تولید همزمان برق و حرارت

مقدمه

ابتدای قرن بیستم تولید قدرت الکتریکی در طفولیت خود بوده و بیشتر واحدهای صنعتی تمام قدرت الکتریکی مورد نیاز را خود تولید کرده و غالباً قدرت تولیدی مازاد را به واحدهای هم‌جوار نیز ارائه می‌کردند.

این واحدهای صنعتی در واقع اولین تولید‌کنندگان همزمان بوده‌اند. عمدۀ محرک‌های اولیه در آن زمان موتورهای بخاری رفت و برگشتی بوده و بخار خروجی با فشار پائین برای کاربردهای گرمایش استفاده می‌شد.

بین سالهای اولیه دهه ۲۰ تا ۷۰ صنعت برق رشد سریعی پیدا کرد که دلیل آن افزایش دیماند قدرت الکتریکی بود. همزمان با این رشد سریع یک کاهش عمومی در هزینه‌های تولید نیروی برق بوجود آمد که عمدتاً بدلیل مسائل اقتصادی ناشی از ابعاد و اندازه‌ها، فن‌آوری‌های کارآ و هزینه‌های کاهش یافته سوخت بود، در خلال این مدت، اغلب صنایع، تولید توان الکتریکی خود را به دلایل زیر فراموش کردند:

  1. نیروگاه‌ها نرخ‌های برق تولیدی خود را کاهش دادند.

  2. قوانین مالیات بر درآمد به جای حمایت از سرمایه‌گذاری در امر فوق به نفع هزینه‌های خریداران برق بود.

  3. هزینه‌های مربوط به دستمزدها افزایش یافت.

  4. صنایع علاقمند بودند تا به تولیدات توجه داشته باشند تا اینکه به مسائل جنبی مثل تولید قدرت الکتریکی بپردازد.

تخمین‌های مربوط به تولید انرژی الکتریکی همزمان نشان داد که طی سالهای ۱۹۵۴ تا ۱۹۷۶ تولید برق مشترک صنعتی آمریکا از ۲۵ درصد به ۹ درصد در کل تولید برق رسید.

تولید همزمان برق و حرارت (CHP) چیست ؟

معمولاً برق مورد نیاز واحدهای صنعتی، ساختمان‌های تجاری و ساختمان‌های مسکونی از نیروگاه‌های عمده کشور تأمین می‌شود. در حالیکه نیاز حرارتی تمام آنها در همان محل تولید می‌گردد. اما روش دیگری که از دیرباز وجود داشته و امروزه توجه بیشتری را معطوف خود کرده، تولید مشترک برق و حرارت است که عبارتست از تولید همزمان برق، یا توان محوری و حرارت مفید توسط یک سیستم.

سال‌ها پیش این فناوری برای اولین بار در نیروگاه‌های سیکل بخار بکار رفته و از بخار استخراج شده از سیکل برای مصارف گرمایشی کارخانه و واحدهای اطراف آن استفاده می‌شده است. این عمل گرچه کمی باعث کاهش راندمان نیروگاه بوده اما با تأمین حرارت مورد نیاز واحد از مصرف حجم زیادی سوخت جلوگیری می‌کرده است. خوشبختانه این ایده تنها به نیروگاه‌های بخار محدود نشد و در طی این سال‌ها، بویژه در سالهای اخیر، فناوری تولید مشترک برق و حرارت ، که بهره‌وری بالایی را در مصرف انرژی بدنبال دارد، به سایر مولدهای تولید قدرت (مکانیکی یا الکتریکی) گسترش داده شد. به عبارت دیگر امروزه می‌توان با پیشرفت‌های صورت گرفته، هر سیستم مولد قدرتی با هر اندازه و کاربرد را بصورت یک واحد مشترک طراحی نمود. به این ترتیب علاوه بر تولید توان الکتریکی یا مکانیکی توسط دستگاه، امکان استحصال حرارت اتلافی مولد یا موتور بصورت انرژی گرمایی قابل استفاده وجود دارد.
امروزه بدلیل توجه خاصی که به این نوع سیستم‌ها می‌شود و نیز اهمیت کاربرد آن در دنیای امروز و نهادینه کردن فرهنگ استفاده از آن، در ادبیات مهندسی بجای اصطلاح دیرآشنای Cogeneration از عنوان ” سیستم ترکیبی حرارت و قدرت“ Combined Heat) power (CHP استفاده می‌شود. بنابراین سیستم CHP در اصل یک فناوری جدید محسوب نمی‌شود. اما آنچنان پیشرفت و گسترش یافته است که کمتر شباهتی با مفهوم کلمه مترادفش ، Cogeneration دارد. همانطور که گفته شد سیستم‌های CHP غالباً برای تولید برق و حرارت بصورت هم‌زمان طراحی می‌شود. یک محرک اولیه (موتور یا توربین) انرژی شیمیایی سوخت را آزاد نموده و به توان مکانیکی در محور خروجی تبدیل می‌کند. در این موارد، محور محرک با یک ژنراتور کوپل شده و توان الکتریکی تولید می‌شود. از طرف دیگر، حداکثر راندمان موجود برای محرک اولیه دستگاه و مولد کمتر از ۵۰% است و این به معنی اتلاف بیش از نیمی از انرژی سوخت بصورت حرارت می‌باشد. در این نوع سیستم، منابع اتلاف این حرارت که عبارتند از گازهای خروجی از محرک اولیه، سیکل خنک‌کن و  روغن‌کاری، شناسایی شده و با قرار دادن مبدل‌های حرارتی، گرمای اتلافی به شکل حرارت با (دمای بالا) حرارت قابل استفاده بازیافت می‌شود. با فراهم شدن امکان استحصال حرارت اتلافی در سیستم تولید مشترک برق و حرارت خصوصیات منحصر بفرد این سیستم بدست می‌آید.

دستگاه CHP بیشترین بهره‌وری در مصرف انرژی سوخت را دارد. به گونه‌ای که متوسط راندمان یک مولد برق در حدود ۳۵% و متوسط راندمان یک بویلر ۹۰% است. در حالیکه یک سیستم CHP با تولید هر دوی این محصولات راندمانی بیش از ۸۵% دارد. یعنی راندمان الکتریکی آن حدود ۳۵% و راندمان حرارتی…..؟؟؟؟؟) منظور از راندمان حرارتی عبارتست از انرژی حرارتی تولید شده به انرژی سوخت مصرفی ۵۰% است. از طرف دیگر در مقایسه با سیستم‌های تولید برق و تولید حرارت متشابه رایج که بصورت مجزا هستند، حدود %۳۵ سوخت کمتری مصرف می‌کند.

کاهش در مصرف سوخت، هزینه سوخت مصرفی را در سبد اقتصادی واحد کاهش می‌دهد. همچنین از دید ملی، این صرفه‌جویی در مصرف سوخت می‌تواند چه از طریق صادرات و چه از طریق فراهم آمدن شرایطی برای استفاده‌های سودمندتر از سوخت فسیلی مزیت محسوب شود. بعلاوه استفاده هر چه کمتر از سوخت‌های فسیلی باعث کاهش آلاینده‌های محیط زیست می‌شود. سیستم‌های CHP نه تنها توسط فیلترهایی از آزاد شدن آلاینده‌هایی مانند CO، CO2 ، NOx و UHC جلوگیری می‌کند، بلکه کاهش ۳۵ درصدی سوخت در این دستگاه‌ها نقش بزرگی در کم شدن تولید آنها دارد. سیستم CHP در زمینه‌های مختلف صنعتی و کشاورزی بویژه گلخانه‌ها، تجاری ( commercial) و مسکونی (residential) استفاده می‌شود و بنابراین اندازه‌های متنوعی از آن وجود دارد.
اندازه سیستم CHP بر حسب توان الکتریکی تولیدی آن بیان می‌شود و در یک طبقه‌بندی رایج در سه طیف عمده تقسیم‌بندی می‌شود.

 

Mwe ۱ CHP Larg-Scale
Mwe ۱ CHP Small-Scale
Mwe ۳۰ CHP Mini-Scale

 

گرچه بطور قطع نمی‌توان زمینه استفاده CHP‌ها را بر این تقسیم‌بندی منطبق دانست اما عموماً اندازه‌های بیش از چند مگاوات را در بخش صنعت، کمتر از ۱ Mwe را در بخش تجاری و اندازه‌های کوچک را در مصارف خانگی استفاده می‌کنند. البته مجدداً لازم به یادآوری است که استفاده از CHP تنها در تولید برق و آب داغ یا بخار کم فشار محدود می‌شود و اتفاقاً در اندازه‌های بزرگتر آن از توان محور برای بکار انداختن کمپرسورهای چیلر، یخچال‌های صنعتی و یا هوای فشرده و از حرارت استحصالی برای گرمایش محیط بطور مستقیم، چیلرهای جذبی و حرارت مورد نیاز فرآیندهای صنعتی مانند خشک‌کن استفاده می‌شود.
بعد از بحران نفت در سال ۱۹۷۳ و افزایش قیمت نفت، کشورهای صنعتی با مشکل بزرگی مواجه شدند و راه‌کارهای جدیدی را برای رهایی از وابستگی به سوخت‌های فسیلی و صرفه‌جوئی در مصرف انرژی در صنایع وابسته به سوخت‌های فسیلی و همچنین بالا بردن تکنولوژی‌ها به دو منظور کاهش مصرف انرژی در صنایع و استفاده بهینه از انرژی بکار بردند. از جملۀ این فعالیت‌ها می‌توان به مواردی همچون افزایش تولید زغال سنگ، استفاده از منابع انرژی‌های تجدیدپذیر، توسعۀ نیروگاه‌های هسته‌ای، صرفه‌جوئی در مصرف انرژی، عایق‌های حرارتی پیشرفته، افزایش کارآیی منابع حرارتی بویلرها و زباله‌سوزها و نیروگاه‌های زباله سوز و تولید مشترک حرارت و توان (که مورد بحث این کتاب نیز می باشد) اشاره کرد. در نیروگاه‌های مرسوم حرارتی تنها یک سوم انرژی موجود و حاصل از سوختن نفت فرآورده‌های آن (یا زغال سنگ) به توان الکتریکی تبدیل می‌شود و دو سوم انرژی از طریق آب نیم‌گرم در برج‌های خنک کننده و البته مقدار کمی در مسیر فرآیند اتلاف می‌شود. تغییر در طراحی و عملکرد یک نیروگاه تولید توان به تولید مشترک حرارت سودمند و توان، کاربرد و استفاده از انرژی را توسعه و بهبود می‌بخشد. البته حرارت بدست آمده بایستی کیفیت، مقدار و دمای بالا و کافی را برای آب گرم مورد نیاز خانگی، تجاری و ساختمان‌های عمومی یا بخار مورد نیاز صنایع را جهت فرآیندهای آن تأمین نماید. بنابراین دو کاربرد مهم برای حرارت سودمند وجود دارد :

  1. گرمایش ناحیه یا بخش خاص تجاری، مسکونی (CHP/DH Combined Heat and Power / District Heating)

  1. استفاده در صنعت جهت فرآیندها (CHP/IND  Combined Heat and Power / for Industry)

که این مباحث در همان سال‌های ۱۹۷۳ و بطور کلی در دهه ۷۰ شکل جدی‌تری به خود گرفت و گام‌های بلند و متعددی در این زمینه‌ها برداشته شد. البته مورد دوم از استقبال بیشتری )در کشورهای توسعه یافته) برخوردار بود.

حالت اول مربوط می‌شود به شبکه گرمایش ناحیه‌ای که حرارت تغذیه توسط آب داغ در دمای بین ۸۰°C -150°C صورت می‌پذیرد.

در حالت دوم (CHP/IND) بخار داغ یا گازهای داغ خروجی از توربین گاز یا بخار گرمای مورد تقاضا را برآورده می‌نمایند.
در تعریف تولید مشترک حرارت و توان و استفاده از حرارت مفید، موارد زیر شامل این حرارت سودمند نمی‌گردد :

  • آب گرمی که از کندانسور نیروگاه خارج شده و مصرف آن در بخش کشاورزی و استخر پرورش ماهی می‌باشد.

  • زباله‌ها و آشغال‌هایی که بعنوان سوخت در نیروگاه‌های زباله‌سوز مورد مصرف قرار گرفته و تولید توان الکتریکی می‌نماید.

اساساً تبدیل و تغییر نیروگاه‌های موجود یا طراحی نیروگاه‌های جدید CHP‌ جهت فراهم‌آوردن و تولید حرارت مازاد به شکل سودمند و مفید در دمایی بالاتر از نیروگاه‌های مرسوم مورد نظر می‌باشد.

اگر چه تعداد زیادی طرح‌های تولید مشترک حرارت و توان و استفاده از حرارت جهت فرآیندها (CHP/IND) در آمریکا و انگلستان وجود دارد و از نیروگاه‌های ویژه و خاص خود استفاده می‌کنند، اما کاربرد آن (CHP/DH) نسبتاً محدود می‌باشد. اما در چند کشور
اروپایی تولید مشترک توان و حرارت برای کاربرد در گرمایش ناحیه‌ای کاربرد و استفاده وسیع‌تری دارد.

در این فصل مفاهیم اساسی CHP بعنوان یک تکنولوژی بهینه‌سازی مصرف انرژی مطرح می‌شود. مزایای سیستم CHP برشمرده می‌شود و سیستم‌هایی که CHP در آن قابل اجرا و به صرفه می‌باشد، مطرح می‌شوند.

  1. تولید همزمان برق و حرارت (Cogeneration) تولید همزمان دو شکل مختلف انرژی مفید و مورد استفاده را با بکارگیری یک منبع اولیه انرژی، Cogeneration یا تولید هم‌زمان می‌گویند.

دو شکل مختلف انرژی عبارتست از :

  • انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی

  • انرژی مکانیکی و انرژی حرارتی

کاربرد آن در بعضی از صنایع می‌باشد که هم‌زمان به انرژی الکتریکی و بخار فشار پائین جهت فرآیند نیاز دارند.

مقدمه ای بر سیستم های تولید مشترک برق و حرارت
ناشر : وزارت نیرو – سازمان بهر هوری انرژی ایران
تدوین و تألیف : مطلب میری، غلامرضا بیاتی، محمد حسن زربخش