Введение в
термодинамику сложных систем
Когенерация
Когенерация – это использование тепловых двигателей и электростанций для выработки электрической энергии одновременно с получением теплоты с целью ее дальнейшего использования.
В процессе производства электроэнергии всегда выделяется определенное количество теплоты. Это тепло обычно отводится в окружающую среду либо с помощью стояков водного охлаждения, либо через трубу – с горячим дымом, либо как-то еще. Технология когенерации позволяет перехватывать значительное количество теплоты и использовать ее для нагревания – либо с последующим применением на самой электростанции, либо для нужд централизованного отопления, с диапазоном температур от 80 до 130 °C.
В США фирма Con Edison со своих семи когенерационных предприятий ежегодно поставляет 30 млрд. фунтов горячего пара (180 °C) в 100 000 зданий на Манхэттене, что является рекордом для Соединенных Штатов; пиковые поставки достигают 30 млн. фунтов в час.
Когенерационное тепло умеренных температур (100-180°C) может быть использовано в абсорбционных холодильниках. Технология, позволяющая производить одновременно электричество, тепло и холод, называется тригенерацией или полигенерацией.
Когенерация является термодинамически эффективным методом использования топлива: при простой выработке электроэнергии значительная часть энергии теряется с выделением тепла, в то время как при когенерации термальная энергия также идет в дело.
Термальные электростанции (то есть использующие ядерное топливо или сжигающие уголь, нефть или газ) и тепловые генераторы, как правило, не преобразуют всю тепловую энергию в электричество. В большинстве генераторов более половины тепла теряется как избыточное. Перехват тепла с помощью методов когенерации позволяет достигать КПД = 89%, по сравнению с 55% на обычных электростанциях. Это означает, что для производства такого же количества энергии может быть потрачено значительно меньше топлива.
Некоторые электростанции с тройным циклом использовали комбинированный цикл, при котором различные термодинамические циклы производили электричество, а нагревательные системы использовались как конденсатор парового цикла. Например, в московском МГД-генераторе RU-25 происходило нагревание бойлера для обычной паровой электростанции, после чего конденсат использовался для отопления. Более современные системы используют газовые турбины, работающие на натуральном газе, горячий выхлоп которых применяется для производства пара, конденсат от которого переносит тепло.
Жизнестойкость установок когенерации (называемая иногда фактором утилизации), особенно – небольших установок, зависит от правильной нагрузки, как в части потребления электричества, так и в части потребления теплоты. На практике редко существует четкий баланс между потреблением тепла и электричества. Поэтому когенерационная установка обычно работает либо на удовлетворение потребностей в отоплении, либо как электростанция, использующая также избыточную теплоту. В последнем случае имеет место меньший утилизационный фактор и, как следствие, меньшая эффективность. Жизнестойкость резко возрастает, если есть возможность для осуществления метода тригенерации. В этом случае вырабатываемое тепло также используется в качестве источника энергии для выработки холода с помощью абсорбционных холодильников.
Установки когенерации наиболее эффективны, если вырабатываемое тепло может быть использовано на месте, либо недалеко от места выработки; эффективность снижается, как правило, за счет транспортировки на большие расстояния. Приходится оборудовать трубы дорогой и громоздкой теплоизоляцией, что проигрывает в сравнении с передачей электричества по проводам на большие расстояния с минимальными потерями энергии.
Автомобильный двигатель зимой также превращается в когенерационную установку, так как использует свое тепло для отопления салона автомобиля. Этот пример иллюстрирует важность близкого расположения источника тепла (двигателя) к потребителю.
Когенерационные установки обычно применяются в централизованных системах теплоснабжения городов, госпиталей, тюрем, нефтеперерабатывающих заводов, станций очистки сточных вод, предприятиях термальной регенерации масел, а также на больших заводах, имеющих большие потребности в тепле.
Предприятия термальной регенерации масел часто производят достаточно большое избыточное количество электроэнергии. Помимо выработки электроэнергии, на этих предприятиях с помощью насосов производится накачка излишков пара в резервуары с маслом, что делает масло более жидким. Такие предприятия в Керн Каунти, в Калифорнии, производят так много электричества, что его потребителем является даже Лос-Анджелес.
Когенерация является наиболее эффективным по цене методом использования угольного топлива в холодных климатических условиях.
Когенерационные установки (когенераторы) широко используются в малой энергетике (мини-ТЭЦ). И для этого есть следующие причины:
ü Тепло используется непосредственно в месте получения, а это обходится гораздо дешевле, чем строительство и эксплуатация многокилометровых теплотрасс;
ü Электричество используется большей частью в месте получения, в результате, без накладных расходов поставщиков энергии, его стоимость для потребителя может быть до 5 раз меньше, чем у энергии из сети.
ü Потребитель приобретает энергетическую независимость от сбоев в электроснабжении и аварий в системах теплоснабжения.
ü Использование когенерации наиболее выгодно для потребителей с постоянным потреблением электроэнергии и тепла. Для потребителей, у которых имеются ярко выраженные «пиковые нагрузки» (например, жилое хозяйство, ЖКХ) когенерация мало выгодна — из-за большой разницы между установленной и среднесуточной мощности окупаемость проекта значительно затягивается.
В советской технической литературе распространён термин теплофикация — централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства электроэнергии и тепла на теплоэлектроцентралях.
