ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Σταθμοί Παραγωγής Ενέργειας Ενότητα 5: Συμπαραγωγή (Cogeneration CHP) Δρ Γεώργιος Αλέξης Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί Ενότητας Σκοπός της ενότητας αυτής αποτελεί αφενός η κατανόηση από τους φοιτητές της λειτουργίας των συστημάτων συμπαραγωγής ηλεκτρισμού θέρμανσης/ψύξης και αφετέρου το πώς τα συστήματα αυτά συνεισφέρουν στην εξοικονόμηση ενέργειας. Με την εμπέδωση των παραπάνω γνώσεων και των χρησιμοποιούμενων μεθόδων οι φοιτητές θα μπορούν να επιλέγουν το κατάλληλο σύστημα συμπαραγωγής. 4
Περιεχόμενα Ενότητας Εισαγωγή Βαθμός Απόδοσης Μονάδων Συμπαραγωγής Καύσιμα Μονάδων Συμπαραγωγής Νομοθετικό Πλαίσιο Κριτήρια Ενεργειακού Σχεδιασμού Μονάδων ΣΗΘΥΑ Ν3734/2009 Δείκτες Αποδοτικότητας των Συστημάτων Συμπαραγωγής Λειτουργικά Κριτήρια Μονάδων Συμπαραγωγής Ταξινόμηση Συστημάτων Συμπαραγωγής Τρόποι Λειτουργίας των Συστημάτων Συμπαραγωγής Πλεονεκτήματα των ΣΗΘ 5
Εισαγωγή Μερικά από τα σημαντικότερα προβλήματα της εποχής που διανύουμε είναι: Η δραματική επιβάρυνση του περιβάλλοντος Η μείωση των αποθεμάτων των συμβατικών καυσίμων Οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις Για το λόγο αυτό η παγκόσμια ερευνητική κοινότητα έχει στρέψει το ενδιαφέρον της στην εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και στην προσπάθεια αύξησης της απόδοσης σε ήδη υπάρχοντα ενεργειακά συστήματα. Μια προσπάθεια για την αύξησης της απόδοσης σε ήδη υπάρχοντα ενεργειακά συστήματα και όχι μόνο αποτελεί και η ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ 6
Εισαγωγή (2) Η συμπαραγωγή θερμότητας ή/και ψύξης, καθώς και μηχανικής ή/και ηλεκτρικής ενέργειας από την ίδια πηγή προσφερόμενης ενέργειας, είναι μια σημαντική τεχνική στα πλαίσια της εξοικονόμησης ενέργειας 7
Εισαγωγή (3) Σ όλες τις εγκαταστάσεις παραγωγής μηχανικού έργου (ατμοστρόβιλοι, αεριοστρόβιλοι, μηχανές εσωτερικής καύσης κ.τλ.) ποσά θερμότητας αποβάλλονται στο περιβάλλον είτε μέσω των συμπυκνωτών και πύργων ψύξης, είτε με τα καυσαέρια, είτε ακόμη και με τα ψυκτικά δίκτυα των μηχανών Αυτή η αποβαλλόμενη θερμότητα μπορεί να αποβεί χρήσιμη και να γίνει εκμετάλλευσή της με τις μονάδες συμπαραγωγής 8
Βαθμός Απόδοσης Συμβατικής Εγκατάστασης & Εγκατάστασης Συμπαραγωγής Οι συμβατικοί σταθμοί ηλεκτρικής ενέργειας έχουν βαθμό απόδοσης που δεν ξεπερνάνε το 30%-45%, οι σταθμοί συμπαραγωγής μπορούν να φθάσουν το 80%-90% ΣΥΜΒΑΤΙΚΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Καύσιμο 100 Ηλεκτροπαραγωγή Ηλεκτρισμός 35 Καύσιμο 100 Λέβητας Θερμότητα 85 η=(35+85)/200=0.65 ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Καύσιμο 100 Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμός 30 Θερμότητα 55 η=(30+55)/100=0.85 9
Τα Θετικά Αποτελέσματα της Συμπαραγωγής 10
Τριπαραγωγή (Θερμότητα + Ψύξη + Ηλεκτρισμός) 11
Διάταξη Tριπαραγωγής 12
Καύσιμα Μονάδων Συμπαραγωγής Τύπος καυσίμου Κατωτέρα Θ.Δ. (kj/kg) (ενδεικτικά) Φυσικό αέριο 45000 Λιγνίτης 27300 Μαζούτ 40000 Diesel 42800 Βιοκαύσιμα 10000-40000 13
Νομοθετικό Πλαίσιο Η συμπαραγωγή σαν έννοια παρουσιάζεται στην Ευρώπη και στις Η.Π.Α. στο τέλος του 19ου αιώνα και στη συνέχεια στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις στις αρχές του 20ου αιώνα. Στην Ελλάδα με το Ν1559/1994 και στη συνέχεια με το Ν2244/1994 μπαίνουν οι βάσεις για την εγκατάσταση σταθμών συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού. Τελευταία δε με τους νόμους: Ν3468/2006: «Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης και λοιπές διατάξεις» Ν3734/2009: «Προώθηση της συμπαραγωγής δύο ή και περισσοτέρων χρήσιμων μορφών ενέργειας», ενσωματώνει την οδηγία 2004/8/ΕΚ. τα πράγματα γίνονται περισσότερο συγκεκριμένα. 14
Τεχνολογίες Συμπαραγωγής Ν3734/2009 α. Συνδυασμένος κύκλος αεριοστροβίλου με ανάκτηση θερμότητας β. Ατμοστρόβιλος αντίθλιξης γ. Ατμοστρόβιλος συμπύκνωσης απομάστευσης δ. Αεριοστρόβιλος με ανάκτηση θερμότητας ε. Παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης στ. Μικροστρόβιλος ζ. Μηχανή Stirling η. Κυψέλη καυσίμου θ. Ατμομηχανή ι. Οργανικός κύκλος Rankine 15
Συνδυασμένος Κύκλος Αεριοστροβίλου με Ανάκτηση Θερμότητας 16
Ατμοστρόβιλος Αντίθλιξης 17
Ατμοστρόβιλος Συμπύκνωσης Απομάστευσης 18
Αεριοστρόβιλος με Ανάκτηση Θερμότητας 19
Παλινδρομική Μηχανή Εσωτερικής Καύσης 20
Μικροστρόβιλος 21
Μηχανή Stirling 22
Παραδείγματα 23
Εγκατεστημένες Μονάδες Συμπαραγωγής το 2006 στον Ελλαδικό Χώρο Τομέας Ηλεκτρισμός (MW e ) Θερμότητα (MW th ) ΔΕΗ 63,7 345,6 Διυλιστήρια 112,6 159,22 Βιομηχανίες τροφίμων, ποτών, καπνού 59,7 254,06 Βιομηχανίες υφασμάτων, δέρματος 3,3 3,6 Βιομηχανίες μη-σιδηρούχων μετάλλων 10 36,67 Βιομηχανίες μη μεταλλικών υλικών 1,1 3,68 Νοσοκομεία 0,75 0,89 Πανεπιστήμια 2,72 3,09 Οικολογικές κατοικίες 9,77 11 Σύνολο 263,6 818,8 Σήμερα (2014) είναι 99,1 MW 24
Διάκριση Μονάδων Συμπαραγωγής Συμπαραγωγή μεγάλης κλίμακας: Ν3734/2009 Εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύς 1MWe Συμπαραγωγή μικρής κλίμακας: Εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύς 1MWe Συμπαραγωγή πολύ μικρής κλίμακας: Εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύς 50kWe Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού & θερμότητας υψηλής αποδοτικότητας (ΣΗΘΥΑ) (Είναι η συμπαραγωγή που εξασφαλίζει εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας τουλάχιστον 10% σε σχέση με την χωριστή παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Στις δύο πρώτες περιπτώσεις, ανεξάρτητα με το ποσοστό εξοικονόμησης, χαρακτηρίζονται ως συμπαραγωγές υψηλής αποδοτικότητας) 25
Κριτήρια Ενεργειακού Σχεδιασμού Μονάδων ΣΗΘΥΑ Ν3734/2009 Εξασφάλιση σταθερών φορτίων για τουλάχιστον 6500 ώρες/έτος και για τουλάχιστον 7 έτη Επιλογή τεχνολογίας που να καλύπτει τις απαιτήσεις του Νόμου για ΣΗΘΥΑ Για την επίτευξη του 2ου κριτηρίου ευνοούνται οι ΜΕΚ στα μικρά μεγέθη (<4 MWe) έναντι των Α/Σ 26
Παράδειγμα Ωριαίου Ημερήσιου Προφίλ Ηλεκτρικού Φορτίου 27
Παράδειγμα Ωριαίου Ημερήσιου Προφίλ Θερμικού Φορτίου 28
Παράδειγμα Μηνιαίου Προφίλ Ηλεκτρικού και Θερμικού Φορτίου % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Θερμικό Ηλεκτρικό 29
Δείκτες Αποδοτικότητας των Συστημάτων Συμπαραγωγής Βαθμός απόδοσης του κύριου κινητήρα (ατμοστρόβιλος, αεριοστρόβιλος, ΜΕΚ, κ.λπ.): ηm=w/f, F=mfHu W : η ισχύς στον άξονα του κύριου κινητήρα F : η ισχύς του καυσίμου που καταναλώνεται από το σύστημα Hu : η κατωτέρα θερμογώνος δύναμη του καυσίμου mf : η παροχή μάζας του καυσίμου Ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης: ηe=we/f We : η καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος Θερμικός βαθμός απόδοσης: ηth=qu/f QU : η ωφέλιμη θερμική ισχύς 30
Λειτουργικά Κριτήρια Μονάδων Συμπαραγωγής Α. Λόγος ηλεκτρισμού προς θερμότητα (power heat ratio - PHR) PHR = W e We : η καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος QU : η ωφέλιμη θερμική ισχύς Ο λόγος ηλεκτρισμού προς θερμότητα αποτελεί έναν από τους κύριους παράγοντες για την επιλογή ενός συστήματος συμπαραγωγής Q U 31
Προδιαγραφές Συστημάτων ΣΗΘ 32
Διάγραμμα Ροής για την Επιλογή Μονάδας ΣΗΘ 33
Λειτουργικά Κριτήρια Μονάδων Συμπαραγωγής (2) Β. Συντελεστής διάθεσης της ενέργειας (Energy Utilization Factor EUF) Στις μονάδες συμπαραγωγής χαρακτηριστικό μέγεθος είναι ο συντελεστής διάθεσης της ενέργειας: W + QU EUF, η = e = η + η F e th W e η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια και Q U η ωφέλιμη θερμότητα που καλύπτει τις απαιτήσεις του θερμικού φορτίου 34
Λειτουργικά Κριτήρια Μονάδων Συμπαραγωγής (3) Γ. Λόγος εξοικονόμησης ενέργειας καυσίμου (Fuel Energy Savings Ratio FESR) Ένα ακόμη χαρακτηριστικό μέγεθος των μονάδων συμπαραγωγής είναι ο λόγος εξοικονόμησης ενέργειας του καυσίμου προς την ενέργεια του καυσίμου που απαιτούν οι δύο ξεχωριστές εγκαταστάσεις: F FESR = QU W QU W F = + F + nb nm n n B m Το θερμοδυναμικό αυτό μέγεθος φαίνεται πως είναι το πιο χρήσιμο, ως λειτουργικό κριτήριο των μονάδων συμπαραγωγής, από όσα έχουν περιγραφεί, μια και συνδέεται άμεσα με την οικονομική εκτίμηση μονάδων συμπαραγωγής 35
Λειτουργικά Κριτήρια Μονάδων Συμπαραγωγής (4) Σύμφωνα με την ΥΑ (ΦΕΚ Β 1420/2009) ο λόγος εξοικονόμησης ενέργειας του καυσίμου μπορεί να εκτιμηθεί από τη σχέση: FESR = 1 n n e er 1 + n n th thr Οι εναρμονισμένες τιμές αναφορές ner και ηthr των βαθμών απόδοσης για χωριστή παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας εκτιμώνται από την παραπάνω ΥΑ, ανάλογα με την κλιματική ζώνη και τις κλιματικές συνθήκες, αλλά και εάν η ηλεκτρική ενέργεια διοχετεύεται ή όχι στο δίκτυο 36
Λειτουργικά Κριτήρια Μονάδων Δ. Συνδυαστικές σχέσεις Συμπαραγωγής (5) Συνδυάζοντας τις παραπάνω σχέσεις προκύπτουν άλλες πολλή χρήσιμες για τον καθορισμό αποδεκτών τιμών του λόγου ηλεκτρισμού προς θερμότητα ενός συστήματος συμπαραγωγής: Επίσης 1 η η = ηe 1 + PHR = PHR η FESR = 1 PHR + 1 PHR 1 η + η m η B e th = η e η η e Για να είναι αποδοτική η μονάδα συμπαραγωγής και να χαρακτηριστική ως ΣΗΘΥΑ θα πρέπει να ισχύει: FESR>0 και σύμφωνα με τον Ν3734/2009 να είναι >10%. 37
Ταξινόμηση Συστημάτων Συμπαραγωγής Σύστημα «αιχμής ή κορυφής» Πρωταρχική επιλογή η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από κινητήρα και η θερμική ενέργεια που απορρίπτεται από αυτόν χρησιμοποιείται στη συνέχεια για τις διεργασίες της θέρμανσης Σύστημα «βάσης» Η παραγωγή θερμότητας έχει πρωτεύουσα σημασία που παράγεται από απορριπτόμενο ατμό ή από κινητήρα, ενώ η ηλεκτρική ισχύς αποτελεί δευτερεύουσα επιλογή 38
Συστήματα «Αιχμής» Α. Τα καύσιμα καταναλώνονται σε έναν αεριοστρόβιλο ή μια μηχανή Diesel για την παραγωγή ηλεκτρικής ή μηχανικής ισχύος. Τα καυσαέρια παρέχουν θερμότητα για διεργασίες, ή οδηγούνται σε ένα λέβητα ανάκτησης θερμότητας όπου παράγεται ατμός για τη λειτουργία ενός δευτερεύοντος ατμοστροβίλου. Αυτό είναι ένα σύστημα αιχμής συνδυασμένου κύκλου 39
Συστήματα «Αιχμής» (2) Β. Τα καύσιμα (οποιουδήποτε είδους) καταναλώνονται για την παραγωγή ατμού υψηλής πίεσης που στη συνέχεια ο ατμός οδηγείται σε ατμοστρόβιλο παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Η εξαγωγή από τον ατμοστρόβιλο παρέχει ατμό διεργασιών χαμηλής πίεσης Αυτό είναι ένα σύστημα αιχμής ατμοστροβίλου 40
Συστήματα «Αιχμής» (3) Γ. Τα καύσιμα καταναλώνονται σε μία παλινδρομική μηχανή για την παραγωγή ηλεκτρικής ή μηχανικής ισχύος. Τα ζεστά νερά από το σύστημα ψύξης των χιτωνίων ή/και τα καυσαέρια της μηχανής οδηγούνται σε ένα σύστημα θέρμανσης χώρων και ζεστού νερού. Αυτό είναι ένα σύστημα αιχμής παλινδρομικής μηχανής 41
Συστήματα «Αιχμής» (4) Δ. Ένας αεριοστρόβιλος φυσικού αερίου οδηγεί μια γεννήτρια και τα καυσαέρια οδηγούνται στη συνέχεια σε ένα λέβητα ανάκτησης θερμότητας όπου παράγεται ατμός και θερμότητα διεργασιών. Αυτό είναι ένα σύστημα αιχμής αεριοστροβίλου 42
Συστήματα «Βάσης» Τα συστήματα κύκλου «βάσης» είναι πολύ λιγότερο συνηθισμένα από τα αντίστοιχα κύκλου «αιχμής». Τέτοια συστήματα συναντώνται σε βαριές βιομηχανίες, όπου πραγματοποιούνται διεργασίες πολύ υψηλών θερμοκρασιών. Ένας λέβητας ανάκτησης της απορριπτόμενης θερμότητας χρησιμοποιείται στη συνέχεια για να παραχθεί ατμός ο οποίος κινεί έναν ατμοστρόβιλο που παράγει ηλεκτρισμό. Δεδομένου ότι το καύσιμο καίγεται πρώτα κατά την παραγωγική διεργασία, δεν απαιτείται καμία πρόσθετη ποσότητα καυσίμου για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας. Π.χ. Παραγωγή SΟ 2 από σιδηροπυρίτη 43
Τρόποι Λειτουργίας των Συστημάτων Ο τρόπος λειτουργίας χαρακτηρίζεται από το κριτήριο στο οποίο βασίζεται η ρύθμιση της παραγωγής του ηλεκτρισμού και της ωφέλιμης θερμότητας ενός συστήματος συμπαραγωγής. Συμπαραγωγής Κάλυψη του θερμικού φορτίου Κάλυψη του ηλεκτρικού φορτίου Μικτή κάλυψη Αυτόνομη λειτουργία 44
Κάλυψη του Θερμικού Φορτίου Σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή, η ωφέλιμη παραγωγή θερμότητας του συστήματος συμπαραγωγής είναι ίση με το θερμικό φορτίο (χωρίς υπέρβαση της δυναμικότητας του συστήματος) Εάν η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι μεγαλύτερη από το φορτίο η πλεονάζουσα ενέργεια πωλείται στο δίκτυο, ενώ εάν είναι μικρότερη η συμπληρωματική ηλεκτρική ενέργεια αγοράζεται από το δίκτυο 45
Κάλυψη του Ηλεκτρικού Φορτίου Κάθε χρονική στιγμή η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι ίση με το ηλεκτρικό φορτίο (χωρίς υπέρβαση της δυναμικότητας του συστήματος ΣΗΘ) Εάν η συμπαραγώμενη θερμότητα είναι μικρότερη από το θερμικό φορτίο ένας βοηθητικός λέβητας υποβοηθά στην κάλυψη των αναγκών, ενώ εάν είναι μεγαλύτερη η πλεονάζουσα θερμότητα απορρίπτεται στο περιβάλλον μέσω συσκευών ψύξης ή μέσω των καυσαερίων 46
Μικτή Κάλυψη Σε ορισμένες χρονικές περιόδους ακολουθείται ο τρόπος κάλυψης του θερμικού φορτίου, ενώ σε άλλες περιόδους ακολουθείται ο τρόπος κάλυψης του ηλεκτρικού φορτίου Η απόφαση βασίζεται στην εκτίμηση παραμέτρων όπως είναι τα επίπεδα των φορτίων, η τιμή των καυσίμων και το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας κατά την συγκεκριμένη ημέρα και ώρα 47
Αυτόνομη Λειτουργία Υφίσταται πλήρης κάλυψη των ηλεκτρικών και θερμικών φορτίων σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή χωρίς σύνδεση με το δίκτυο. Αυτός ο τρόπος απαιτεί να διαθέτει το σύστημα ηλεκτρική και θερμική δυναμικότητα εφεδρείας, έτσι ώστε στην περίπτωση που μια μονάδα τεθεί εκτός λειτουργίας για οποιοδήποτε λόγο, οι υπόλοιπες μονάδες να είναι σε θέση να καλύψουν το ηλεκτρικό και το θερμικό φορτίο Αυτή είναι και η πιο δαπανηρή λύση, τουλάχιστον από την άποψη του αρχικού κόστους του συστήματος 48
Πλεονεκτήματα των ΣΗΘ Εξοικονόμηση καυσίμου Ενεργειακή αυτονομία Υψηλότερος βαθμός απόδοσης σε σχέση με συμβατικές τεχνολογίες χωριστής ηλεκτροπαραγωγής και παραγωγής θερμότητας Ευελιξία και ελαχιστοποίηση απωλειών Προσαρμοστικότητα σε τοπικές ενεργειακές ανάγκες, συμβολή στο ενεργειακό δυναμικό και στην ασφάλεια εφοδιασμού Μείωση εκπεμπόμενων ρύπων προς το περιβάλλον 49
Τέλος Ενότητας