Verschlüsselung

Diagramm zum Vergleich von Verlusten aus der konventionellen Erzeugung im Vergleich zu Kogeneration

Verschlüsselung oder kombiniert Wärme und Kraft (CHP) ist die Verwendung von a Wärmemotor[1] oder Kraftwerk zu Elektrizität generieren und gleichzeitig nützliche Wärme.

Die Verschlüsselung ist eine effizientere Verwendung von Kraftstoff oder Wärme, da sonst-Wärme verschwendete Von der Stromerzeugung wird zu produktivem Gebrauch. Kombinierte Wärme- und Leistungsanlagen (CHP) erholen sich ansonsten verschwendet Wärmeenergie zum Heizung. Dies wird auch als Heizung für kombinierte Wärme und Power District bezeichnet. Kleine CHP -Pflanzen sind ein Beispiel für dezentrale Energie.[2] Nebenproduktwärme bei mäßigen Temperaturen (100–180 ° C, 212–356 ° F) können auch in verwendet werden Absorptionskühlschränke zum Abkühlen.

Die Versorgung mit Hochtemperaturwärme fährt zuerst a Gas oder Dampfturbine-betriebener Generator. Die resultierende Wärme mit niedriger Temperatur wird dann für Wasser- oder Raumheizung verwendet. In kleineren Maßstäben (typischerweise unter 1 MW), a Benzinmotor oder Dieselmotor könnte genutzt werden. Die KWereration ist auch gemeinsam mit Geothermiekraftwerke da sie oft relativ produzieren Niedrige Wärme. Binärzyklen kann notwendig sein, um akzeptabel zu erreichen thermischen Wirkungsgrad für die Stromerzeugung überhaupt. Die KWereration wird weniger häufig eingesetzt in Atomkraftwerke wie Nimby und Sicherheitsüberlegungen haben sie oft weiter von Bevölkerungszentren entfernt als vergleichbare chemische Kraftwerke und Fernwärme ist aufgrund von Übertragungsverlusten weniger effizient in Gebieten mit niedrigerer Bevölkerungsdichte.

In einigen der frühesten Installationen der elektrischen Erzeugung wurde die Kogeneration praktiziert. Bevor die Zentralstationen die Stromversorgung verteilten, verwendeten die Industrien ihre eigene Leistung für den Abgasdampf für die Prozessheizung. Große Büro- und Wohngebäude, Hotels und Geschäfte erzeugten üblicherweise ihre eigene Leistung und verwendeten Abfalldampf für den Bau von Wärme. Aufgrund der hohen Kosten für früh gekaufte Stromversorgung dauerten diese CHP -Operationen viele Jahre, nachdem der Strom für den Stromversorgungsunternehmen verfügbar war.[3]

Überblick

MasNedø CHP -Kraftwerk in Dänemark. Diese Station verbrennt Stroh als Kraftstoff. Die angrenzenden Gewächshäuser werden von erhitzt von Fernwärme aus der Pflanze.

Viele Prozessindustrien, wie z. chemische Pflanzen, Ölraffinerien und Zellstoff und Papiermühlenerfordern große Mengen von Prozesswärme für Operationen als Chemische Reaktoren, Destillationssäulen, Dampftrockner und andere Verwendungen. Diese Wärme, die normalerweise in Form von Dampf verwendet wird, kann bei typisch niedrigen Drücken beim Erhitzen erzeugt oder bei viel höherem Druck erzeugt und zuerst durch eine Turbine geleitet werden, um Strom zu erzeugen. Bei der Turbine wird der Dampfdruck und die Temperatur gesenkt, wenn die innere Energie des Dampfes in die Arbeit umgewandelt wird. Der Dampf mit niedrigerem Druck, der die Turbine verlässt, kann dann für die Prozesswärme verwendet werden.

Dampfturbinen bei Wärmekraftwerke werden normalerweise mit Hochdruckdampf ausgelegt, der die Turbine in einem Kondensator ausgeht, der einige Grad über Umgebungstemperatur und bei einigen Millimetern des Quecksilber-Absolutdrucks betreibt. (Dies wird a genannt Kondensung Turbine.) Für alle praktischen Zwecke hat dieser Dampf eine vernachlässigbare nützliche Energie, bevor er kondensiert wird. Dampfturbinen für die Kogeneration sind für die Auseinandersetzung für Extraktion von etwas Dampf bei niedrigeren Drücken, nachdem es eine Reihe von Turbinenstadien durchlaufen hat, wobei der nicht extrahierte Dampf durch die Turbine zu einem Kondensator weiterging. In diesem Fall verursacht der extrahierte Dampf einen mechanischen Stromverlust in den stromabwärts gelegenen Stadien der Turbine. Oder sie sind mit oder ohne Extraktion für den endgültigen Auspuff ausgelegt Rückdruck (Nicht kondensieren).[4][5] Der extrahierte oder Abgasdampf wird für die Prozesserwärmung verwendet. Dampf bei normalen Prozessheizungsbedingungen hat immer noch eine beträchtliche Menge an enthalpy Das könnte für die Stromerzeugung verwendet werden, daher hat die Kogeneration eine Opportunitätskosten.

Eine typische Stromerzeugung Turbine in a Papierfabrik Kann Extraktionsdrücke von 160 psig (1,103 MPa) und 60 psig (0,41 MPa) haben. Ein typischer Rückdruck kann 60 psig (0,41 MPa) betragen. In der Praxis sind diese Drucke für jede Einrichtung individuell ausgelegt. Umgekehrt hat das einfache Erzeugen von Prozessdampf für industrielle Zwecke anstelle von ausreichendem Druck, um Strom am oberen Ende zu erzeugen, auch Opportunitätskosten (siehe: Dampfversorgung und Auspuffbedingungen). Die Kapital- und Betriebskosten für Hochdruckkessel, Turbinen und Generatoren sind erheblich. Diese Ausrüstung wird normalerweise betrieben ständig, was normalerweise die selbstgenerierte Leistung auf groß angelegte Operationen einschränkt.

Eine Kogenationsanlage in Metz, Frankreich. Der 45 -MW -Kessel verwendet Abfallholz Biomasse als Energiequelle, um Strom und Wärme für 30.000 zu liefern Wohnungen.

A kombinierter Kreislauf (in denen mehrere thermodynamische Zyklen Elektrizität erzeugen), können auch verwendet werden, um Wärme unter Verwendung eines Heizsystems zu extrahieren Kondensator des Kraftwerks des Kraftwerks Bottoming -Zyklus. Zum Beispiel der Ru-25 MHD -Generator in Moskau Er erhitzte einen Kessel für ein herkömmliches Dampfantrieb, dessen Kondensat dann für die Raumwärme verwendet wurde. Ein moderneres System könnte a verwenden Gasturbine unterstützt von Erdgas, dessen Abgas eine Dampfanlage betreibt, deren Kondensat Wärme liefert. Kogenerungsanlagen basierend auf einem kombinierten Zyklusantrieb können thermische Effizienzstufen über 80%haben.

Die Lebensfähigkeit von CHP (manchmal als Nutzungsfaktor bezeichnet), insbesondere in kleineren CHP-Anlagen, hängt von einer guten Basisbelastung des Betriebs an, sowohl hinsichtlich eines elektrischen Bedarfs und des Wärmebedarfs vor Ort (oder in der Nähe des Standorts). In der Praxis gibt es selten eine genaue Übereinstimmung zwischen Wärme und Strombedarf. Eine CHP -Anlage kann entweder dem Wärmebedarf erfüllen (Wärmebetriebsbetrieb) oder als ein ausgeführt werden Kraftwerk Bei einigen Gebrauchswärme ist der letztere in Bezug auf den Nutzungsfaktor und damit die Gesamteffizienz weniger vorteilhaft. Die Lebensfähigkeit kann erheblich erhöht werden, wenn Möglichkeiten für eine Trigeneration bestehen. In solchen Fällen wird die Wärme aus der CHP -Anlage auch als primäre Energiequelle verwendet, um das Abkühlen mit einem Absorptionskühler.

CHP ist am effizientesten, wenn Wärme vor Ort oder sehr nahe bei der Wärme verwendet werden kann. Die Gesamteffizienz wird reduziert, wenn die Wärme über längere Strecken transportiert werden muss. Dies erfordert stark isolierte Rohre, die teuer und ineffizient sind. Während der Strom entlang eines vergleichsweise einfachen Drahtes und über viel längere Entfernungen für denselben Energieverlust übertragen werden kann.

Ein Automotor wird im Winter zu einer KLAIN -Anlage, wenn die Ablehnungswärme zum Erwärmen des Innenraums des Fahrzeugs nützlich ist. Das Beispiel zeigt den Punkt, an dem der Einsatz von CHP von der Wärmeverwendung in der Nähe der Wärmemaschine abhängt.

Thermisch Verbesserte Ölrückgewinnung (Teor) Pflanzen produzieren häufig eine beträchtliche Menge an überschüssigem Elektrizität. Nach der Erzeugung von Strom pumpen diese Pflanzen Dampf in schweren Ölbohrungen, so dass das Öl leichter fließt und die Produktion erhöht.

Kogenungsanlagen sind häufig in gefunden Fernwärme Systeme von Städten, Zentralheizung Systeme größerer Gebäude (z. B. Krankenhäuser, Hotels, Gefängnisse) und werden häufig in der Branche in thermischen Produktionsprozessen für Prozesswasser, Kühlung, Dampfproduktion oder verwendet CO2 Düngung.

Trigeneration oder Kombinierte Kühlung, Hitze und Leistung (CCHP) bezieht sich auf die gleichzeitige Erzeugung von Strom und nützliches Erwärmen und Abkühlen durch Verbrennung eines Kraftstoffs oder eines Solarwärmesammlers. Die Begriffe Verschlüsselung und Trigeneration kann auch auf die Stromversorgungssysteme angewendet werden, die gleichzeitig Strom, Wärme und industrielle Chemikalien erzeugen (z. B.,,,, Syngas). Die Trigeneration unterscheidet Abwärme wird sowohl für Heizung als auch zum Abkühlen verwendet, typischerweise in einem Absorptionskühlschrank. Kombinierte Kühl-, Wärme- und Stromversorgungssysteme können höhere Gesamtwirkungsgrade erzielen als Kogeneration oder herkömmliche Kraftwerke. In den Vereinigten Staaten wird die Anwendung der Trigeneration in Gebäuden als Gebäudekühlung, Heizung und Strom bezeichnet. Die Heiz- und Kühlleistung kann je nach Bedarf und Systemkonstruktion gleichzeitig oder abwechselnd funktionieren.

Arten von Pflanzen

Hanasaari Power Plant, a Kohle Kogenationskraftwerk in Helsinki, Finnland

Auf dem Toping -Zyklus werden Pflanzen hauptsächlich Strom aus einer Dampfturbine erzeugen. Teilweise erweiterter Dampf wird dann in einem Heizungskondensor bei einem Temperaturniveau kondensiert, der z. Fernwärme oder Wasserentsalzung.

Bottoming -Zyklus Pflanzen produzieren Hochtemperaturwärme für industrielle Prozesse, dann a Wärmerückgewinnung Der Kessel füttert eine elektrische Anlage. Bottoming -Zyklusanlagen werden nur in industriellen Prozessen verwendet, die sehr hohe Temperaturen wie Öfen für die Glas- und Metallherstellung erfordern, sodass sie seltener sind.

Große Kochkogenationssysteme bieten Heizwasser und Strom für einen Industriegelände oder eine ganze Stadt. Gemeinsame CHP -Pflanzentypen sind:

  • Gasturbine CHP -Pflanzen unter Verwendung der Abwärme im Rauchgas von Gasturbinen. Der verwendete Kraftstoff ist normalerweise Erdgas.
  • Benzinmotor CHP -Pflanzen verwenden einen Hubkrockengasmotor, der im Allgemeinen wettbewerbsfähiger ist als eine Gasturbine bis zu etwa 5 MW. Der verwendete gasförmige Kraftstoff ist normalerweise Erdgas. Diese Anlagen werden im Allgemeinen als vollständig verpackte Einheiten hergestellt, die in einem Plandroom oder einer externen Anlage mit einfachen Verbindungen zur Gasversorgung des Standorts, des elektrischen Verteilungsnetzwerks und der Heizsysteme installiert werden können. Typische Ausgaben und Effizienzen sehen [6] Typisches großes Beispiel siehe [7]
  • Biokraftstoffmotor CHP -Pflanzen verwenden einen angepassten Hubkolbengasmotor oder Dieselmotor, je nachdem, welches Biokraftstoff verwendet wird, und sind ansonsten im Design einer Gasmotor -CHP -Anlage sehr ähnlich. Der Vorteil der Verwendung eines Biokraftstoffs ist einer von reduziertem fossiler Brennstoff Verbrauch und somit verringerte die Kohlenstoffemissionen. Diese Anlagen werden im Allgemeinen als vollständig verpackte Einheiten hergestellt, die in einem Plandroom oder einer externen Anlage mit einfachen Verbindungen zur elektrischen Verteilungs- und Heizsysteme des Standorts installiert werden können. Eine andere Variante ist die Holzfassasie CHP -Pflanze, wobei ein Holzpellet oder ein Holzchip -Biokraftstoff ist vergeuert in einer Null -Sauerstoff -Hochtemperaturumgebung; Das resultierende Gas wird dann verwendet, um den Gasmotor mit Strom zu versorgen.
  • Kombinierter Kreislauf Kraftwerke, die für CHP adaptiert sind
  • Brennstoffzellen mit Moltenkarbonat und Festoxid -Brennstoffzellen Haben Sie einen heißen Auspuff, sehr geeignet zum Erhitzen.
  • Dampfturbine CHP -Pflanzen, die das Heizsystem als das verwenden Dampf Kondensator für die Dampfturbine
  • Atomkraft PflanzenÄhnlich wie bei anderen Dampfkraftwerken können mit Extraktionen in den Turbinen ausgestattet werden, um den teilweise erweiterten Dampf auf ein Heizsystem zu bluten. Bei einer Heizsystemtemperatur von 95 ° C ist es möglich, für jeden verlorenen MW -Strom etwa 10 MW Wärme zu extrahieren. Bei einer Temperatur von 130 ° C ist die Verstärkung etwas kleiner, etwa 7 MW pro MWE verloren.[8] Eine Überprüfung der Cogenerationsoptionen ist in [9] Das tschechische Forschungsteam schlug ein "TEPLator" -System vor, bei dem zum Zweck der Wohnheizung Wärme aus verbrauchten Brennstäben gewonnen wird.[10]

Kleinere Kogenerungseinheiten können a verwenden Hubkolbenmotor oder Stirlingmotor. Die Wärme wird vom Auspuff und Kühler entfernt. Die Systeme sind in kleinen Größen beliebt, da kleine Gas- und Dieselmotoren günstiger sind als kleine gas- oder ölbefeuerte Dampfanlagen.

Einige Kogenerungsanlagen werden von abgefeuert Biomasse,[11] oder industriell und kommunale feste Abfälle (sehen Verbrennung). Einige CHP -Anlagen verwenden Abfallgas als Kraftstoff für Strom und Wärmeerzeugung. Abfallgase können Gas aus sein tierischer Abfall, Deponie Gas, Gas aus Kohleminen, Abwassergasund brennbares industrielles Abfallgas.[12]

Einige Kogenerungsanlagen kombinieren Gas und Solar Photovoltaik Generation zur weiteren Verbesserung der technischen und ökologischen Leistung.[13] Solche Hybridsysteme können auf die Gebäudebehandlung skaliert werden[14] und sogar einzelne Häuser.[15]

Mikrochp

Mikro kombinierter Hitze und Kraft oder 'Mikrokogeneration "ist sogenannt verteilte Energiemanienressource (Der). Die Installation beträgt normalerweise weniger als 5 KWe in einem Haus oder einem kleinen Unternehmen. Anstatt Kraftstoff zu verbrennen, um nur Platz oder Wasser zu erhitzen, wird ein Teil der Energie zusätzlich zur Wärme in Strom umgewandelt. Dieser Strom kann innerhalb des Hauses oder des Geschäfts eingesetzt werden oder, wenn es durch das Netzmanagement zulässig ist, wieder in das Stromnetz verkauft werden.

Delta-EE-Berater gaben 2013 an, dass 64% des weltweiten Umsatzes die mikrokombinierte Brennstoffzellen-Wärme und die Stromversorgung 2012 die konventionellen Systeme im Umsatz verabschiedeten.[16] 20.000 Einheiten wurden in verkauft in Japan 2012 insgesamt innerhalb des Ene Farm -Projekts. Mit einer Lebensdauer von rund 60.000 Stunden. Zum PEM -Brennstoffzelle Einheiten, die nachts geschlossen wurden, entspricht einer geschätzten Lebensdauer zwischen zehn und fünfzehn Jahren.[17] Zu einem Preis von 22.600 USD vor der Installation.[18] Für 2013 ist ein staatlicher Subvention für 50.000 Einheiten vorhanden.[17]

Mikrochp -Installationen verwenden fünf verschiedene Technologien: Mikroturbinen, Verbrennungs Motoren, Stirling -Motoren, geschlossene Zyklus Dampfmaschinen, und Brennstoffzellen. Ein Autor gab 2008 an, dass Mikrochp, die auf Stirling-Motoren basieren, die kostengünstigsten der sogenannten Mikrogenerationstechnologien bei der Absicht der Kohlenstoffemissionen sind.[19] In einem britischen Bericht von Ecuity Consulting aus dem Jahr 2013 wurde MCHP die kostengünstigste Methode zur Verwendung von Gas zur Erzeugung von Energie auf häuslicher Ebene ist.[20][21] Fortschritte in der Wechselwirkungsmotor -Technologie verleihen CHP -Anlagen jedoch, insbesondere im Biogas -Bereich, Effizienz.[22] Da sowohl Minichp als auch CHP die Emissionen reduzieren, wurde gezeigt [23] Sie könnten eine große Rolle auf dem Gebiet von CO spielen2 Reduzierung von Gebäuden, bei denen mehr als 14% der Emissionen mit CHP in Gebäuden gespeichert werden können.[24] Die University of Cambridge berichtete 2017 über einen kostengünstigen Microchp-Prototyp des Dampfmotors, das in den folgenden Jahrzehnten im Handelskenntnis treten kann.[25] Vor kurzem in einigen Privathäusern, Kraftstoffzellen-Mikro-P-Pflanzen kann jetzt gefunden werden, das auf Wasserstoff oder anderen Kraftstoffen als Erdgas oder LPG betrieben werden kann.[26][27] Beim Laufen mit Erdgas ist es auf Dampfreformierung Erdgas, um das Erdgas vor Verwendung in der Brennstoffzelle in Wasserstoff in Wasserstoff umzuwandeln. Dies gibt daher immer noch CO aus2 (Siehe Reaktion) Aber (vorübergehend), die darauf laufen, kann eine gute Lösung sein, bis der Wasserstoff über das (Erdgas-) Rohrleitungssystem verteilt wird.

Trigeneration

Trigenerationszyklus

Eine Pflanze, die Strom, Wärme und Kälte produziert, wird als Trigeneration bezeichnet[28] oder Polygenerationsanlage. Kogenerationssysteme verbunden mit Absorptionskühler oder Adsorptionskalte verwenden Abwärme für Kühlung.[29]

Kombinierte Heizung und Power District Heizung

Siehe auch: Fernwärme

In dem Vereinigte Staaten, Konsolidierter Edison Verteilt jedes Jahr 66 Milliarden Kilogramm 350 ° F (180 ° C) Dampf durch seine sieben Cogenerationsanlagen auf 100.000 Gebäude in Manhattan- Der größte Steam District in den Vereinigten Staaten. Die Spitzenlieferung beträgt 10 Millionen Pfund pro Stunde (oder ungefähr 2,5 GW).[30][31]

Industrie -CHP

Die Kogeneration ist immer noch häufig in Zellstoff- und Papierfabrik, Raffinerien und Chemiewerke. In dieser "industriellen KWK/CHP" wird die Wärme typischerweise bei höheren Temperaturen (über 100 ° C) gewonnen und für Prozessdampf- oder Trocknungsaufgaben verwendet. Dies ist wertvoller und flexibler als Wärme mit niedriggradiger Abwärme, aber es gibt einen leichten Verlust der Stromerzeugung. Der verstärkte Fokus auf Nachhaltigkeit hat Industrie -CHP attraktiver gemacht, da es sich erheblich reduziert CO2 -Fußabdruck Im Vergleich zum Erzeugen von Dampf oder Brennstoff vor Ort und importieren elektrischer Strom aus dem Netz.

Kleinere Einheiten für industrielle Kohärenten haben eine Ausgangskapazität von 5 MW-25 MW und stellen eine praktikable Off-Grid-Option für eine Vielzahl von Remote-Anwendungen dar, um die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren.[32]

Versorgungsdruck im Vergleich zu selbst erzeugter Industrie

Industriekogenerungsanlagen arbeiten normalerweise bei viel niedrigeren Kesseldruck als bei Versorgungsunternehmen. Zu den Gründen gehören: 1) Kogenungsanlagen sind einer möglichen Kontamination des zurückgekehrten Kondensates ausgesetzt. Da die Kessel -Futterwasser aus Kogenationsanlagen viel niedrigere Rendite als 100% Kondenskraftwerke aufweist, müssen die Branchen normalerweise proportional mehr Kessel -Make -up -Wasser behandeln. Das Kessel-Futterwasser muss vollständig sauerstofffrei und de-mineralisiert sein. Je höher der Druck ist, desto kritischer ist der Reinheit des Futterwassers.[5] 2) Versorgungsunternehmen sind in der Regel eine größere Leistung als die Industrie, was dazu beiträgt, die höheren Kapitalkosten für hohen Druck auszugleichen. 3) Versorgungsunternehmen haben weniger wahrscheinlich scharfe Lastschwankungen als die Industrieoperationen, die sich mit dem Abschalten oder Starten von Einheiten befassen, die einen erheblichen Prozentsatz des Dampf- oder Strombedarfs darstellen können.

Dampfgeneratoren für Wärmewiederherstellung

A Wärmewiederherstellungsdampfgenerator (HRSG) ist ein Dampfkessel, der heiß verwendet Abgase von dem Gasturbinen oder Motoren erwidern in einer CHP -Pflanze, um Wasser zu erwärmen und zu erzeugen Dampf. Der Dampf treibt wiederum a Dampfturbine oder wird in industriellen Prozessen verwendet, die Wärme erfordern.

HRSGs, die in der CHP -Branche verwendet werden, unterscheiden sich von herkömmlichen Dampfgeneratoren durch die folgenden Hauptmerkmale:

  • Das HRSG ist basierend auf den spezifischen Merkmalen der Gasturbine oder der erwiderenden Motor, an die sie gekoppelt ist.
  • Da die Abgastemperatur relativ niedrig ist, wird die Wärmeübertragung hauptsächlich durch erreicht Konvektion.
  • Die Abgasgeschwindigkeit ist durch die Notwendigkeit begrenzt, Kopfverluste niedrig zu halten. Somit ist der Übertragungskoeffizient niedrig, was eine große Heizfläche erfordert.
  • Da die Temperaturdifferenz zwischen den heißen Gasen und der zu erhitzenden Flüssigkeit (Dampf oder Wasser) niedrig ist und der Wärmeübertragungskoeffizient ebenfalls niedrig ist, sind der Verdampfer und der Economizer mit Plattenflossen -Wärmetauschern ausgelegt.

Kogeneration mit Biomasse

Biomasse bezieht Zuckerrohr, Pflanzenöle, Holz, Bio -Abfall und Rückstände aus der Lebensmittel oder landwirtschaftlich Branchen. Brasilien gilt heute als Weltreferenz in Bezug auf die Energieerzeugung aus Biomasse.[33]

Ein wachsender Sektor bei der Verwendung von Biomasse für die Stromerzeugung ist der Zucker- und Alkoholsektor, der hauptsächlich Zuckerrohrbagasse als Kraftstoff für verwendet Thermal- und elektrische Energie Generation [34]

Kraftkosteneration im Zucker- und Alkoholsektor

In der Zuckerrohrindustrie wird die Kogeneration durch die angeheizt Bagasse Rückstände der Zuckerverfeinerung, die verbrannt wird, um Dampf zu erzeugen. Ein Dampf kann durch a gesendet werden Turbine Das macht einen Generator und erzeugt elektrische Leistung.[35]

Die Energieverkleidung in der Zuckerrohrindustrie in Brasilien ist eine Praxis, die in den letzten Jahren wächst. Mit der Einführung der Energieverschlüsselung im Zucker- und Alkoholsektor können die Zuckerrohrindustrie den für den Betrieb erforderlichen elektrischen Energiebedarf liefern und einen Überschuss erzeugen, der kommerzialisiert werden kann.[36][37]

Vorteile der Kogeneration unter Verwendung von Zuckerrohrbagasse

Im Vergleich zur elektrischen Stromerzeugung mittels fossiler Brennstoffbasis basiert thermoelektrisch Pflanzen wie z. ErdgasDie Energieerzeugung mit Zuckerrohrbagasse hat aufgrund der Reduzierung von Umweltvorteilen CO2 Emissionen.[38]

Zusätzlich zu den Umweltvorteilen bietet die Kogeneration mit Zuckerrohrbagasse Vorteile hinsichtlich der Effizienz im Vergleich zur thermoelektrischen Erzeugung durch das endgültige Ziel der produzierten Energie. Während in der thermoelektrischen Erzeugung ist ein Teil der erzeugten Wärme verloren, und in der Verschlüsselung hat diese Wärme die Möglichkeit, in den Produktionsprozessen eingesetzt zu werden, was die Gesamtwirkungsgrad des Prozesses erhöht.[38]

Nachteile der Kogeneration unter Verwendung von Zuckerrohrbagasse

Bei Zuckerrohranbau wird normalerweise Kaliumquelle verwendet, die eine hohe Konzentration von enthält Chlor, wie zum Beispiel Kaliumchlorid (KCL). In Anbetracht der Tatsache, dass KCL in riesigen Mengen angewendet wird, nimmt Zuckerrohr hohe Chlorkonzentrationen ab.[39]

Aufgrund dieser Absorption, wenn die Zuckerrohr -Bagasse in der Stromverkleidung Dioxine verbrannt wird [39] und Methylchlorid [40] wird emittiert. Bei Dioxinen gelten diese Substanzen als sehr giftig und krebsartig.[41][42][43]

Im Falle von Methylchlorid, wenn diese Substanz emittiert wird und die erreicht StratosphäreEs ist sehr schädlich für die Ozon Schicht, da Chlor in Kombination mit dem Ozonmolekül eine katalytische Reaktion erzeugt, die zum Abbau von Ozonverbindungen führt.[40]

Nach jeder Reaktion beginnt Chlor einen zerstörerischen Zyklus mit einem anderen Ozonmolekül. Auf diese Weise kann ein einziges Chloratom Tausende von Ozonmolekülen zerstören. Da diese Moleküle gebrochen werden, können sie die nicht absorbieren ultraviolette Strahlung. Infolgedessen die UV-Strahlung ist intensiver auf Erden und es wird eine Verschlechterung von Erderwärmung.[40]

Vergleich mit einer Wärmepumpe

A Wärmepumpe kann wie folgt mit einer CHP -Einheit verglichen werden. Wenn der Abgasdampf aus dem Turbogenerator bei einer höheren Temperatur eingenommen werden muss, als das System den größten Strom erzeugen würde, ist die verlorene elektrische Erzeugung als ob Eine Wärmepumpe wurde verwendet, um die gleiche Wärme zu liefern, indem der Generator mit niedrigerer Ausgangstemperatur und höherer Effizienz elektrischer Strom entgegennahm.[44] In der Regel werden für jede Einheit mit verlorener Stromverlust etwa 6 Wärmeeinheiten bei etwa 90 ° C (194 ° F) zur Verfügung gestellt. Somit hat CHP eine effektive Leistungskoeffizient (COP) Im Vergleich zu einer Wärmepumpe von 6.[45] Für eine ferngesteuerte Wärmepumpe müssten jedoch Verluste im elektrischen Verteilungsnetz in der Größenordnung von 6%berücksichtigt werden. Da die Verluste proportional zum Quadrat des Stroms sind, sind die Verluste während der Spitzenperioden viel höher als diese und es ist wahrscheinlich, dass weit verbreitete (d. H. Städtere Anwendung von Wärmepumpen) zu Überlastung der Verteilungs- und Übertragungsnetze führen würde, wenn sie nicht wesentlich verstärkt wurden.

Es ist auch möglich, einen Wärmebetrieb in Kombination mit einer Wärmepumpe zu betreiben, bei der der überschüssige Strom (da der Wärmebedarf der definierende Faktor für SE ist[Klarstellung erforderlich]) wird verwendet, um eine Wärmepumpe zu fahren. Mit zunehmender Wärmebedarf wird mehr Strom erzeugt, um die Wärmepumpe zu treiben, wobei die Abwärme auch die Heizflüssigkeit erhitzt.

Da die Effizienz von Wärmepumpen von der Differenz zwischen heißem Ende und Kaltendemperatur abhängt (die Effizienz mit zunehmendem Differenz), kann es sich lohnen, auch eine relativ niedrige Abwärme zu kombinieren, die für die Hausheizung mit Wärmepumpen ansonsten ungeeignet ist. Zum Beispiel kann ein ausreichend ausreichend ausreichend ausreichend kühles Wasser bei 15 ° C (59 ° F) Luftquelle Wärmepumpen Zeichnen von kalter Luft während einer Nacht von –20 ° C (–4 ° F). Im Sommer, in dem beide Nachfrage nach bestehen Klimaanlage und warmes Wasser kann das gleiche Wasser sogar als "Müllkippe" für die von Klimaanlagen abgelehnte Abwärme dienen, die von Klimaanlagen abgelehnt wird, und als "Quelle" für Wärmepumpen, die warmes Wasser liefern. Diese Überlegungen stehen hinter dem, was manchmal als "Cold District Heating" bezeichnet wird, unter Verwendung einer "Wärme" -Erquelle, deren Temperatur deutlich unter denen liegt, die normalerweise bei der Erwärmung des Distrikts eingesetzt werden.[46]

Verteilte Generation

Die meisten industriellen Länder erzeugen den größten Teil ihres Strombedarfs in großen zentralisierten Einrichtungen mit Kapazität für große elektrische Leistung. Diese Pflanzen profitieren von der Skaleneffekte, müssen jedoch möglicherweise Strom über große Entfernungen übertragen, was zu Übertragungsverlusten führt. Die Produktion von Kogeneration oder Trigeneration unterliegt den Einschränkungen bei der lokalen Nachfrage und kann daher manchmal reduzieren (z. B. Wärme- oder Kühlproduktion, um der Nachfrage entspricht). Ein Beispiel für eine Kogeneration mit Trigenerationsanwendungen in einer Großstadt ist die New Yorker Dampfsystem.

Thermischen Wirkungsgrad

Jeder Wärmemotor unterliegt den theoretischen Effizienzgrenzen der Carnot -Zyklus oder Teilmenge Rankine -Zyklus Im Fall von Dampfturbinenkraftwerken oder Brayton -Zyklus in Gasturbinen mit Dampfturbinenpflanzen. Der größte Teil des Effizienzverlusts bei der Erzeugung der Dampfleistung ist mit dem verbunden Latente Wärme der Verdampfung von Dampf, der nicht wiederhergestellt wird, wenn eine Turbine seine niedrige Temperatur- und Druckdampf auf einen Kondensator ausschöpft. (Typischer Dampf zu Kondensator wäre bei einigen Millimetern absoluter Druck und in der Größenordnung von 5 ° C/11 ° F heißer als die Kühlwassertemperatur in Abhängigkeit von der Kondensatorkapazität.) In der Kogeneration steigt dieser Dampf bei einer höheren Temperatur aus der Turbin aus der Turbin aus dem wo es für Prozesswärme, Wärme oder Kühlung mit einem verwendet werden kann Absorptionskühler. Der Großteil dieser Wärme stammt aus der Latente Wärme der Verdampfung Wenn der Dampf kondensiert.

Thermischen Wirkungsgrad In einem KWK -System wird definiert als:

Wo:

  • = Wärmeeffizienz
  • = Gesamtarbeitsleistung nach allen Systemen
  • = Gesamtwärmeeingabe in das System

Der Wärmeausgang kann auch zum Abkühlen (zum Beispiel im Sommer) dank eines Absorptionskühlers verwendet werden. Wenn die Kühlung gleichzeitig erreicht wird, thermischen Wirkungsgrad In einem Trigenerationssystem wird definiert als:

Wo:

  • = Wärmeeffizienz
  • = Gesamtarbeitsleistung nach allen Systemen
  • = Gesamtwärmeeingabe in das System

Typische Kogenerationsmodelle haben Verluste wie in jedem System. Die folgende Energieverteilung wird als Prozentsatz der Gesamteingangsenergie dargestellt:[47]

  • Strom = 45%
  • Wärme + Kühlung = 40%
  • Wärmeverluste = 13%
  • Elektriklinienverluste = 2%

Herkömmliche zentrale Kohle- oder Kernkraftwerke umwandeln etwa 33-45% ihrer Eingangswärme in Strom.[48][5] Brayton -Zyklus Kraftwerke arbeiten bei bis zu 60% Effizienz. Bei herkömmlichen Kraftwerken gehen ungefähr 10-15% dieser Wärme im Stapel des Kessels verloren. Der größte Teil der verbleibenden Wärme entsteht aus den Turbinen als minderwertige Abwärme ohne signifikante lokale Verwendungszwecke. Daher wird sie normalerweise in die Umwelt abgelehnt, typischerweise zum Abkühlen von Wasser, das durch einen Kondensator fährt.[5] Da die Turbinenabgase normalerweise knapp über der Umgebungstemperatur liegen, wird eine potenzielle Stromerzeugung bei der Ablehnung von Dampf mit höherem Temperatur aus der Turbine für die Kogenationszwecke geopfert.[49]

Damit die KWereration eine praktische Stromerzeugung und die endgültige Verwendung von Wärme in relativ unmittelbarer Nähe sein muss (typischerweise <2 km). Obwohl die Effizienz eines kleinen verteilten elektrischen Generators niedriger als ein großes zentrales Kraftwerk sein kann, kann die Verwendung seiner Abwärme für die lokale Heizung und Kühlung zu einer Gesamtnutzung der primären Kraftstoffversorgung von bis zu 80%führen.[48] Dies bietet erhebliche finanzielle und ökologische Vorteile.

Kosten

Siehe auch: Stromkosten nach Quelle

In der Regel beträgt eine gasbefeuerte Anlage die vollständig installierten Kosten pro kW Elektrik ca. £ 400/kW (577 US-Dollar), was mit großen zentralen Stromstationen vergleichbar ist.[50]

Geschichte

Kogeneration in Europa

Ein Thermalkraftwerk der Kogeneration in Ferrera Erbognone (Pv), Italien

Das EU hat die Kogeneration aktiv in seine Energiepolitik über die einbezogen CHP -Richtlinie. Im September 2008 wurde der Energiekommissar Andris Piebalgs im September 2008 bei einer Anhörung des städtischen Lodments des Europäischen Parlaments mit den Worten zitiert: „Die Sicherheit der Versorgung beginnt wirklich mit Energieeffizienz.[51] Energieeffizienz und -Kogeneration werden in den Eröffnungsabsätzen der Cogenerationsrichtlinie der Europäischen Union 2004/08/EC anerkannt. Diese Richtlinie beabsichtigt, die Verschlüsselung zu unterstützen und eine Methode zur Berechnung der Kogenationsfähigkeiten pro Land zu etablieren. Die Entwicklung der Kogeneration war im Laufe der Jahre sehr ungleichmäßig und wurde in den letzten Jahrzehnten in den letzten Jahrzehnten dominiert.

Die Europäische Union erzeugt 11% ihres Stroms unter Verwendung einer Kogeneration.[52] Es gibt jedoch einen großen Unterschied zwischen Mitgliedstaaten mit Schwankungen der Energieeinsparungen zwischen 2% und 60%. In Europa verfügt die drei Länder mit den intensivsten Volkswirtschaften der Cogeneration der Welt: Dänemark, Niederlande und Finnland.[53] Von den 28,46 TWH der elektrischen Leistung, die 2012 durch konventionelle Wärmekraftwerke in Finnland erzeugt wurden, war 81,80% die Kogeneration.[54]

Andere europäische Länder bemühen sich ebenfalls um große Anstrengungen, um die Effizienz zu steigern. Deutschland berichtete, dass derzeit mehr als 50% des gesamten Strombedarfs des Landes durch Kogeneration bereitgestellt werden könnten. Bisher hat Deutschland das Ziel festgelegt, seine Stromverlängerung von 12,5% des Stroms des Landes auf 25% des Stroms des Landes bis 2020 zu verdoppeln und die Gesetze entsprechend unterstützt zu haben.[55] Großbritannien unterstützt auch aktiv kombinierte Hitze und Kraft. In Anbetracht des Ziels Großbritanniens, bis 2050 eine Reduzierung der Kohlendioxidemissionen um 60% zu erreichen, hat die Regierung das Ziel gesetzt, bis 2010 mindestens 15% ihres staatlichen Stromverbrauchs von CHP zu beschaffen.[56] Weitere Maßnahmen in Großbritannien zur Förderung des KLK -Wachstums sind finanzielle Anreize, Grant Support, ein größerer regulatorischer Rahmen sowie Führung und Partnerschaft der Regierung.

Laut der Modellierung der Kogenerationsausdehnung von IEA 2008 für die G8 -Länder würde die Ausweitung der Kogeneration in Frankreich, Deutschland, Italien und Großbritannien allein die vorhandenen Primärkraftstoffeinsparungen bis 2030 effektiv verdoppeln. Dies würde die Ersparnisse Europas von heute 155,69 TWH auf 465 erhöhen TWH im Jahr 2030. Dies würde auch zu einem Anstieg der gesamten Kogenerstrom jedes Landes bis 2030 um 16% auf 29% führen.

Regierungen werden bei ihren CHP -Bemühungen von Organisationen wie unterstützt Cogen Europa die als Informationszentrum für die neuesten Aktualisierungen innerhalb der europäischen Energiepolitik dienen. Cogen ist die Europas Dachorganisation, die die Interessen der Cogenerationsindustrie repräsentiert.

Das Europäische öffentlich -private Partnerschaft Brennstoffzellen und Wasserstoffverbindungsunternehmen Siebter Framework -Programm Project Ene.field stellt 2017 bereit[57] 1000 Wohnbrennstoffzellen mit Kombination von Wärme und Leistung von Wohngebäuden (Mikro-Chp) Installationen in 12 Staaten. Pro 2012 haben die ersten 2 Installationen stattgefunden.[58][59][60]

Kogeneration im Vereinigten Königreich

In dem Vereinigtes Königreich, das Kombinierte Wärme- und Stromqualitätssicherung Das Schema reguliert die kombinierte Produktion von Wärme und Leistung. Es wurde 1996 eingeführt. Es definiert durch die Berechnung von Inputs und Ausgängen "gute Qualitäts -CHP" im Hinblick auf die Erreichung von Primärenergieeinsparungen gegen herkömmliche separate Erzeugung von Wärme und Elektrizität. Die Einhaltung der kombinierten Wärme- und Leistungsqualitätssicherung ist erforderlich, damit die Anlagen der Kollektion für staatliche Subventionen und steuerliche Anreize berechtigt sind.[61]

Kogeneration in den Vereinigten Staaten

Die 250 MW Kendall Cogeneration Station pflanzen in Cambridge, Massachusetts

Vielleicht der erste moderne Gebrauch von Energierecycling wurde von Thomas Edison. Sein 1882 Pearl Street StationDas erste Handelskraftwerk der Welt war ein kombiniertes Wärme- und Kraftwerk, das sowohl Strom- als auch Wärmeenergie erzeugt, während die Wärmewärme für warme benachbarte Gebäude verwendet wurde.[62] Das Recycling ermöglichte es Edisons Anlage, um eine Effizienz von ungefähr 50 Prozent zu erreichen.

Anfang des 20. Jahrhunderts entstanden die Vorschriften zur Förderung der ländlichen Elektrifizierung durch den Bau zentraler Pflanzen, die von regionalen Versorgungsunternehmen verwaltet wurden. Diese Vorschriften förderten nicht nur die Elektrifizierung im gesamten Land, sondern entmutigten auch die dezentrale Stromerzeugung, wie z. B. die Kogeneration.

Bis 1978 erkannte der Kongress, dass die Effizienz in zentralen Kraftwerken stagniert hatte und versuchte, eine verbesserte Effizienz mit dem zu fördern Gesetz zur Regulierung des öffentlichen Versorgungsunternehmens (Purpa), das die Versorgungsunternehmen dazu ermutigte, Strom von anderen Energieerzeuger zu kaufen.

Kogenerungsanlagen vermehrten sich und produzierten bald etwa 8% aller Energie in den USA.[63] Die Gesetzesvorlage hat jedoch die Umsetzung und Durchsetzung auf einzelne Staaten zurückgelassen, was in vielen Teilen des Landes nur wenig oder nichts unternommen hat.

Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat ein aggressives Ziel, bis 2030 20% der Erzeugungskapazität zu 20% der Erzeugungskapazität zu machen. Acht Anwendungszentren für saubere Energie[64] wurden im ganzen Land etabliert. Ihre Mission ist es, die erforderlichen Kenntnisse und Bildungsinfrastrukturen für Technologieanwendungen zu entwickeln, die für die Leitung von "sauberen Energie" (kombinierte Wärme- und Stromversorgung, Wärmewiederherstellung und Distriktenergie) als tragfähige Energieoptionen erforderlich sind und alle mit ihrer Umsetzung verbundenen wahrgenommenen Risiken reduzieren. Der Schwerpunkt der Anwendungszentren liegt auf der Bereitstellung eines Bereitstellungsprogramms für die Öffentlichkeitsarbeit und Technologie für Endbenutzer, politische Entscheidungsträger, Versorgungsunternehmen und Branchenbeteiligte.

Hohe elektrische Raten in Neuengland und im mittleren Atlantik machen diese Gebiete der Vereinigten Staaten zum vorteilhaftesten für die Verschlüsselung.[65][66]

Anwendungen in Stromerzeugungssystemen

Fossil

Jedes der folgenden herkömmlichen Kraftwerke kann in ein kombiniertes Kühl-, Wärme- und Leistungssystem umgewandelt werden:[67]

Nuklear

Verlängerbar

Siehe auch

Weitere Lektüre

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