СТРОИТЕЛИ - строителна техника, материали, технологии, инструментигодина II, брой 1, януари 2005

Когенерацията

начин за ефективно усвояване на природните ресурси

Когенерацията

Енергийната ефективност може да се разглежда от различни страни. Традиционно електроенергията и топлината се получават при разделени процеси. При това, значителна част от енергията на използваното гориво не се изразходва. Общото потребление на това гориво може значително да се повиши чрез използване на когенерацията – процес на съвместно производство на електроенергия и топлина.

текст Десислава Йовчева

Какво е когенерация?
Ако трябва да дадем определение на този процес, то това е комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия. В сравнение с традиционното производство на електроенергия, тук допълнително отделената топлина (считана иначе за страничен ефект от работата на инсталацията), се използва за задоволяване на отоплителните нужди на потребителите. По този начин се икономисват както средства, така и горива.
Основно енергията има две най-използвани форми – механична и топлинна. По принцип, механичната енергия се използва за задвижване на електрогенератор. Поради това се е наложило и следното определение:
Когенерацията представлява процес на комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия от един и същи първичен енергиен източник.
Механичната енергия
се използва както за производство на електроенергия, така и за поддържане работата на допълнително спомагателно оборудване (компресори, помпи и т.н.). Топлинната енергия се използва за отопление и/или охлаждане. Охлаждането се произвежда от специални абсорбционни агрегати, които се захранват с гореща вода, пара или нагорещени газове.
При експлоатацията на традиционните (парни) електростанции, поради технологичните особености на процеса на генериране на енергия, огромно количество топлина се изхвърля в атмосферата посредством кондензатори на пара, охладителни кули и т.н. Голяма част от тази топлина може да се използва за задоволяване на топлинните нужди на предприятието или сградата. С използване на системи за когенерация, ефективността на електростанцията може да се повиши средно от 30-50% до 80-90%.
През последните 25 години усилено се развиват различни проекти за усъвършенстване на тази технология, която действително се явява много надеждна и перспективна. Чрез използване на когенерацията за комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия се реализират около 40% икономия на използваното гориво. От финансова гледна точка това означава, че потребителите ще заплатят за същото количество изразходвана енергия само 60% от стойността на горивото. Казано с други думи, от същото количество изразходвано гориво може да се произведе почти двойно количество енергия, част от която може да се продаде, за да се понижат още повече производствените разходи.
Основни преимущества
Технологията на когенерация наистина е водеща в световен мащаб. Интересно е, че тя прекрасно съчетава такива положителни характеристики, които до неотдавна се считаха за практически несъвместими. Основните преимущества на тази технология се явяват високата ефективност на използване на горивото, повече от удовлетворителните екологични параметри и не на последно място – автономността на системата.
Когенерацията представлява технология, която не е единствено “комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия”. Това е уникална концепция, съчетаваща предимствата на когенерацията, разпределената енергетика и оптимизирано енергопотребление.
Трябва да се отбележи, че за качественото изпълнение на даден проект е необходимо наличие на специфични знания и опит, защото в противен случай има вероятност голяма част от положителните качества на когенераторната система да не бъдат реализирани.
Техническа реализация
Инсталацията за когенерация се състои от четири основни елемента:
Първичен двигател;
Електрогенератор;
Система за усвояване на отделената топлина – топлоуловител;
Система за контрол и управление.
По правило когенераторните системи се класифицират според типа на първичния двигател, генератора, а така също според вида на използваното гориво.
Първичен (основен) двигател
В зависимост от конкретните изисквания, ролята на основен двигател може да се изпълнява от:
Двигател с вътрешно горене (ДВГ) – Изходната мощност се получава вследствие на изгаряне на горивото и преобразуване на химическата му енергия в топлина, която от своя страна се преобразува в механична енергия. Използват се два вида ДВГ - с искрово запалване, които могат да работят само с природен газ, и със запалване чрез компресия, които могат да работят с дизелово гориво или природен газ (с добавка от 5% дизелово гориво, за възпламеняване на горивната смес). Общият КПД на системата е в границите 70-92%.
Парна турбина – Електрическата мощност на системата зависи от това, колко е голямо налягането на парата на входа и изхода на турбината. Като общо КПД на парната турбина, само за генериране на електроенергия, е по-нисък от този на газовата турбина и ДВГ, но при работа в система за когенерация, сумарната й ефективност може да достигне до 84%. Парата в турбината трябва да се подава под високо налягане и температура (42Bar/400˚C или 63Bar/480˚C) за постигане на максимална ефективност на системата.
Газова турбина – КПД на газовата турбина е между 25-35%, в зависимост от работните параметри на конкретния модел и характеристиките на използваното гориво. В състава на когенераторната система ефективността на турбината достига до 90%, а освен това тя има много добри екологични параметри (емисиите от азотни окиси NOx са от порядъка на 25ppm ). Като недостатък тук може да се посочи, че работата на газовата турбина е съпроводена с високо ниво на шум.
Все още в разработка и тестване, като бъдещи реализации за основен двигател, могат да се разглеждат и:
Двигател на Стирлинг – Това е двигател с външно горене. Представлява сравнително нова разработка и се използва в едно ново направление – микрокогенераторни котли, които изискват двигатели с ниска мощност – 0,2 до 4kW/h. Имат по-малко движещи се работни части и притежават висока теоретична ефективност.
Микротурбина – Задвижва се с природен газ, може да работи и с дизелово гориво. Подходяща е за използване в системи с мощност под 1МW/h, при които досега беше нерентабилно използването на газови турбини. Микротурбините имат и други преимущества – емисиите от NOx са около 10-25ppm. Общият й КПД може да достигне до 85%.
Водородни горивни клетки – Те имат редица предимства при използване като основен двигател в системите за когенерация: висока ефективност; малко движещи се работни части, които не се износват; надеждна работа, рядко обслужване; удвояване на енергийното КПД на системата.
Тук е мястото да отбележим, че съществува и паро-газова технология, основана на комбинирането на газова с парна турбина (първичният двигател), но тя е ефективна единствено при достатъчно големи мощности (от 30МW/h).
Електрогенератор
Служи за преобразуване на механичната енергия, задвижваща вала на двигателя, в електроенергия.
Генераторите могат да бъдат синхронни и асинхронни. Синхронният генератор може да работи както в автономен режим, така и паралелно с мрежата. Асинхронните генератори работят само паралелно с мрежата. При възникване на авария в мрежата, асинхронният генератор спира работа. Затова, за осигуряване на гъвкавост при работата на когенераторните системи, по-често се използват синхронни генератори.
Система за усвояване на отделената топлина
Топлоуловителят е основен агрегат във всяка когенераторна инсталация, в който се използва енергията на отработените горещи газове от двигателя на електрогенератора.
Принципът на работа на топлоуловителя се състои в следното: отработените газове преминават през топлообменник, където се извършва пренос на топлинна енергия от нагорещения газ към течен топлоносител (вода, гликол). След това вече охладените газове се изпускат в атмосферата, като при това химическият и количественият им състав не се променя.
Освен това, в атмосферата се губи голяма част неизползвана топлинна енергия. Това е следствие от няколко причини:
- За ефективен топлообмен температурата на изходните газове трябва да е по-висока от температурата на топлоносителя (разлика не по-малко от 30˚С);
- Изходните газове не бива да се охлаждат до температура, при която започва образуване на воден конденз в димохода, което да възпрепятства нормалното отвеждане на газовете в атмосферата;
- Изходните газове не трябва да се охлаждат до температури, при които започва образуване на киселинен конденз, което води до корозия на материалите.
Извличането на допълнителна енергия е възможно единствено чрез понижаване температурата на отработените газове под 100˚С, когато водните пари преминават в течна форма. Но не забравяйте за ограниченията, посочени по-горе.
От казаното дотук следва, че като топлоуловител, в когенераторната система трудно може да се използва готово типово топлоенергийно оборудване. Топлоуловителят, се проектира при точно изчисление на работните параметри и характеристики на изходния газов поток, като се взимат под внимание, както вида на двигателя с вътрешно горене или турбогенератора, така и типа на използваното гориво.
За повишаване на производителността на топлинната част от когерационната система, уловителят може да се допълни с икономайзер – топлообменник, обезпечаващ предварително подгряване на топлоносителя, до подаването му в основния топлообменник, където нагряването на топлоносителя се обезпечава от вече топлите изходни газове на двигателя. Позитивният момент, свързан с използването на икономайзера, се явява допълнителното понижение на температурата на изпусканите след топлоуловителя газове до 120˚С и по-ниски.
Топлинни загуби
Стойността на топлинните загуби се определя не толкова като статистическа величина на установената мощност за електрическия и топлинния товар, но и като динамично изменение на потреблението на електрическа и топлинна енергия, в зависимост от годишният сезон.
За определяне на топлинните загуби се използва означение a, което се определя като съотношение на произведената електроенергия към величината на топлинните загуби. Счита се, че колкото по-висока е стойността на алфа, толкова по-ефективно работи когенераторната инсталация.

Директива 2004/8/ЕС


Във връзка с насърчаването на когенерацията, на 26 януари 2004 Съветът на ЕС одобрява поправките, приети на второ четене от ЕП. Това цели, от една страна, повишаване на енергийната ефективност и енергоспестяването, а от друга - намаляване на емисиите на СО2, отделян в атмосферата. Освен това се отчита и сигурността на енергийните доставки. Чрез директивата се предвижда прилагане на регулаторна рамка за насърчаване и развитие на когенерацията в границите на ЕС.
Този нов законодателен акт включва и разпоредби, свързани с експлоатацията на електрическата мрежа и различни тарифни въпроси, както и определянето на съотношението между топлинна и електрическа енергия и на централите за комбинираното им производство.
С тази стъпка на практика се одобряват всички поправки, приети от ЕП на 18 декември 2003 година. По принцип те се отнасят до следните области:
- Дефиниция на процеса когенерация: приема се дефиниция на микропроизводство за централи с максимална мощност под 50kWe.
- Методи за изчисление и времеви граници: приемат се алтернативни методи за изчисление, които вероятно ще могат да се използват и след 2010 година.
- Цели: прието е решение страните-членки задължително да правят оценка на националния си потенциал за развитието на когенерация, като резултатите да се докладват пред Комисията.
С приемането на тези текстове се сложи край на дебатите относно процеса на насърчаване реализирането и използването на когенерацията в ЕС и по този начин се премахнаха бариерите към постигане на общо възприемане на технологията и нейните предимства.