Брюс Хедман, Анализ энергетики и окружающей среды / USCHPA, «Комбинированное производство тепла и электроэнергии и рекуперация тепла как варианты энергоэффективности», Брифинг для сенатского собрания по возобновляемым источникам энергии, 10 сентября 2007 г., Вашингтон, округ Колумбия.
^ «Технологии чистой энергии: предварительная инвентаризация потенциала производства электроэнергии, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, 4/05» (PDF) .
^ «Управление энергетической информации, существующие мощности по источникам энергии, 2006».
