Kogeneracija Text

8/9/2019 Kogeneracija Text

1/26

1 | С т р а н а

КОГЕНЕРАЦИЈА

УВОД

Увоз нафте и природног гаса трајно оптерећује платне билансе земаља које не располажу сопственим изворима енергије. Ово се може делимично ублажити

осмишљеном политиком и смелом преориентацијом, не само будућих, већ и постојећих

потрошача течних и гасовитих горива на рационално коришћење енергије, односно на

смањење расипања енергије. Енергетска политика већине земаља у свету се темељи на

овим начелима. Интензивно се ради и на истраживању нових енергетских технологија и

усавршавању технологија за експлоатацију традиционалних енергената.

Када је реч о рационалном коришћењу енергије, пре свега се мисли на осавремењавање

технологија у привредним делатностима увођењем модерних енергетских технологија,које имају знатно већу енергетску ефикасност у процесима трансформације примарних

облика енергије у финалне, како у индустрији тако и у комуналној енергетици,

зградарству и широкој потрошњи. Свака трансформација енергије узрокује неминовне

губитке које модерне технологије смањују и до половине.

Слика 1. Енергетски баланс у електрани на угаљ

Конвенционални начини производње електричне енергије и снабдевање купца су

праћени са доста губитака, у смислу да само око трећина примарне енергије која улази

у електране је заправо доступна кориснику у виду електричне енергије (Слика 1). Код

конвенционалне електране, ефикасност је само 35%, а преосталих 65% енергије се губи.


2/26


Когенерација је дефинисана као комбиновано или истовремено генерисање топлотне и

електричне енергије (Combined heat and power - CHP). У когенеративном систему

значајан део произведене или регенерисане топлоте може се користити у топлотном

процесу у облику паре, топлог ваздух, топле воде... док се снага обично претвара у

механичку или електричну енергију. Когенерација обезбеђује широк спектар

технологија за примену у различитим областима. Укупна ефикасност коришћења

енергије у режиму когенерације може бити до 85% а у неким случајевима и више.

На пример, у систему приказаном на слици 2, индустријском постројењу су потребне

24 јединице електричне енергије и 34 јединице топлотне енергије. Кроз одвојену

генерацију топлотне и електричне енергије за генерисање тражене количине

електричне енергије биће потребно 60 јединица примарне енергије при ефикасности

40%. За генерисање потребне количине топлоте (нпр. паре) у посебном котлу биће

потребно око 40 јединица примарне енергије при ефикасности 85%. Укупна количина

примарне енергије која је потребна у ова два процеса је 100 јединица. Ако постројење,

са друге стране, ради на принципу когенерације онда ће количина горива потребна за

генерисање истих количина електричне и топлотне енергије бити само 68 јединица, при

ефикасности 85%. Са слике се може приметити да губици у примарној енергији при

одвојеној производњи износе 42 јединице горива, док при производњи у

когенерационом постројењу износе 10 јединица горива..

Слика 2. Потребна количина горива за добијање исте количине електричне и топлотне

енергије при одвојеној и когенеративној производњи

У сваком производном процесу потребни су извори енергије у два облика: у облику

топлоте (или хлађења) да би се изводиле хемијске реакције које су у центру многих

процеса или да се издвоје и суше производи; и у облику електричне енергије да би се

одржавало одвијање различитих процесних токова или за претварање у механички рад.

Куповином примарне енергије у облику горива које се претвара у топлоту и куповином

електричне енергије из мреже конвенционално се испуњавају ове две потребе.


3/26


Алтернатива за ова два извора је комбинована производња електричне енергије и

топлоте коришћењем једног примарног извора енергије. Уз уштеде фосилних горива,

когенерација такође доприноси смањењу емисије гасова стаклене баште (нарочито

емисије CO2). Производња електричне енергије у близини места потрошње смањује

оптерећење комуналне мреже и елиминише губитке у далеководима.

Могућност примене когенерације

Основне чињенице и погодности, које морамо вредновати и које треба уважити при

анализи могућности примене когенеративних постројења су да овакав систем:

a) Ублажава проблем високих цена енергената. Когенерација их смањује

удвостручивањем или утростручавањем ефикасности процеса коришћења

горива, испоручујући двоструку или већу корист на излазу.

b)

Смањује ослобађање штетних материја. Свака енергетска трансформација је

велик извор загађења. На исти начин као што спасава од превисоке цене горива,

ова технологија смањује ослобађање штетних материја, користећи два или три

пута мање горива за подмирење истих потреба.

c) Повећава поузданост електро-енергетског система. Поузданост садашњих

електро-енергетских система је мала, а и погонски прекиди коштају много,

нарочито код високо-компјутеризованих система. CHP искључује опште

прекиде који се могу јавити као последица проблема у јавном преносу и

дистрибуцији.

d)

Растерећује електро-дистрибутивни капацитет мреже. Ова технологија уноси нову производњу електричне енергије, чиме се смањује потреба за новим

инвестицијама у јавну мрежу и изворе, а самим тим се смањују и значајни

губици у мрежи (трансмисиони и дистрибутивни губици).

e) Омогућава аутономност снабдевања електричном енергијом. Тржисте

електричном енергијом је јос увек у великој мери монополизовано. Пројекти

CHP постројења су осамостаљени учешћем великог броја различитих тржишних

учесника, па тако стварају потенцијал за конкуренцију традиционалним

снабдевачима електричне енергије.

f)

Позитивно утиче на екологију. Нове (велике) електране представљају велики удар на екологију, док су когенеративна постројења мала и обично ненаметљиво

постављена између постојећих зграда и погона, без угрожавања најближе

околине.

g) Омогућава брзи долазак до недостајућих количина електричне енергије. За

изградњу нових електрана потребне се године. CHP постројење се пушта у рад

обично за мање од две године, а мања постројења (до 2 MW) и за шест месеци.

h) Повећава стратешку сигурност земље. Енергетски системи су рањива мета

напада. CHP системи су дистрибуирани на међусобној удаљености. За разлику

од њих, велика постројења су лако уочљива и њихово оштећење може

проузроковати велике енергетске поремећаје.


4/26


CHP постројења су нашла примену како у индустрији тако и у зградарству. Погодна су

за примену у следећим областима:

Хемијска и фармацеутска

индустрија;Индустрија папира;

Индустрија грађевинских

материјала, керамике и цемента;

Пиваре;

Прехрамбена индустрија и

шећеране;

Текстилна индустрија;

Рафинерије нафте;

Железаре, и добијање обојених метала;

Ливнице;

Дрвна индустрија;

Металска индустрија;Стаклене басте и хортикултура;

Стамбене зграде (даљински систем

грејања);

Хотели и ресторани;

Болнице;

Спортски центри и базени;

Универзитети и школе;

Тржни центри;

Пословне и управне зграде:Аеродроми;

Индивидуалне куће.


5/26


КОГЕНЕРАЦИОНЕ ТЕХНОЛОГИЈЕ

Когенративна постројења могу бити различитих снага и као таква могу се користити у

топланама-термоелектранама за даљинско грејање и као нешто мања постројења која ће

се користити у индустрији уз могућност да се осим задовољења сопствених потреба за енергијом подмирују и топлотне потребе оближњих субјеката. Мања постројења су

нашла примену у индустрији са нешто мањим топлотним конзумом и у зградарству. У

новије време развијају се CHP постројења врло мале снаге која се могу користити за

производњу енергије и у индивидуалним кућама. За те потребе развијене су такозване

микро турбине. У табели 1, приказана је класификација CHP постројења по

инсталисаној снази.

Табела 1. Класификација CHP постројења према снази

Микро < 10 kWе

Мини < 500 kWе Мале < 2000 kWе

Велике < 50000 kWе

Највеће > 50000 kWе

На тржисту постоји велик број технологија које су намењене за комбиновану

производњу електричне и топлотне енергије. Најчешће коришћене технологије за погон

ових постројења су:

парне турбине,

гасне турбине,

комбиновани циклус,

мотори са унутрашњим сагоревањем,

Стирлингов мотор.

Парне турбине ( конвенционални Ранкинов циклус )

Две врсте парних турбина које се најчешће користе су противпритисна парна турбина и

парна турбина са кондензацијом (слика 3). Противпритисне парне турбине су

најједноставнија конфигурација, када пара излази из турбине под притиском већим или

најмање једнаком атмосферском притиску, што зависи од потреба термичког

оптерећења. Такође је могуће да се пара изводи из неког од међу степена парне турбине

са притиском и температуром која одговара потрошачу топлоте. По изласку из турбине,

пара се води до потрошача где ослобађа топлоту и кондензује се. Кондензат се враћа у

систем са протоком који може бити мањи од протока паре, ако се маса паре користи у

процесу или ако постоје губици дуж цевовода, допунска вода одржава баланс масе.

Код парнотурбинских постројења са кондензацијом, пара за процес се издваја са једног

или више међустепена који су са одговарајућим притиском и температуром. Остатак

паре се троши до притисака кондензатора који може бити низак и до 0,05 bar са одговарајућом температуром за кондензацију од око 33оC што се испушта у околину.


6/26


Слика 3. Шематски приказ парно-турбинског CHP постројења са противпритисном парном турбином

Специфична предност коришћња парне турбине у поређењу са другим системима је

опција за коришћење широког спектра конвенционалних и алтернативних горива као

што су угаљ, природни гас, мазут и биомаса. Енергетска ефикасност циклуса може бити

„жртвована“ у извесној мери у циљу оптимизације снабдевања топлотом. У погонима

противпритисних парнотурбинских постројења, елиминише се потреба за великим

расхладним торњевима. Парне турбине се углавном користе када је потражња за

електричном енергијом је већа од једног MW до неколико стотина мегавата.

Највећи број когенерационих постројења која користе чврсту биомасу као гориво,

засновано је на конвенционалном Ранкиновом циклусу. Ова постројења користе котао

за сагоревање горива, најчешће у флуидизованом слоју, заједно са парном турбином.

Ови системи се користе за постројења чија је снага изнад 3 MWе и то најчешће у

новијим CHP постројењима. Поред котлова за сагоревање у флуидизованом слоју, у

CHP постројењима се користе и котлови за сагоревање на решетки. Ова технологија се

најчешће користи у котловима за топлу воду и производњу паре у постројењима мале

снаге. Мање су осетљиве на промену квалитета горива и новије технологије паљења

омогућавају сагоревање веома влажног материјала као што су струготина и остаци коре дрвета. Због једноставне конструкције, ова технологија је повољна за употребу у CHP

постројењима мање снаге. Притисак паре који се постиже конвенционалним

Ранкиновим циклусом је од неколико до 100 bar у когенерационим постројењима док је

могуће постићи температуру од 540°C. Ефикасност ових постројења може бити и виша

од 85%, посебно када је топлота примарни продукт.

Гасне турбине

Гасне турбине су топлотне машине које спадају међу најчешће примењиване машине у системима за комбиновану производњу електричне и топлотне енергије већих снага.


7/26


Снаге ових постројења се крећу од неколико стотина киловата па до 375 MW па и

више. Углавном се користе за веће системе снаге преко 4 MW или где је потребна пара

високог притиска. Гасне турбине представљају технологију која се заснива на Џуловом

(у западној литератури Брајтонов) циклусу. Уколико се као гориво користи природни

гас или неко друго високо-квалитетно гориво имају више предности у односу на парне

турбине. Ове предности се огледају у: вишој ефикасности, мањим капиталним

трошковима, бржем покретању, захтевају мање радне снаге, имају већу доступност и

мањих су димензија. Поред низа предности, гасне турбина имају неколико недостатака

и то висок ниво буке, дуг период ремонта и учинак зависи од спољашњих услова.

Снага гасних турбина које се примењују у когенерацији најчешће се крећу од 1 до 100

MW. Степен ефикасности, у производњи електричне енергије гасним турбинама мале и

средње снаге, је обично између 25 -35%, а за веће турбине може достићи и 40 - 42%.

Укупни степен ефикасности је између 60 - 80%. Основна шема рада гасне турбине

отвореног тока са котлом је дата на слици 4.

Слика 4. Шематски приказ гасне турбине

Код гасне турбине отвореног тока компресор

усисава ваздух из околине и сабија га од стања 1 до

стања 2. Тако сабијени ваздух се затим одводи у

грејну комору у коју се убризгава гориво. Смеша

горива и сабијеног ваздуха сагорева при чему

долази до подизања температуре од t2 до

температуре t3 при приближно константном

притиску. Продукти сагоревања експандирају у

гасној турбини од стања 3 до стања 4 приближно атмосферском притиску. Механички рад који се


8/26


при томе добија користи се за покретање генератора и компресора. Температура

продуката сагоревања на излазу из гасне турбине креће се од 400 - 600°C. Издувни

гасови високих температура омогућавају производњу паре високог притиска и

температуре која се даље може користити за грејање и технолошке потребе, али и за

производњу паре средњих параметара и покретање радне машине као сто је парна

турбина или апсорбциона расхладна масина која би обезбедила задовољење потреба за

расхладном енергијом ако их има.

Количина топлоте која може да се произведе у овом постројењу зависи у великој мери

од врсте горива. Квалитет топлотне енергије која се производи зависи од температуре

издувних гасова турбине и температуре испаравања воде у котлу. Температура

издувних гасова котла не треба да буде нижа од 170°C јер услед присуства СO2 у

издувним гасовима, постоји опасност од корозије. Уколико се као гориво користи

природни гас, та доња граница се мозе спустити у распону од 80 до 100°C.

Уколико се примени CHP систем (гасна турбина + котао) може се вршити додатно

сагоревање у котлу у случају када се јави потреба за додатном топлотном енергијом.

Гориво за додатни погон котлова може бити различито, често је то неко јефтиније

гориво (нпр. чврсто или биомаса која остаје као отпад у технолошком процесу). У овом

случају котао искључиво производи топлотну енергију и не може да учествује у

производњи електричне енергије. Тиме се умањују предности комбиноване производње

кроз смањење уштеде примарне енергије.

При избору горива треба да се води рачуна да у турбини продукти сагоревања експандирају и да погонско гориво у својим продуктима сагоревања не садржи

хемијска једињења која изазивају корозију или ерозију лопатица турбине. Предности

гасних турбина у односу на друге технологије примењиве у CHP системима су:

брзо стартовање и заустављање,

могућност брзе промене оптерећења,

висока поузданост у раду,

релативно ниски инвестициони трошкови,

кратко време градње и инсталације постројења,

ниски трошкови одржавања,могућност коришћења различитих врста горива, како течних тако и гасовитих,

висока температура издувних гасова омогућава производњу топлотне енергије

високих параметара,

ниска емисија штетних гасова, па се могу градити и у непосредној близини

потрошача електричне и топлотне енергије.

Микротурбине (слика 5) представљају умањене верзије гасних турбина и имају

ефикасност производње електричне енергије до 30% у CHP постројењима. Поред тога

имају могућност коришћења више горива, низак ниво емисије, потенцијал обнављања

енергије и минимално одржавање. Применом у CHP постројењима, може се остварити


9/26


укупна ефикасност која је већа од 80%. Постојећи микротурбински системи су

величине од 25 до 80 kW, што је довољно да се задовоље потребе једне стамбене зграде

или установе. Већина комерцијално доступних микротурбина се састоји од генератора,

турбине и компресора монтираних на заједничкој осовини и врло високе угаоне брзине

(до 90.000 о/мин). Низак ниво вибрација и модуларност конструкција чине

микротурбине погодним за CHP постројења, али је потребно да биогорива имају

задовољавајући квалитет.

Слика 5. Шематски приказ рада микро-турбине

Комбиновани циклус

Овај систем је комбинација гасне и парне турбине са котлом за добијање топлоте

између њих. Гасна турбина производи електричну енергију а пара са високом

еталпијом која се шири у парној турбини производи додатну ел. енергију и пару са

нижом еталпијом, слика 6. Комбиновани циклус се обично примењује на сетовима

гасних турбина, јер су оне у могућности да генеришу топлоту која омогућава

генерисање паре на притиску који је довољно висок за оптимизован рад парне турбине.

CHP постројења која користе овај циклус имају веома висок степен корисности за производњу електричне енергије и то до 55%.


10/26

10 | С т р а н а

Слика 6. Шематски приказ комбинованог циклуса

Мотори са унутрашњим сагоревањем

Спороходни мотори са унутрашњим сагоревањем (СУС мотори) су широко

распрострањена технологија. Постоје два основна типа мотора са унутрашњим

сагоревањем - мотори са варничним паљењем (OTO мотори) и са компресионим

паљењем, познати као Дизел мотори. Ото мотори као погонско гориво најчешће

користе природни гас, иако они могу бити пројектовани да користе пропан, бензин или

земни гас. Дизел мотори као гориво користе најчешће дизел или мазут или могу бити

пројектовани са дуалном конфигурацијом тако да сагоревају примарно природни гас уз

малу количину дизела као помоћног горива.

На слици 7. је приказан начин рада у постројењу са гасним мотором. Оваква

постројења имају висок степен искоришћења. Стационарна CHP постројења су

исплатива при коришћењу течних и гасовитих горива, али су повољнија гасовита,

посебно код већ развијене мреже гасовода. Елементи когенеративних система са

гасним мотором су:

мотор,

генератор,

систем за искоришћење отпадне топлотне енергије,контролни систем.


11/26

11 | С т р а н а

Слика 7. Шема когенерационог постројења са гасним мотором

Начин искоришћења топлотне енергије варира у зависности од примењеног мотора

когенеративног постројења. У случају коришћења гасног мотора разликујемо следеће

отпадне топлоте, које можемо искористити:топлоту издувних гасова,

топлоту расхладног система мотора:

o водено хлађење блока мотора,

o хлађење моторног уља,

o хлађење мешавине горива турбо-мотора,

o спољних површина мотора.

Мотори са унутрашњим сагоревањем су погодни за примену у мањим постројењима за

генерисање електричне енергије и топлоте ( рекуперација топлоте из издувних гасова,

средства за подмазивање и расхладне течности). Поседују робусну конструкцију,

проверену технологију, али је потребно редовно одржавање и сервисирање. Доступни

су у опсегу од неколико kWе до 10 МWе, и могу да користе различита горива због чега

су погодни за примену у разним CHP постројењима, од примене у породичним кућама,

преко стамбених зграда и институција до мањих индустријских постројења. При

коришћењу пуног капацитета производње електричне и топлотне енергије, гориво се

може искористити чак са ефикасношћу од 88%. При производњи само електричне

енергије, уз одбацивање топлотне, остварила би се ефикасност од 40%, па је постројење

конкурентно великим класичним парним системима са истим горивом, уз додатну

повољност минималних губитака у дистрибутивној мрежи. Треба истаћи да се поменута ефикасност добија при хлађењу излазних гасова само до 120°C, а они се често


12/26

12 | С т р а н а

могу економично хладити и значајно ниже, па се лако може постићи степен

искоришћења горива преко 90%.

Захтевају релативно ниске инвестиционе трошкове и кратко време за изградњу, а поред

тога имају кратак период покретања/искључивања, прилагодљиве параметре рада,

висок степен искоришћења и релативно лако одржавање.

Отови и Дизел мотори су у широкој употреби у европским земљама у малим

постројењима. Ови мотори су веома конкурентни за употребу у постројењима снаге

испод 2 МWе. Недостатак ових мотора је висок ниво нискофреквентне буке и високи

трошкови одржавања.

Уобичајена шема когенеративног постројења примерена гасном мотору приказана је на

слици 7. Осим бројних потрошача електричне енергије, она подразумева и неколико

потрошача топлоте, који су сконцентрисани на искоришћење отпадних гасова и на

добро загрејану воду. Друга група користи топлоту од иначе неопходног хлађења

моторног блока, затим хлађења мешавине горивог гаса и ваздуха након компресије у

турбопуњачу, као и топлоту одузету од уља за подмазивање, које континуално

циркулише кроз мотор и допуњава се из резервоара према потреби. Мотор је

конструисан тако да му блок хлади вода на нешто повишеном нивоу температуре у

односу на уобичајене моторе у широкој примени. Та вода је искоришћена да покупи

релативно ситне отпатке топлоте у процесима хлађења мазива, мешавине горивог гаса

и ваздуха, да би их предала на једном месту корисницима топле воде. Решен је и

проблем поузданог хлађења мотора у случају да не раде потрошачи загрејане воде, тако сто вода из моторног блока циркулише кроз хладњак мотора ( расхладна кула), а слично

решење је обезбеђено и за хлађење мешавине гаса и ваздуха. Предвиђене везе

аутоматског управљања потпуно контролишу безбедан и ефикасан рад целог

постројења и његово прилагођавање моменталним потребама потрошача.

Гас, као погонско гориво, након филтрирања меша се у ејектору са већ филтрираним

ваздухом. Добијену смешу сабија турбо компресор. Топлота одведена напојној смеши

користиће се за загревање санитарне воде у топлотном размењивачу. У зависности од

оптерећења система, температура загрејане воде варира. Резервоар топле санитарне

воде снабдевен је резервним гасним грејачем у случају да је температура воде на излазу

из размењивача топлоте нижа од 55°C.

Апсорпциони расхладни систем, који чини део предложеног система, служи за

производњу хладне воде 7/12°C. Апсорпциони расхладни систем се прикључује

директно на издувни систем мотора и користи топлоту гасова за грејање генератора.

Снабдевен је системом за алтернативно загревање у генератору уз помоћ интерног

горионика на природни гас. Тако се у случајевима квара постројења, недовољне

количине топлотне енергије за загревање генератора или у периоду редовног годишњег

ремонта гасног мотора може обезбедити несметана производња расхладне воде.Повратна вода на 12°C (или 14°C), након примања топлоте одузете од објекта у клима


13/26

13 | С т р а н а

уређајима, улази у апсорпциони расхладни систем. Температура охлађене воде, варира

између 6,5°C и 7°C. У зависности од потребне расхладне снаге, односно потребне

количине топлоте за загревање генератора апсорпционог расхладног система, регулише

се помоћу моторно покретане клапне за проток издувних гасова. Сагласно подацима о

топлотној потрошњи апсорпционог расхладног система и максимално могућој

топлотној снази издувних гасова за одабрани мотор, закључује се, да ће се у летњем

периоду, због недовољне топлотне снаге издувних гасова, мањак морати надокнадити

помоћу интерног гасног горионика. Током месеци када не постоји потреба за

расхладном енергијом, овај део система није у функцији.

Део когенеративног постројења за производњу топле воде 90/70°C приказан је такође

на слици 7. Топла вода на 70°C се пумпом преко трокраког вентила одводи до

размењивача топлоте. На рачун одузимања топлоте води која циркулише у расхладном

систему гасног мотора когенеративног постројења греје се повратна вода система за

грејање објекта. У топлотни размењивач се шаље само онај део повратног протока

топле воде 90/70°C који је потребан да расхладну воду мотора охлади са 92°C на 80°C.

Регулација протока повратне воде на 70°C се постиже помоћу трокраког вентила. На тај

начин се меша повратна топла вода на 70°C са водом која је примила топлоту

расхладне воде система за хлађење мотора. Проток расхладне воде система хлађења

гасног мотора пропорционално зависи од оптерећења и креће се у границама од 50 до

65 m3/h. Под претпоставком да је температура повратне воде виша од 70°C, већи део

протока у односу на претходни случај биће помоћу трокраког вентила преусмерен ка

другом размењивачу топлоте, док ће мањи део ићи кроз овај размењивач топлоте.

Део издувних гасова, чији се проток регулише помоћу моторне клапне, у другом

размењивачу топлоте загрева мешавину повратне топле воде и воде која је одвела

топлоту из расхладног система мотора. Вишак протока издувних гасова заобилази

топлотни размењивач усмерен од стране клапне и одлази у атмосферу. Пошто се топла

вода 90/70°C користи за централно грејање, могуће је у зависности од спољне

температуре мењати излазну температуру у зависности од улазне и потребне грејне

снаге.

Како не би дошло до смањења ефикасности мотора, мора се постићи константна

температурна разлика у систему за хлађење мотора без обзира на оптерећење. Већ је

наведено да проток воде за хлађење зависи од оптерећења и креће се у границама од 50

до 65 m3/h. Температура воде на излазу из мотора је 92°C док на улазу у мотор мора

бити 82°C. Загревајући повратну топлу воду од 70°C предвиђено је да температура

расхладне воде на излазу из тог топлотног размењивача не прелази 80°C.

Стирлингов мотор

Стирлингови мотори теоријски користе исти циклус као што је Карноов циклус, па

имају потенцијално већу ефикасност у односу на системе који раде по Ранкиновом или Џуловом циклусу. Стирлингов мотор (слика 8) има високу ефикасност, добре


14/26

14 | С т р а н а

перформансе на делимичним оптерећењима, низак ниво емисије, низак ниво буке и

вибрација.

Слика 8. Шема Стирлинговог мотора

Како ови мотори раде на принципу спољашњег сагоревања, то значи да било који извор

топлоте може бити коришћен за његово покретање, а самим ти и различите врсте

горива. Као радни флуид у Стирлинговим моторима, користи се водоник, хелијум или

ваздух.

Ови мотори су обично аутоматизовани и једноставни за одржавање. За примену у

микро-когенерацији Стирлингови мотори имају бројне предности: производња

електричне енергије је независна од производње топлоте, лако се управља и могу да

буду израђени као измењиве јединице. Уколико је излазна снага између 2 и 50 kWе,

ефикасност производње електричне енергије је између 15 и 35%.

Табела 2. Когенерационе технологије које су или имале значајнију употребу или су у области

истраживања

Предности Недостаци

Парни мотори

Принцип рада је исти као код парних

турбина и могу се користити све врсте

горива.

Недостатак у достизању одређеног

притиска као и у систему за

подмазивање. Због тога су

замењени парним турбинама,

моторима са унутрашњим

сагоревањем и електромоторима

Гориве ћелије

Гориве ћелије имају високу

ефикасност за производњу електричне

енергије чак и у малим постројењима

Могу бити потпуно аутоматизоване,

дозвољавају брзе промене оптерећења

Недостатак су скупи материјали и

израда, као и високи инвестициони

трошкови.


15/26

15 | С т р а н а

и имају мале потребе за одржавањем.

Органски

Ранкинов

циклус

Погодни су за искоришћење отпадне

топлоте (нпр. издувни гасови дизел

мотора, гасови из сушара…), јер могу

користити топлоту испод 500°C.

Недостатак представљају скупе

органске течности, које поред тога

могу бити и опасне по животну

средину.

АБЦ ( аир

bottoming

цy цле )

Подиже излазну снагу гасне турбине

до 25%. Радни флуид из овог циклуса

се може користити и за загревање

простора или сушење

Цена постројења.

Гасне турбине

које раде на

принципу

испаривања

Ефикасност слична као код постројења

са Дизел мотором или комбинованим

циклусом. До 30% јефтинија

производња електричне енергије у

поређењу са комбинованим циклусом.

У процесу развоја и испитивања.

Гасне турбине са спољашњим

сагоревањем

Уместо коморе за сагоревање користе

размењивач топлоте. Флексибилност у

погледу врсте горива, висока

ефикасност и ниска емисија НОx.

Ограничена температура у

размењивачу топлоте. У процесу истраживања повећање

температуре у размењивачу

применом керамичких материјала.

У пракси су најчешће коришћени гасни мотори и турбине због својих техничких

карактеристика и цене. За њих се може рећи да су једине комерцијалне когенеративне

технологије. Ове технологије су погодне за капацитете од 500 kWе до 10 - 15 МWе сто

се у индустрији и зградарству углавном и захтева. Поред горе поменутих технологија

које се налазе у широј примени CHP постројењима, постоји још неколико технологија

које су или имале значајнију употребу или су у области истраживања. Ове технологије

су приказане у табели 2.


16/26

16 | С т р а н а

КЛАСИФИКАЦИЈА КОГЕНЕРАЦИОНИХ ПОСТРОЈЕЊА

Когенерациони системи се обично класификују према редоследу коришћења енергије и

усвојеној оперативној шеми.

Когенерациони систем се може класификовати као topping или bottoming циклус на

основу редоследа коришћења енергије. У topping циклусу, гориво се користи за

производњу прво снаге (електричне енергије) и онда топлотне енергије као

нуспроизвода циклуса и користи се да задовољи топлотне процесе или друге топлотне

захтеве. Topping циклус когенерације се широко користи и најпопуларнији је метод

когенерације.

Topping Cycle

Табела 3. Типови topping циклуса

Гасна турбине или дизел мотор производе електричну енергију праћени котлом за рекуперацију топлоте за

производњу паре за погон секундарне парне турбине. То се зове комбиновани

topping циклус.

Други тип система сагорева горива ( било који тип) за производњу паре високог притиска која затим пролази кроз парне турбине за производњу електричне енергије која са издувним гасовима обезбеђује пару ниског притисака -технолошка паре.

Трећи тип користи рекуперацију топлоте из издувне цеви мотора и/или система за хлађење у котлу за рекуперацију топлоте,где се претвара у процесну пару/топлу

воду за даљу употребу.


17/26

17 | С т р а н а

Четврти тип је гасна турбина - topping систем. Гасна турбина покреће генератор.

Издувни гасова иде до котла за рекуперацију топлоте где се генерише

технолошка паре и топла вода.

Bottoming Cycle

У bottoming циклусу, примарни производ је високо-температурска топлотна енергију и

топлота одбачена из процеса се користи за производњу електричне енергије путем

котла утилизатора и турбине и генератора. Bottoming циклуси су погодне за

производним процесима који захтевају топлоту на високој температури, и код којих је

отпадна топлота на знатно високим температурама. Типичне области примене укључују

производњу цемента, челика, керамике, гаса и петрохемијске индустрије.

Режими рада когенерационих постројења

Когенеративни системи могу да раде у неким од доле наведених резима, али оно сто се

чешће сусреће у пракси је комбинација режима у зависности од захтева и потреба

субјекта. Врло је важно оптимизовати и број промена режима у току неког временског

периода да би се избегао негативан утицај честих промена режима рада на животни век

постројења.

a) МАКСИМАЛНА ПРОИЗВОДЊА ЕЛЕКТРИЧНЕ ЕНЕРГИЈЕ - Ово је

најједноставнији режим рада когенеративног постројења. Подразумева

непрекидни рад мотора максималном снагом. Произведена електрична

енергија, која остаје као вишак након задовољења сопствених потреба, шаље се

у јавну електро-мрежу. Цена овако испоручене електричне енергије се уговара са локалном електро-дистрибуцијом. Произведена топлотна снага при овом

режиму се користи са задовољење сопствених потреба, а евентуални вишак се

баца у околину. У случају мањка топлотне енергије, купује се од окружења или

се производи у посебном постројењу.

b) ЗАДОВОЉЕЊЕ СОПСТВЕНИХ ПОТРЕБА ЕЛЕКТРИЧНОМ ЕНЕРГИЈОМ - У

случају рада у овом режиму снага мотора строго прати сопствену потражњу за

електричном енергијом. Производња топлотне енергије је директно зависна од

производње електричне. Проблем вишка или мањка топлотне енергије се

решава као у претходном случају.


18/26

18 | С т р а н а

c) ЗАДОВОЉЕЊЕ СОПСТВЕНИХ ПОТРЕБА ТОПЛОТНОМ ЕНЕРГИЈОМ -

Овим режимом рада се снага мотора усклађује са тренутним потребама у

топлотној енергији. Произведена електрична енергија се користи у сопствене

сврхе или се шаље у јавну мрежу, односно врши снабдевање објеката у

окружењу.

d)

КОМБИНОВАЊЕ РЕЖИМА "МАКСИМАЛНА ПРОИЗВОДЊА

ЕЛЕКТРИЧНЕ ЕНЕРГИЈЕ" И РЕЖИМА "ЗАДОВОЉЕЊЕ СОПСТВЕНИХ

ПОТРЕБА ТОПЛОТНОМ ЕНЕРГИЈОМ" - Врло често је тарифни систем

локалног електро-дистрибутера конципиран тако да је ноћна тарифа знатно

нижа од дневне. С друге стране, тарифни системи снабдевача топлотном

енергијом и снабдевача природним гасом обично подразумевају само једну

цену по енергетској јединици и разликују само категорију потрошача. У таквим

случајевима, зависно од стварних цена енергената, могуће је комбиновати

режим (а) и (c) тако да се добије најповољнији финансијски резултат.

Временски сигнал, који је усаглашен са сигналом којим се прелази са једне на

другу тарифу, преводи когенеративно постројење из режима (a) у (c) и обрнуто.

e) КОМБИНОВАЊЕ РЕЖИМА "ЗАДОВОЉЕЊЕ СОПСТВЕНИХ ПОТРЕБА

ЕЛЕКТРИЧНОМ ЕНЕРГИЈОМ" И РЕЖИМА "ЗАДОВОЉЕЊЕ

СОПСТВЕНИХ ПОТРЕБА ТОПЛОТНОМ ЕНЕРГИЈОМ" - Слично претходном

режиму врши се прелазак из режима (b) у режим (c) и обрнуто. Обично то

подразумева задовољење потреба за топлотном енергијом током дана и задовољење потреба за електричном енергијом током ноћи.

f)

РЕЖИМ "ЗАДОВОЉЕЊЕ СОПСТВЕНИХ ПОТРЕБА ЕЛЕКТРИЧНОМ

ЕНЕРГИЈОМ" (ИЛИ "ЗАДОВОЉЕЊЕ СОПСТВЕНИХ ПОТРЕБА

ТОПЛОТНОМ ЕНЕРГИЈОМ") И ИСКЉУЧЕЊЕ ПОСТРОЈЕЊА - Цена

електричне енергије ноћу може бити толико ниска да чини производњу

електричне енергије неекономичном под било којим режимом рада. Ово може

бити чест случај код мањих когенеративних постројења, где су издаци за

гориво и за трошкове одржавања релативно високи у односу на количину

произведене електричне енергије. У оваквим околностима најбоље је

једноставно когенеративно постројење угасити током ноћи и сву потребну

електричну енергију купити од јавне електро-мреже.

g)

ЕКОНОМСКО ОПТИМИЗОВАЊЕ ПРОИЗВОДЊЕ - Врло често је тарифни

систем електричне енергије врло компликован и његово коришћење захтева

пажљиву анализу. Цена електричне енергије зависи од доба дана, дана у

недељи, месеца у току године ангажоване снаге, потрошње итд. У таквим

условима је врло корисно програмирати рад постројења из сата у сат. Овај

режим подразумева комбиновање режима (a), (b) и (c) уз задовољење критеријума минималних трошкова производње когенеративног постројења. У


19/26

19 | С т р а н а

данашњим условима врло развијеног управљачког система и једноставног

програмирања, могуће је оптимизирати систем на бази тренутних цена

енергената (у нашем случају електричне енергије, природног гаса и топлотне

енергије) и цена одржавања.

Важни технички параметри

Приликом одабира когенерационих система, треба узети у обзир неке важне техничке

параметре који помажу у дефинисању врсте и селекције оперативне шеме различитих

система когенерације.

Однос топлота/снага

Однос топлота/снага је један од најзначајнијих техничких параметара који утичу на

избор типа система когенерације. Однос топлота/снага постројења треба да се подудара

са карактеристикама система когенерације који се инсталира.

Дефинише се као однос топлотне енергије према електричној енергији која је захтевана

конзумом постројења. Иако се може изразити у различитим јединицама, као што су

Btu/kWh, kcal/kWh, lb./hr/kW, итд, овде је представљен на основу исте енергетске

јединице (kW).

Основни односи топлота/снага различитих когенерационих система приказани су у

табели 4 заједно са неким техничким параметрима. Парно-турбински когенерациони

систем има широк спектар вредности овог односа.

Табела 4. Однос топлота / снага за различите когенерационе системе

Размере потребне топлоте и снаге варира од места до места, па тип постројења мора

бити пажљиво одабран и одговарајући оперативни планови морају бити успостављен

тако да одговарају захтевима у највећој могућој мери. Постројење се може подесити

тако да обезбеде део или целокупно топлотно и електрично оптерећење, или се вишак

енергије може извозити уколико је доступан одговарајући купац. Табела 5, приказује

типичне вредности односа топлота/снага за одређене енергетски интензивне

индустријске гране.

Табела 5. Односа топлота / снага за одређене енергетски интензивне индустријске гране


20/26

20 | С т р а н а

Когенерација је вероватно да ће бити најповољнија при следећим условима:

(a) Уравнотежене потребе за паром и електричном енергијом;

(b) Постројење или група постројења има довољне потребе паром и електричном

енергијом да би се дозволила економски оправдано постизање обима

производње;

(c)

Пиковима и минимумима у потражњи се може управљати или, у случају електричне енергије, адекватне залихе се могу добити из комуналног предузећа.

Однос топлота/снага захтеваних на одређеној локацији могу да варирају током

различитих доба дана и годишњим добима.

Квалитет потребне топлотне енергије

Квалитет потребне топлотне енергије (температура и притисак) такође одређује тип

система когенерације. Млину за шећер је потребна топлотна енергија на око 120°C и

topping когенерациони системи могу да задовоље топлотне потребе. Са друге стране,

фабрика цемента захтева топлотну енергију од око 1450°C и bottoming когенерациони

систем може да задовољи и висок квалитет топлотне и захтевима постројења у погледу

електричне енергије.

Дијаграми птерећење

Слика 9. Различити дијаграми потражње топлотне и електричне енергије у две фабриике


21/26

21 | С т р а н а

Дијаграми потражње топлотне и енергије утичу на избор (тип и величина) од система

когенерације. Дијаграми оптерећења две фабрике приказани су на слици 9, на основу

којих се могу одабрати два когенерациона постројења различите величине и врсте.

Доступност горива

У зависности од доступности горива, неки потенцијалних когенерационих система ће

можда морати да буду одбачени. Доступност јефтинијих горива или отпадних

продуката који могу да се користе као горива, један је од главних фактора при

техничким разматрањима јер одређује конкурентност когенерационог система.

Поузданост система

Неки потрошачи енергије захтевају веома поуздану електричну и/или топлотну

енергију, на пример, индустрија целулозе и папира не може да раде са дужом

недоступности процесне паре. У таквим случајевима, инсталирани когенерациони

систем мора бити модуларан, тј да треба да се састоји више од једне јединице, тако да

затварање одређене јединице не може озбиљно утицати на снабдевање енергијом.

Систем који зависи од мреже у односу на незевисан систем

Зависни систем има приступ мрежи за куповину или продају електричне енергије.

Независан систем је такође познат као "stand-alone" систем који задовољава све

енергетске захтеве локације на којој је инсталиран. За исти објекат, техничка

конфигурација когенерационог система дизајнираног као зависног система би била

другачији од самосталног система.

Electricity buy-back

Техничко разматрање когенерационог система мора узети у обзир да ли локални

прописи дозвољавају да електро-дистрибутивна предузећа купују електричну енергију

из когенерационих постројења или не. Величина и тип когенерационог постројења

може бити знатно другачија ако је дозвољен извоз електричне енергије у мрежу.

Локални еколошки прописи

Локални еколошки прописи могу да ограниче избор горива која се користе за

предложена когенерациона постројења. Ако су локални еколошки прописи строги, нека

од доступних горива се не могу користити због високе цене третмана издувних гасова.


22/26

22 | С т р а н а

КОГЕНЕРАЦИЈА У СИСТЕМИМА ДАЉИНСКОГ ГРЕЈАЊА

Први системи даљинског грејања са комбинованом производњом топлоте и електричне

енергије су успостављени у Немачкој (Хамбург, Берлин, Дрезден), Данској

(Копенхаген), Француској (Париз) и нешто касније у Шведској и Финској.Седамдесетих година 20. века, током две светске кризе у снабдевању нафтом, ови

системи су се показали као најефикасније опције за смањење зависности од нафте и

због тога су постали саставни делови националних енергетских политика, углавном у

оним земљама које су имале искуство са овим системима.

У Источноевропским земљама, националне енергетске политике су фокусиране на

смањење потрошње примарне енергије за производњу електричне енергије употребом

CHP и ДХ система. Прелазак на тржишну економију и реструктурирање индустрије у

овим земљама довели су до смањења потрошње енергије у целини. Потрошња топлоте

се посебно драстично смањивала. Овај пад потрошње је био један од главних разлога

због кога је грејни сектор упао у дубоку рецесију.

Према подацима из 2008, од укупно генерисане електричне енергије, само око 10% је

генерисано из когенерационих постројења. Само у неколико земаља (Данска, Финска и

Летонија) постоји значајнији удео когенерационих постројења у генерисању снаге и то

између 30% и 50% од укупно генерисане снаге. Свака од ових земаља има јединствен

приступ, али један од елемената је заједничко свим земљама са успешним CHP

тржиштима: владине политике које су фокусиране на снабдевање електричном и

топлотном енергијом. На слици 10 приказани су инсталисани капацитети закомбиновану производњу електричне и топлотне енергије у неким земљама ЕУ.

Слика 10. Инсталисани капацитети [МW] у земљама ЕУ


23/26

23 | С т р а н а

Немачка је земља са највише инсталисаних капацитета у ЕУ, али у укупном уделу то

чини негде око 12%. Удео когенерације у укупној производњи електричне енергије у

појединим земљама ЕУ приказан је на слици 11.

Слика 11. Удео когенерације у укупној производњи електричне енергије у неким земљама ЕУ

Око 54% електричне енергије произведене у CHP јединицама потиче из постројења

повезаних са мрежама даљинског грејања, а остатак се производи у индустријским CHP

јединицама (слика 12). Са исте слике, се може уочити да око 58% топлоте се користи

директно од стране индустрије и 42% се дистрибуира корисницима преко јавнихсистеме даљинског грејања.

Слика 13. Произведена топлота и електрична енергија из CHP постројења у ЕУ


24/26

24 | С т р а н а

Висок ниво CHP производње у постројењима за јавно снабдевање је типичан у земљама

које имају добро развијене мреже даљинског грејања. То је случај са скоро свим новим

чланицама ЕУ, али иу Данској, Финској, Немачкој и Шведској, где је више од половине

електричне енергије добијене из CHP постројења потиче из постројења за јавно

снабдевање. Висока CHP производња у самосталним постројењима је типичана у

земљама које користе топлоту произведену из когенерационих јединица за

индустријске процесе.

CHP системи су атрактивни креаторима енергетске политике и индустрији, јер они

пружају различите енергетске, еколошке и економске бенефите. Ови бенефити, пре

свега, обухватају:

значајно повећање ефикасности искоришћења горива,

редукција емисије CO2 и осталих полутаната,

смањење трошкова за потрошаче енергије,

смањење губитака у транспортној и дистрибутивној мрежи и

коришћење локалних ресурса.

DH (district heating) мреже имају велики потенцијал за примену CHP. DH са CHP може

да обезбеди двоструку корист у виду смањења трошкова и утицаја на животну средину

и производње електричне енергије и снабдевања топлотном енергијом. Са широким

спектром погодности, когенеративни системи уграђени у ДХ постројења могу помоћи у

постизању важних циљева различитим творцима енергетских политика, на пример:

Националн

Kogeneracija Text

Documents