Повишаване на енергийната ефективност в индустрията чрез внедряване на когенерационни системи

Повишаването на енергийната ефективност на производствените съоръжения, сградите и домовете дава реална възможност на обществото да се справи с енергийните проблеми по ефективен начин. Въпреки това, усвояването на възможностите за по-добра енергийна ефективност в тези сектори изисква различни стратегии за достигане на националните икономически, енергийни и екологични цели, включително използването на технологии и системи с по-голяма производителност и по-добра енергийна ефективност.

Както е добре известно, когенерационната система представлява интегрирана система, която едновременно произвежда електрическа и използваема топлинна енергия (например пара) от един вид гориво. Тя е наложила се вече технология, която може да произвежда полезна енергия по-ефективно и по този начин значително да подобри енергийната ефективност, както и да създаде съществени облаги за крайните потребители като съоръженията, електроцентралите и обществата.

Изключително предимство на когенерационната система е нейната гъвкавост и възможността да бъде използвана в разнообразие от области - преработка на храни, здравеопазване, химическо производство, първично производство на метали, както и в различни съоръжения като центрове за съхранение на данни, хотели, жилищни сгради, депата за отпадъци и селскостопански ферми.

Използвани технологии

В стандартните когенерационни системи се използват пет основни вида технологии. Газовите (горивни) турбини от 90-те години насам са основна част в системите за генериране на енергия в световен мащаб, включително и при когенерационните системи. Тази технология използва въздух, който се засмуква, компресира, смесва с гориво (обикновено природен газ), и изгаря в турбина, която генерира енергия.

От изпускателната тръба може да се възстанови топлина, която да се използва за нагряване, охлаждане или други индустриални процеси.

Парните турбини (или турбини с противоналягане) работят с вода, която се нагрява с помощта на гориво и се превръща в пара, която по-късно се използва за задвижването на турбина, генерираща енергия.

Технологията на газобуталните двигатели през последните години се е усъвършенствала откъм ефективност. Тези двигатели имат горивна камера, в която се изгаря горивото. Този процес задвижва бутало и колянов вал, за да осъществи ротационно движение. И в този случай от водата от изпускателната тръба и водната риза може да се възстанови топлина, която да се използва отново.

Горивните клетки електрохимично превръщат горивото в електрическа енергия. По принцип това става чрез комбиниране на водород и кислород. Един вид изкопаемо гориво, като например природен газ, може да бъде химически преобразувано, за да се получи водород. Топлината, която се отделя по време на електрохимичната реакция, протичаща в горивната клетка, може да бъде оползотворена за определени цели като например нагряването на вода. Микротурбините пък представляват малки газови турбини, които използват модифицирани процеси и структури за генериране на енергия.

Двигателите с вътрешно горене, използвани в когенерационните системи, обикновено работят при електрическа мощност в диапазона от около 50 kW докъм 20 МW. Ефективността им при добив на електроенергия е съизмерима с тази на турбините. За двигателите с искрово запалване ефективността е около 35%, а за двигателите с компресионно запалване - около 38%. При комбинирано производство ефективността им нараства значително и може да достигне до 85%.

Обикновено се препоръчва долната граница на допустимо натоварване на когенераторните инсталации с газобутални двигатели да е в границите от около 30-50% от номиналната мощност, въпреки че намаляването на натоварването в тези граници на практика почти не влияе на електрическия КПД на системата. Характерно за газобуталните когенераторни системи е високата ефективност при оползотворяването на получената топлина, което значително повишава общия КПД.

Топлинната енергия обикновено се оползотворява, като се произвежда или пара с налягане до 1,5 МРа, и/или гореща вода с температура до 95° С, или изходящите димни газове се използват непосредствено в сушилни или други инсталации. Освен топлината на изходящите газове, принципно може да се използва и топлината от системата за охлаждане.

Подобряване на енергийната ефективност в различните сектори

Когенерационните системи бележат голямо развитие през годините и в момента са по-надеждни и по-ефективни от всякога. Също така, цената на природния газ, най-често използваното гориво в когенерационните системи, падна, което създава благоприятни условия за разширяването им. Друг фактор, който спомага за разпространението на тези системи, са условията, осигурявани от държавата при използването им в различни приложения.

В конвенционалната когенерационна система (позната още като КТЕ или система, при която първо се произвежда електроенергия, след което излишната топлинна енергия се оползотворява за отопление или охлаждане), горивото се използва само за генерирането на електрическа и използваема топлинна енергия.

Във вариация на конвенционалния модел, известна като система за възстановяване на отпадъчна енергия (ВОЕ), горивото се използва за протичането на индустриален процес (като например производството на стомана) и неизползваната (отпадъчна) енергия (например процесни газове при производството на стомана) се прилага за производството на електричество и, в някои случаи, на допълнителна топлинна енергия.

Системата за възстановяване на отпадъчна енергия може да използва в производството на енергия дори и падове на налягането или отпадъчните газове, които са с наполовина горивно съдържание.

Електричеството, създадено от когенерационните системи, може да бъде използвано в същото съоръжение или да бъде връщано обратно в мрежата, ако са сключени съответните споразумения. Топлинната енергия може да бъде използвана в повечето случаи само на място за различни цели като например производство на пара, охлаждане и климатизация на помещения. За най-ефективни се считат тези когенерационни системи, които могат да оползотворяват максимално ефективно отпадъчната топлинна енергия.

Когенерационните системи използват различни технологии и горива и могат да бъдат вградени в редица индустрии в разнообразни сфери на дейност. Като водещи предпоставки за разрастването на пазара за когенерационни системи се считат силната подкрепа от бизнеса, подходящата помощ от електроцентралите и благоприятстваща законова уредба.

Предимства на когенерационните системи

Преди да вземат решение да използват когенерационна система, производствените предприятия трябва да бъдат сигурни, че всички вече съществуващи електрически и топлинни натоварвания и процеси са достигнали своята максимална ефективност. Това ще гарантира правилното оразмеряване на когенерационната система и ще осигури оптимизирането на производството и използването на енергия, сравнено със системите, които произвеждат топлинна и електроенергия поотделно (например електричество, закупено от електроцентрала и топлинна енергия, произведена от парни котли).

За пример, електрическите централи и котлите, работещи отделно, могат да достигнат енергийна ефективност до около 50% при максимален капацитет на работа. За разлика от това, когенерационните системи могат да използват отпадъчната топлинна енергия, която ще бъде загубена при конвенционалните системи, за производствени цели и така да постигнат енергийна ефективност от 75% и повече.

Друго предимство дава фактът, че тъй като електричеството се произвежда и използва на едно и също място, загубите при пренасяне и разпределение на енергията са доста по-малки, отколкото при закупуване на електричеството от отдалечена електроцентрала.

Водещи началото си от по-високата енергийна ефективност, както и от редица други фактори, когенерационните системи предлагат множество ползи за потребителите - производствените съоръжения, търговските обекти, електроцентралите, както и крайните клиенти.

Един от водещите плюсове е по-ниската цена на енергията, която е вследствие на цялостната по-висока ефективност на когенерационните системи. Чрез производство на електрическа и топлинна енергия на място е възможно намаляването на енергийните разходи с от една трета до почти наполовина, което би било изключително предимство, особено в региони, където закупуваната енергия от електроцентралите е относително скъпа.

По този начин когенерационните системи генерират значителни спестявания от производствените разходи. Това им позволява да възвърнат първоначалната инвестиция в тях в максимално кратък срок, като тези спестявания ще продължават до края на периода, в който системата е годна за експлоатация.

Когенерационните системи могат да предложат нови източници на приходи. Излишната електрическа енергия например може да бъде продавана обратно на електроцентралите, като за целта трябва да има подписани съответните договори и споразумения. Освен това тези системи могат да генерират пара и топлина, както и други характерни за индустрията продукти, които могат да доведат допълнителна печалба.

Докато тези пазари тепърва започват да се появяват, допълнителните доходи, генерирани от когенерационните системи, могат да включват определени типове помощи за производството на чиста енергия, както и плащания за осигуряване на резерви от енергия.

Друго преимущество на прилагането на когенерационните технологии е повишената конкурентоспособност на дадения производител. Спестяванията от енергийните разходи и печалбите от допълнителните продажби, получени от използването на когенерационни системи, могат да бъдат инвестирани обратно в съоръженията (или в самите компании), за да финансират разширяването на предприятието и на други големи проекти, наемането на персонал или запазването на работни места или други инициативи за повишаване на конкурентоспособността.

Тъй като когенерационните системи произвеждат едновременно електрическа и топлинна енергия на място, те намаляват риска от смущения в електрическата мрежа и повишават надеждността й. Тези системи имат възможност да осигурят качествена резервна мощност и да подпомогнат електроцентралите, когато в тях има повреда и липсва захранване в основната електропреносна мрежа. Както е известно, прекъсванията в електрозахранването могат да бъдат много скъпи за компаниите.

Повишената надеждност на когенерационните системи е от изключителна важност за съоръженията, в които електричеството е жизненоважно за процеса на работа като например болници, центрове за съхранение на данни и производствените съоръжения, които работят в непрекъснат режим. За по-голямо удобство, за да се изолират тези съоръжения от промените в цените на горивата и евентуалните повреди в захранващата мрежа, когенерационните системи могат да бъдат настроени да работят с няколко горива едновременно.

Нещо повече, като друг аспект на надеждността на енергията, тези системи могат да предложат по-високо качество на електрическата енергия, т. е. по-постоянен и по-предвидим профил на напрежението и тока. Те могат да го постигнат без значение дали са проектирани за собствени нужди или са включени в електрозахранващата мрежа.

Когенерационните системи могат да помогнат на предприятията и на електроцентралите да спазят националните и международни задължения за намаляване на изхвърляните вредни емисии в атмосферата, като например изпълняване на заложените ограничения за изпусканите във въздуха токсини от парни котли и електроцентрали, тъй като когенерационните системи и системите за възстановяване на отпадъчна енергия отговарят на стандартите за чиста енергия.

Макар че тези системи сами по себе си не могат да доведат до привеждането на предприятията в съответствие с ограниченията, те на практика могат да помогнат за намаляването на цената на изпълнението на тези стандарти и за редуцирането на вредните емисии на CO2 и други замърсители, изхвърляни във въздуха.

Що се отнася до намаляването на вредните емисии - когенерационните системи намаляват изхвърлените вредни емисии въглероден диоксид, както и други замърсители като азотни оксиди, серен диоксид, прахови частици и други парникови газове.

Например, една газова турбина с мощност от 5 MW, която работи с когенерационна система с ефективност от около 75% намалява годишните емисии въглероден диоксид с около 50% в сравнение с парен котел, работещ с природен газ с 80% ефективност и стандартен електрически генератор, работещ с изкопаеми горива. Изчисленията показват, че на практика може да се очаква една когенерационна система да намали вредните емисии въглероден диоксид с 4000 метрични тона на мегават инсталирана мощност.

Друга, макар и косвена полза от използването на когенерационни системи, е създаването на нови работни места в сферите на производството, монтажа и поддръжката и други. Също така, проектите, свързани с тези системи, отварят нови работни места в снабдителната верига на системите, както и в другите поддържащи индустрии.

Интегрирането на възобновяема енергия - когенерационните системи, особено тези, използващи природен газ като гориво, могат да станат още по-гъвкави и надеждни, ако се комбинират с различни системи с възобновяеми източници на енергия. Основната цел е осигуряването на резервно захранване, което може да се използва при намаляване на скоростта на вятъра или когато не се наблюдава достатъчно слънцегреене.

Немалък плюс от прилагането на когенерационните технологии са и намалените крайни цени за потребителите. Този тип системи водят до финансови ползи не само за предприятията, в които са монтирани. По косвен начин например, добре проектираните и експлоатирани системи могат да намалят необходимостта от изграждане на допълнителни електроцентрали.