Cogenerare

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Centrala de cogenerare Moncalieri , care furnizează căldură rețelei de termoficare din zona metropolitană din Torino [1]

Cogenerarea este procesul de producere simultană de energie mecanică (de obicei transformată în electricitate ) și căldură , care poate fi utilizată pentru încălzirea clădirilor și / sau pentru procesele industriale de producție.

Introducere

Spectrul de performanță electrică și termică în ceea ce privește instalațiile de cogenerare variază de la câțiva la sute de megawați . Din moment ce aproximativ anul 2000, sistemele de mărimea unei mașini de spălat au fost din ce în ce disponibile pe piață , așa-numitele mini și cogenerare micro - putere plante pentru o singură familie case, întreprinderi mici și hoteluri. În 2009, a fost lansat un proiect VW care implică instalarea a 100.000 de instalații mici de cogenerare, cu o performanță totală de aproximativ 2 GW. [2]

De obicei, o instalație de cogenerare este compusă din:

  • Primul motor;
  • Generator electric ;
  • Sistemul motorului;
  • Unități de recuperare a căldurii;

Dacă ar fi împărțiți de primii motori, am putea distinge:

Un exemplu

Un exemplu este dat de funcționarea unei mașini : puterea preluată de la arborele cotit este utilizată pentru tracțiune și producerea de energie electrică , căldura preluată din buteliile pentru încălzirea habitaclului și presiunea gazelor de eșapament pentru a deplasa turbina de supraîncărcare . Exploatarea căldurii și a presiunii nu implică o creștere a consumului, deoarece acestea sunt deșeuri din procesul de conversie din energie chimică în energie mecanică efectuată de motor.

Exploatarea lor face posibilă transformarea energiei primare introduse ( combustibilul furnizează energie chimică) în diferite forme de energie secundară produsă (mișcare, căldură). Un sistem care funcționează de cogenerare se numește co-generator de .

Unul dintre primele exemple de difuzie a cogenerării la scară mică [ fără sursă ] în Italia a fost TOTEMul creat în 1973 de ing. Mario Palazzetti, de la Centrul de Cercetare Fiat .

Utilizări ale cogenerării

Energia termică poate fi utilizată pentru uz industrial sau condiționarea mediului (încălzire, răcire).

Cogenerarea se realizează în special în instalații termoelectrice , unde se recuperează apă caldă sau abur de proces și / sau vapori, produși de un motor primar alimentat cu combustibili fosili ( gaze naturale , păcură etc.) sau de combustibili organici, nu fosili ( biomasă , biogaz , gaz de sinteză sau altele): se obține astfel o economie semnificativă de energie în comparație cu producția separată de energie electrică (prin generarea într-o centrală electrică) și energie termică (printr-o centrală termică tradițională).

Un domeniu special al sistemelor de cogenerare este cel al trigenerării .

Definiția efficient

Eficiența poate fi exprimată în diferite moduri, care nu conduc întotdeauna la o comparație corectă între diferitele sisteme. Definițiile adoptate de Agenția pentru Protecția Mediului (EPA) sunt apoi ilustrate.

Eficiența unui proces simplu este raportul dintre energia stocată, la sfârșitul procesului și aportul de energie.

Deoarece sistemele de cogenerare produc atât electricitate, cât și căldură , eficiența lor totală este dată de suma eficienței electrice și a eficienței termice. De exemplu, o instalație care folosește 100 MWh metan pentru a produce 40 MWh electricitate și 40 MWh energie termică are o eficiență electrică și termică de 40% și un randament global de 80%.

EPA folosește de preferință o altă definiție a eficienței cunoscută sub numele de „eficiență a combustibilului”, raportul dintre puterea electrică netă și consumul net de combustibil (care nu ia în considerare combustibilul utilizat pentru a produce energie termică utilizabilă, calculat presupunând o eficiență specifică a cazanului de 80% ). Reciprocitatea acestui raport este cantitatea netă de căldură .

Există, de asemenea, alți indici pentru evaluarea performanței unei instalații de cogenerare: primul dintre toate este așa-numitul IRE, un indice de economisire a energiei . Acest indice este definit ca raportul dintre diferența de putere absorbită de instalațiile individuale pentru producerea de energie electrică și căldură separat, mai mică decât cea absorbită de instalația de cogenerare, împărțită la puterea absorbită de instalațiile separate, această putere fiind evaluată în termeni de combustibil la putere electrică și termică egală produsă de instalațiile respective. Acest indice oferă ideea cât de multă energie poate fi economisită cu aceste sisteme; prin calcule analitice simple este posibil să se demonstreze că acest indice este dependent de randamentele de referință ale instalațiilor individuale definite ca raporturile respective între puterea electrică pe puterea absorbită și puterea termică pe puterea absorbită.

Alți indici importanți sunt indicele electric definit ca raportul dintre puterea electrică furnizată și puterea termică produsă de aceeași instalație de cogenerare, coeficientul de utilizare destinat ca suma raporturilor dintre puterea electrică și puterea absorbită și puterea termică și care a introdus.

Totuși, toți acești coeficienți sunt relativi la un moment specific intervenind în ele puterile și din acest motiv acești indici sunt utili pentru a determina valorile plăcii sistemului, adică valorile maxime ale performanței sistemului.

Foarte des este convenabil să faceți referire la o perioadă de timp finită și să evaluați indicii din acea perioadă: acest lucru este echivalent cu evaluarea indicilor în termeni de raporturi energetice mai degrabă decât de puteri, aceste evaluări sunt importante deoarece vă permit să stabiliți unde este mai convenabil pentru realizarea unui proiect dat de instalație de cogenerare, în funcție de consumul de energie obținut în aceste zone.

În cele din urmă, indicele de economisire economic care este definit ca raportul dintre costurile care ar apărea la cumpărarea energiei din exterior minus costurile care ar fi suportate prin cumpărarea combustibilului pentru alimentarea centralei de cogenerare pe care doriți să o construiți și care produce o cantitate egală de energie pe care doriți să o cumpărați, împărțită la costul energiei pe care doriți să o cumpărați. Acest indice face posibilă evaluarea comodității economice pe care o presupune un astfel de proiect, desigur o evaluare economică corectă și completă implică un calcul al costurilor pentru întreținerea centralei și investițiile aferente.

Eficiența energetică a cogenerării

Cogenerarea este o tehnologie care face posibilă creșterea eficienței energetice generale a unui sistem de conversie a energiei. Dar pentru a explica de ce este necesar să analizăm randamentele .

Coeficientul de eficiență este caracteristic pentru fiecare tip de motor și reprezintă relația dintre randamentul de energie rezultat și combustibilul introdus. În motorul unei mașini indică raportul dintre kilometrii parcurși și cantitatea de hidrocarburi introdusă; la motoarele mari pentru producerea de energie electrică, coeficientul indică raportul dintre kilowata-orele produse și combustibilul consumat.

Aceste rapoarte sunt caracteristice pentru fiecare tip de motor. De exemplu, motoarele pe benzină au o eficiență cuprinsă între 20 și 30%; mașinile cu motoare diesel între 25 și 35%, restul devine căldură uzată.

Motoarele mari au o eficiență mai mare și, deși generalizează mult, se poate spune că pentru motoarele termoelectrice, coeficientul de eficiență este destul de mare și poate ajunge la 55%. Dar atunci când același motor produce în cogenerare are coeficienți care ajung la 85%, deoarece puterea calorică a combustibilului este utilizată la maxim, cu o optimizare eficientă a proceselor.

Desigur, investițiile pentru adaptarea motoarelor unei centrale termoelectrice la cogenerare sunt considerabile, dar dacă este posibilă crearea unei rețele de termoficare, rezultatele sunt întotdeauna avantajoase. De fapt, trebuie luată în considerare perioada de utilizare a acestor mașini, care poate ajunge chiar și la 30-40 de ani.

Tipuri de plante de cogenerare

Centrala termoelectrică de cogenerare Ferrera Erbognone ( PV )

Cel mai frecvent exemplu de instalație de cogenerare este cel realizat cu turbogaz / motor alternativ și cazan de recuperare. Fumul de la turbogaz sau de la motorul alternativ este transportat printr-o conductă de fum în cazanul de recuperare. Recuperarea poate fi simplă, dacă nu există arzător, sau recuperarea cu arzător în caz contrar. Fumul din cazan face posibilă producerea de apă fierbinte, abur saturat sau abur supraîncălzit . De obicei, apa caldă este utilizată pentru încălzire, aburul saturat pentru utilizatorii industriali și aburul supraîncălzit pentru turbinele cu aburi și utilizatorii.

În cele din urmă, producția de energie electrică se obține prin alternatorul cuplat la turbogaz și, eventual, prin alternatorul cuplat la turbo-abur, și producerea de energie termică sub formă de abur, care este apoi exploatată de utilizatorii conectați.

În prezența aburului turbo, se obține un ciclu combinat în care dispersia energetică este minimă și constă în cea mai mare parte din căldura emisă în atmosferă de vaporii care părăsesc boilerul de recuperare.

În ceea ce privește fluidul involut, aceasta este de obicei apă care, în multe cazuri, ajunge la starea aburului supraîncălzit, dar în altele poate atinge temperaturi care nu sunt suficient de ridicate. Din acest motiv, veți avea nevoie de schimbătoare de căldură intermediare pentru a crește temperatura.

Mai rar, fluidul în evoluție este aerul care are totuși defectul de a avea un coeficient de schimb de căldură convectiv prea mic și, prin urmare, sunt necesare suprafețe de schimb de căldură mult mai mari.

În ceea ce privește motoarele cu ardere internă , în general doar 33% din energia totală disponibilă este transformată în energie mecanică, restul fiind parțial pierdut din cauza ireversibilității prezente în motor egal cu încă 33% din energia totală și în cele din urmă ultimele 33 % este emis în mediul extern sub formă de energie termică care se pierde în cele din urmă.

Pentru a recupera această căldură altfel pierdută, se utilizează diferite schimbătoare de căldură: un prim schimbător care permite răcirea uleiului de ungere, este disponibil la temperatură scăzută (nu peste 80 ° C), un alt schimbător pentru răcirea apei destinate răcirii motorului în sine și, în cele din urmă, un ultim schimbător plasat la evacuarea motorului care permite creșterea semnificativă a temperaturii fluidului de schimb de căldură în general, după cum sa spus, apă , care pentru acest schimb de căldură suplimentar poate ajunge la starea aburului supraîncălzit. Prin aceste sisteme este posibil să se producă energie electrică și termică. În afară de costul schimbătorilor de căldură , acest lucru nu constituie o complicație excesivă a sistemului, deoarece aceste motoare au nevoie de un sistem de răcire pentru a funcționa oricum, altfel există riscul supraîncălzirii motorului.

În cele din urmă, fluidele în evoluție utilizate în mod special sunt uleiurile diatermice derivate din petrol, care au caracteristica de a rămâne lichid la presiunea atmosferică până la temperaturi de 300 ° C și au un punct de solidificare mult mai scăzut decât apa, ceea ce le împiedică să înghețe. conducte.

Cogenerare mică (și micro cogenerare )

Cogenerarea cu o putere electrică mai mică de 1 MW este definită ca o cogenerare mică , care are o putere mai mică de 50 kW micro-cogenerare și se realizează utilizând motoare alternative cu ardere internă, microturbine cu gaz sau motoare cu ciclu Stirling [3] . Principala diferență între cogenerarea la scară mică și micro-cogenerare constă în faptul că în cogenerarea la scară mică, energia termică este un produs secundar, în timp ce micro-cogenerarea este direcționată în principal către producția de căldură și, în al doilea rând, către electricitate.

Avantajele cogenerării mici

Pe scurt, avantajele cogenerării mici sunt [4] :

  • Utilizarea energiei termice altfel neutilizate, cu economii de combustibil
  • Mai puțină poluare a aerului
  • Lanț de distribuție a energiei electrice semnificativ mai scurt, cu o reducere netă a pierderilor pe linie
  • Reducerea infrastructurii (centrale electrice și linii electrice)

Microcogenerare

Trigenerarea

Trigenerarea implică producerea simultană de energie mecanică (electricitate), căldură și frig folosind un singur combustibil , de fapt o instalație de trigenerare este „capabilă să producă energie electrică, termică și frigorifică combinată ... garantând o reducere semnificativă a energiei. Utilizarea fosilelor combustibili și emisii echivalente de CO2 " [5] . Acest lucru se realizează deoarece centralele termice tradiționale transformă doar 1/3 din energia combustibilului în electricitate, în timp ce restul se pierde sub formă de căldură . De aici și necesitatea creșterii eficienței producției de energie electrică. O metodă care merge în această direcție este producția combinată de căldură și electricitate (cunoscută și sub acronimul englez CHP , din căldură și energie combinate ) în care mai mult de 4/5 din energia combustibilului este transformată în energie utilizabilă, cu beneficii atât financiare și economic.

Sistemele de trigenerare

Sistemele de cogenerare pot fi proiectate și fabricate pentru a funcționa cu orice sursă primară de căldură. Astăzi, aceste sisteme sunt mature din punct de vedere tehnic și convenabile din punct de vedere economic pentru a fi adoptate pe scară largă, printre numeroasele configurații posibile pe care le menționăm:

  • sisteme de cogenerare a combustibililor fosili;
  • sisteme de trigenerare a combustibililor fosili;
  • co-trigenerare cu sisteme solare termice;
  • co-trigenerare cu biogaz;
  • sisteme hibride de cogenerare și trigenerare.

Cogenerare de căldură cu pile de combustie

În prezent, este posibil să se producă hidrogen gazos din metan din rețeaua publică sau din biogaz (după desulfurare , deoarece H 2 S „otrăvește” membranele schimbătoare de protoni) cu un proces de reformare care utilizează vapori de apă . Hidrogenul reacționează cu oxigenul atmosferic într-o membrană de schimb de protoni pentru a produce curent electric direct. Căldura poate fi recuperată pentru încălzirea spațiului, apa curentă, dezinfecția cu jet de abur etc. [6] [7]

Notă

  1. ^ Torino: Centrale di Moncalieri , site-ul IREN Energia www.irenenergia.it Arhivat la 2 octombrie 2012 în Internet Archive . (accesat în mai 2012)
  2. ^ Spiegel online: VW strickt das Volksstromnetz , Artikel vom 9. September 2009, abgerufen am 6. Februar 2010
  3. ^ O revizuire extinsă a tehnologiilor de micro-cogenerare poate fi găsită aici [ link rupt ]
  4. ^ Pentru o discuție mai amplă, a se vedea: Michele Bianchi, Avantajele energetice și de mediu ale micului și micului mediu al cogenerării mici și micro ( PDF ), pe unife.it , Universitatea din Ferrara. Adus la 7 iunie 2021 (arhivat din original la 11 februarie 2012) .
  5. ^ O casă de energie „verde” la serviciul campusului Forlì
  6. ^ COGENERATION-NET : Fuel Cell Cogeneration Arhivat 9 octombrie 2009 la Internet Archive .
  7. ^ Sapio Group și Cercetare pentru sectorul energetic [ conexiune întreruptă ]

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 33345 · LCCN (EN) sh85027734 · GND (DE) 4134359-1 · BNF (FR) cb11977234v (dată)