بهره گیری موثر از سیستم های تولید انرژی الكتریكی و حرارت CHP

فراهم كردن فضایی كه منجر به تولید مشترك برق و حرارت شود علاوه بر آنكه سبب صرفه جویی در مصرف انرژی می شود بلكه این امكان را به وجود می آورد كه از فن آوری مناسب در جهت تولید برق بهره لازم گرفته شود

فراهم كردن فضایی كه منجر به تولید مشترك برق و حرارت شود علاوه بر آنكه سبب صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود بلكه این امكان را به وجود می‌آورد كه از فن‌آوری مناسب در جهت تولید برق بهره‌ لازم گرفته شود.

در مقاله زیر كه به وسیله مهندس معصومه لاجوردی از كارشناسان شركت مهندسین دانشمند برق اصفهان تدوین و تنظیم شده است درمورد سیستم‌های تولید همزمان برق و حرارت (CHP) نكاتی مطرح شده است.

تولید مشترك برق و حرارت (Cogeneration) تولید همزمان برق با توان محوری و حرارت مفید، توسط یك سیستم، با استفاده از دو شكل مختلف انرژی مفید با به كارگیری یك منبع اولیه انرژی به شمار می‌آید.

این فنآوری برای نخستین بار در نیروگاههای سیكل بخاری استفاده شد، به طوری كه از بخار استخراج شده از سیكل برای مصارف گرمایشی كارخانه و واحدهای اطراف آن بهره گرفته می‌شد. اگرچه با این عمل راندمان اینگونه نیروگاهها اندكی كاهش می‌یافت ولی با تأمین حرارت مورد نیاز در مصرف سوخت تا حد زیادی صرفه‌جویی به عمل می‌آمد. در سالهای اخیر، كاربرد این سیستم‌ها كه بهره‌وری بالایی را در مصرف انرژی درپی دارد، به نیروگاههای بخار محدود نگشته و به سایر مولدهای تولید قدرت اعم از مكانیكی یا الكتریكی گسترش یافته است، به طوری كه امروزه می‌توان هر سیستم مولد قدرت را با هر اندازه و با هر كاربردی به صورت یك واحد مشترك طراحی كرد و بدین ترتیب علاوه بر تولید توان الكتریكی یا مكانیكی به وسیله دستگاه، بهره‌گیری از حرارتی اتلافی مولد یا موتور را به صورت انرژی گرمایی می‌توان قابل استفاده و امكان‌پذیر ساخت.

● آشنایی با مفاهیم سیستم‌های CHP

در دنیای امروز با توجه به نقش و اهمیت كاربرد این نوع سیستم‌ها در بعضی از صنایع كه به طور همزمان به انرژی الكتریكی و بخار فشار پائین جهت انجام فرآیندهای صنعتی نیاز دارند و نیز به دلیل نهادینه كردن فرهنگ كاربرد آنها، به جای اصطلاح (Cogenration) از عنوان ”سیستم‌های تركیبی حرارت و قدرت“ (CHP) و یا به عبارتی: Combined Heat & Power استفاده می‌شود.

در این سیستم‌ها، انرژی شیمیایی سوخت به وسیله یك محرك اولیه (موتور یا توربین) آزاد شده و به توان مكانیكی در محور خروجی تبدیل شده و سپس محور محرك با یك ژنراتور كوپل شده و توان الكتریكی تولید می‌شود. با توجه به اینكه حداكثر راندمان موجود برای محرك اولیه دستگاه و مولد كمتر از ۵۰ درصد است،‌ در نتیجه بیش از نیمی از انرژی سوخت به صورت حرارت تلف می‌شود. بنابراین می‌توان با شناسایی منابع اتلاف حرارت یعنی گازهای خروجی از محرك اولیه و سیكل خنك‌كن روغن روغنكاری و با قراردادن مبدلهای حرارتی مناسب، گرمای اتلافی را به صورت حرارت با دمای بالا و قابل استفاده بازیافت كرد.

این نوع سیستم‌ها دارای بیشترین بهره‌وری درمصرف سوخت بوده و در حالیكه در سیستم‌های نوع مجزا، متوسط راندمان یك مولد برق در حدود ۳۵ درصد و متوسط راندمان یك بویلر ۹۰ درصد است، یك سیستم CHP با تولید همزمان برق و حرارت دارای راندمانی بیش از ۸۵ درصد خواهد بود، یعنی راندمان الكتریكی حدود ۳۵ درصد و راندمان حرارتی ۵۰ درصد خواهد بود.

راندمان حرارتی عبارت از انرژی حرارتی تولیدشده به انرژی سوخت مصرفی است. از دیدگاه اقتصادی، كاهش ۳۵ درصدی مصرف سوخت توسط این سیستم، كاهش هزینه سوخت مصرفی را در پی داشته و از دیدگاه ملی، صرفه‌جویی در مصرف سوخت، از طریق صادرات و فراهم كردن شرایط لازم، استفاده مفیدتر از سوختهای فسیلی را دربر دارد.

در واقع سیستم‌های CHP به وسیله فیلترهایی، از آزادشدن آلاینده‌های زیست محیطی نظیر: Nox، ۲Co، Co و UHC جلوگیری كرده و راندمان سیستم را نسبت به حالت مجزا افزایش می‌دهند.

در بخشهای صنعتی، كشاورزی، تجاری و مسكونی این سیستم‌ها با اندازه‌های متنوعی یافت می‌شود. معیار اندازه این سیستم‌ها بر مبنای توان الكتریكی تولیدی آنها است كه در سه بخش تقسیم‌بندی می‌شوند كه به طور اعم اندازه‌های بیش از چند مگاوات در بخش صنعتی، كمتر از یك مگاوات در بخش تجاری و اندازه‌های كوچك در مصارف خانگی كاربرد دارد.

كاربرد این سیستم‌ها تنها شامل تولید برق و آب یا بخار كم فشار است و در اندازه‌های بزرگتر، از توان محور برای به كارانداختن كمپرسورهای چیلر، یخچالهای صنعتی و یا هوای فشرده و از حرارت حاصله برای گرم كردن مستقیم محیط، چیلرهای جذبی و حرارت مورد نیاز فرآیندهای صنعتی از قبیل خشك ‌كن استفاده می‌شود.

دو كاربرد مهم CHP برای حرارت مفید به شرح زیر است:

۱) گرمایش ناحیه یا بخش خاص (CHP/ DH)- مانند مناطق تجاری و مسكونی و یا به عبارتی: Combined Heat and Power/ District Heating

۲) استفاده در صنایع جهت انجام فرآیندها (CHP/ IND) و یا به عبارتی: Combined Heat and Power/ for industry

كه حالت اول به شبكه گرمایشی ناحیه‌ای كه حرارت تغذیه آن توسط آب داغ در دمای بین (۱۵۰ سانتیگراد- ۸۰ سانتیگراد) فراهم می‌شود ارتباط دارد و در حالت دوم نیز بخار داغ یا گازهای داغ (خروجی از توربین گاز یا بخار) گرمای مورد نظر را ایجاد می‌كند. باید اذعان كرد كه آب گرمی كه از كندانسور نیروگاهها خارج می‌شود و در بخش كشاورزی و استخر پرورش ماهی كاربرد دارد و نیز آشغالها و زباله‌هایی كه برای تولید توان الكتریكی به عنوان سوخت در نیروگاهها زباله‌سوز به كار می‌روند به عنوان حرارت مفید در این سیستم‌ها به شمار نمی‌آید. بنابراین، امروزه تبدیل و تغییر نیروگاههای موجود و یا طراحی نیروگاههای جدید CHP به منظور تولید حرارت مازاد به صورت مفید در دمایی بالاتر از نیروگاههای مرسوم مدنظر است.

اگرچه در كشورهای آمریكا و انگلستان طرحهای زیادی به منظور تولید توام حرارت و توان و استفاده از حرارت حاصله جهت انجام فرآیندها به صورت (CHP/ IND) وجود دارد و از نیروگاههای خاصی بدین منظور استفاده می‌شود، با این حال، كاربرد نوع (CHP/D H) این نوع سیستم‌ها در این كشورها نسبتاً محدود است، اما در چند كشور اروپایی تولید توام توان و حرارت برای كاربرد در گرمایش ناحیه‌ای استفاده وسیع‌تری دارد.

● موارد كاربرد سیستم‌های CHP

دامنه كاربرد موثر سیستم‌های CHP شامل موارد زیر است:

الف) تولیدمشترك‌درUtility: از قبیل سرمایش و گرمایش منطقه‌ای

ب) تولید مشترك در صنعت مانند: - صنایع غذایی، داروسازی، نساجی، فولاد، سیمان، كاغذ و مقوا، صنعت شیشه، صنعت سرامیك، پالایشگاه و پتروشیمی.

ج) تولید مشترك در مؤسسات خانگی و تجاری نظیر: - بیمارستانها، دانشگاهها و هتلها

ضمناَ از این سیستم‌ها می‌توان در تأمین برق مورد نیاز و گرمایش واحدهای مسكونی از قبیل: آپارتمانها، برجها و نیز واحدهای مسكونی تك خانوار نیز بهره جست.

مشخصات یك سیستم CHP ایده‌آل در نصب و اجرا شامل موارد زیر است:

۱) نیاز مبرم به استفاده از توان الكتریكی.

۲) افزایش موارد كاربرد انرژی حرارتی نسبت به انرژی الكتریكی.

۳) وجود الگوهای بار پایدار و ثابت انرژی حرارتی و الكتریكی.

۴- طولانی‌بودن ساعات بهره‌برداری فرآیند. ۵- بالابودن قیمت برق شبكه یا عدم دسترسی به شبكه.

از طرف دیگر از انرژی حرارتی حاصله می‌توان به منظور خشك‌كردن، پیش گرم كردن، تولید بخار فرآیند، محرك تجهیزات بازیافت حرارت، تولید آب سرد، آب گرم، سیال داغ و مانند آن استفاده كرد. بنابراین در صنایعی كه نیاز مبرم به استفاده توأم از حرارت و توان احساس می‌شود، ظرفیت ایجاد تولید مشترك وجود دارد و با دارابودن مشخصات بالا می‌توان صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه انرژی بدست آورد و سیستم تولید مشترك مقرون به صرفه‌تری داشت.

● جمع‌بندی

در طی سالهای اخیر، با توجه به دامنه كاربرد سیستم‌های CHP و اشاعه فرهنگ استفاده از این نوع سیستم‌ها، شركتهای سازنده به منظور جلب رضایت مشتریان و سهولت عرضه، خرید و نصب این سیستم‌ها در اندازه كوچكتر از یك مگاوات آنها را به صورت پكیج شده تولید می‌كنند. بدین ترتیب علاوه بر اطمینان مشتریان از سلامت دستگاه در هنگام خرید، هزینه نصب، تعمیر و نگهداری آنها نیز كاهش پیدا می‌كند.

معیار اصلی در انتخاب صحیح اندازه CHP و نحوه استفاده از آن به نیاز واقعی مصرف‌كننده به برق و حرارت بستگی دارد و عدم رعایت این معیار هزینه‌های گزافی را هم در مرحله خرید و هم در زمان تعمیر و نگهداری دستگاه درپی خواهد داشت.

این سیستم‌ها به تنهایی كاربرد ندارند و از نظر تولید برق زمانی از آنها استفاده می‌شود كه هزینه برق تولیدی در مقایسه با برق خریداری شده از شبكه مقرون به صرفه باشد.

بنابراین در دنیای امروز كه بحران انرژی و آلودگی محیط زیست دو مشكل اساسی جهان به شمار می‌آیند، بجاست تا با بهره‌گیری از این نوع سیستم‌ها بتوان گامی موثر در جهت كاهش مصرف سوخت و آلاینده‌های زیست محیطی برداشت.

منبع: مبانی صرفه‌جویی و اصول مدیریت انرژی – سازمان سابا

مهندس معصومه لاجوردی – شركت مهندسین دانشمند برق اصفهان