بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی انواع سیستم های MCHP و ارزیابی کارایی یک نمونه برای یک ساختمان مسکونی
خلاصه
راین مقاله ابتدا به معرفی سیستم های کوچک تولید همزمان برق و حرارت ( ( MCHPi پرداخته سپس بار حرارتی و برو دتی و همچنین مقدار برق مصرفی یک ساختمان مسکونی نمونه محاسبه می شود که با استفاده از اطلاعات به دست آمده یک نمونه صنعتی استفاده و بازگشت سرمایه با توجه به قیمت کنونی محاسبه می گردد. مطابق محاسبات انجام شده مدت بازگشت سرمایه 20 سال با احتساب قیمت های داخلی و 6 سال با احتساب قیمت های بین المللی می باشد که در حالت دوم اقتصادی بنظر می رسد.
کلمات کلیدی: MCHP ، پیل سوختی، میکروتوربین، موتورهای پیستونی.
.1 مقدمه
بهینه سازی انرژی به عنوان یک راهکار اساسی برای کاهش مصرف انرژی و نیز کاهش آلاینده ها ی زیست محیطی در کشور های پیشرفته دنیا مطرح شده است . امروزه این کشورها به بهینه سازی و مدیریت انرژی به عنوان یک منبع جدید انرژی می نگرند و این رویکرد تاثیر مثبتی بر اقتصاد کشورها خواهد داشت . در این میان یکی از مهمترین راهکارهای بهینه سازی انرژی انجام شده در تمامی این کشورها با هدف افزایش بازده تولید انرژی و استفاده بهینه از منابع سوخت با بازده کلی 75 تا 90 درصد استفاده از سیستم های تولید همزمان برق و حرارت می باشد. فن آوری های تولید همزمان برق و حرارت ، برق یا توان مکانیکی تولید نمونه و حرارت اضافی را برای مصارف مختلف از جمله گرمایش و سرمایش به صورت قابل ملاحظه ای بازیافت می نماید . [1]
معمولا برق مورد نیاز واحد های صنعتی ، ساختمان های تجاری و ساختمان های مسکونی از نیروگاه های عمده کشور تامین می شود ، واین در حالی است که تمام نیاز حرارتی آنها در همان محل تولید می گردد . 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 و حرارت مفید تنها توسط یک سیستم . تولید همزمان برق و حرارت ( ( CHP یا به اختصار تولید همزمان، یکی از مهمترین کاربردهای تولید پراکنده است که عبارت از تولید همزمان و توام ترمودینامیکی دو یا چند شکل انرژی از یک منبع ساده اولیه می باشد. استفاده هرچه بیشتر از گرمای آزاد شده در حین فرایند سوختن سوخت، باعث افزایش
بازده انرژی و کاهش مصرف سوخت و درنتیجه کاهش هزینه های مربوط به تامین انرژی اولیه می گردد. از گرمای اتلافی بازیافت شده از این سیستم ها می توان برای مصارف گرمایشی،سرمایشی و بسیاری از فرآیندهای صنعتی استفاده نمود.
[2]
سال ها پیش این فناوری برای اولین بار در نیروگاه های سیکل بخار به کار رفته و از بخار استخراج شده از سیکل برای مصارف گرمایشی یک کارخانه و واحدهای اطراف آن استفاده می شده است. این عمل گرچه کمی باعث کاهش راندمان نیروگاه بوده اما با تامین حرارت مورد نیاز واحد از مصرف حجم زیادی سوخت جلوگیری می کرده است. خوشبختانه این ایده تنها به نیروگاه های بخار محدود نشد و در طی این سال ها، بویژه در سال های اخیر، فناوری تولید مشترک برق و حرارت، که بهره وری بالایی را در مصرف انرژی به دنبال دارد، به سایر مولد های تولید قدرت ( مکانیکی یا الکتریکی ) گسترش داده شد. به عبارت دیگر امروزه می توان با پیشرفت های صورت گرفته، هر سیستم مولد قدرتی با هر اندازه و کاربرد را به صورت یک واحد مشترک طراحی نمود. به این ترتیب علاوه بر تولید توان الکتریکی یا مکانیکی توسط دستگاه، امکان استحصال حرارت اتلافی مولد یا موتور به صورت انرژی گرمایی قابل استفاده وجود دارد. [3]
در این مقاله در ابتدا کلیه سیستم های تولید همزمان برق و حرارت به صورت اقتصادی بررسی و سپس بهترین تکنولوژی انتخاب و سازندگان اصلی بر پایه این تکنولوژی مشخص شده است. در انتها یک ساختمان نمونه 5 طبقه 10 واحدی در تهران انتخاب و بارهای حرارتی، برودتی، الکتریکی و آب گرم مصرفی محاسبه و یک سیستم MCHP انتخاب می شود و با توجه به قیمت فروش این محصول در ایران محاسبات اقتصادی در مورد آن انجام می شود.
شود و با توجه به قیمت فروش این محصول در ایران محاسبات اقتصادی در مورد آن انجام می شود. -2مزایای تولید همزمان برق و حرارت در محل مصرف
مزایای استفاده از سیستم های تولید همزمان برق و حرارت را می توان به شکل زیر در نظر گرفت: - 1 افزایش بازده سوخت دریافتی به برق تحویلی از کمتر از 30 درصد به 80 تا 95 درصد - 2 حذف تلفات توان پیک 30 درصدی و تلفات انرژی 18 درصدی
- 3 توسعه پدافند غیرعامل و افزایش 5 برابری امنیت صنعت برق در مقابل حملات نظامی و تروریستی - 4 نسبت سود به هزینه تواید همزمان برق و حرارت در محل مصرف نسبت به روش فعلی تولید برق در کشور به
بیش از 9 برابر برآورد می گردد.
از دیگر مزایای سیستم های تولید همزمان میتوان حرکت به سوی خصوصی سازی و تولید غیر متمرکز و مستقل برق وحرارت ، جلوگیری از تلفات توزیع و انتقال در شبکه سراسری ، افزایش کارآیی تبدیل انرژی و استفاده از آن ، کاهش مصرف سوخت و افزایش رقابت در تولید برق و توان نیروگاهی و کاهش آلاینده های زیست محیطی بخصوص دی اکسید کربن و گازهای گلخانه ائی اشاره نمود. [4]
-3انواع سیستم های MCHP
انواع سیستمهای MCHP بصورت زیر می باشند. [5] - 1 موتورهای رفت و برگشتی - 2 میکروتوربین ها – 3 موتورهای استرلینگ – 4 پیل های سوختی
1-3موتورهای رفت و برگشتی موتورهای رفتوبرگشتی*از نوع موتورهای احتراق داخلی هستند که توسط حرکت رفت و برگشتی پیستون قدرت را به
میللنگ منتقل میکنند. در کاربریهای تولید همزمان موتورهای اشتعال جرقهای به خصوص از نوع گازسوز از محبوبیت بیشتری برخوردارند. در یک موتور اشتعال جرقهای گازسوز، سوخت که در اینجا گاز طبیعی میباشد با هوا مخلوط و توسط حرکت پیستون در سیلندر فشرده میگردد. این مخلوط سپس توسط جرقه حاصل از شمع مشتعل میگردد. انبساط حاصل از گازهای داغ، پیستون را به حرکت درآورده و منجر به چرخش میللنگ و تولید انرژی مکانیکی از نوع دورانی می-گردد. انرژی مکانیکی تولید شده را میتوان برای به حرکت درآوردن ژنراتور به منظور تولید برق مورد استفاده قرار داد. گرمای موجود در گازهای خروجی**، گرمای روغن روانکاری و گرمای سیال خنککننده در راهگاههای آب را می-توان توسط مبدلهای حرارتی ویژهای مطابق مدار نشان داده شده در شکل 1 بازیافت کرده و برای تأمین حرارت مورد نیاز مصرف کرد.
.
شکل -1 نحوه کار یک موتور اشتعال جرقهای به همراه مدار بازیافت حرارت برای تولید همزمان
1-1-3هزینه ها موتورهای رفت و برگشتی که قدیمی ترین فناوری برای تولید توان اضطراری می باشند، کمترین هزینه اولیه را بین
فناوری های موجود دارا می باشند. هزینه سرمایه گذاری اولیه برای یک موتور ژنراتور گازسوز به طور نمونه بر حسب اندازه، نوع سوخت و نوع موتور از 300 تا 900 دلار به ازای هر کیلووات می باشد . [6] در حالت کلی با افزایش توان خروجی نسبت هزینه به توان کاهش می یابد. این موضوع در شکل 2 نشان داده شده است. بعلاوه این نمودار نشان می دهد که نوع موتور وابسته به نوع سوخت عاملی تعیین کننده در سرمایه گذاری اولیه می باشد.
شکل -2 وابستگی هزینه سرمایه گذاری مولدهای برق-گرما برمبنای موتورهای رفت و برگشتی به ظرفیت توان خروجی و نوع موتور براساس نوع سوخت [6]
2-3میکرو توربین ها میکروتوربینها مولدهای کوچک برق هستند که سوخت گازی یا مایع می سوزانند و یک ژنراتور الکتریکی را با سرعت بالا
به چرخش در می آورند. تست میکروتوربینها از سال 1997 آغاز گردید و در سال 2000 به صورت تجاری ، سرویس دهی اولیه این فناوری شروع شد. میکروتوربینها ، با سوختهای گوناگونی می توانند کار کنند که شامل گاز طبیعی ، گاز ترش ( دارای گوگرد بالا ) ، و سوختهای مایع هما نند بنزین ، نفت و گازوییل است و در کاربردهای منابع بازیافت ، گازهای اتلافی را کهقبلاً به اتمسفر رها می شدند ، می سوزانند. در شکل3 شماتیکی از یک سیستم میکروتوربین مشخص شده است.
شکل - 3 شکل شماتیک میکروتوربین [6]
میکروتوربینها برای کاربردهای گوناگون تولید و توزیع در محل مناسب هستند، زیرا دارای انعطاف پذیری در روشهای مختلف اتصال و همچنین قابلیت چیده شدن بطور موازی برای تأمین بارهای بزرگ می باشد.
انواع کاربردهای آن شامل: -1پیک سایی و تأمین توان بار پایه -2تولید همزمان برق و حرارت -3 تولید تنها برق -4 تولید برق پشتیبانی و اضطراری -5شبکه های کوچک
مصرف کنندگان مورد نظر شامل مراکز مخابرات ، رستورانها ، ساختمانهای مسکونی، ساختمانهای اداری و دیگر بخشهای اداری می باشند . از میکروتوربینها ، هم اکنو ن در عملیات بازیافت منابع در حوضه های نفت و گاز و معادن ذغال سنگ بهره برداری می شود ، که در آنها گاز محصول جانبی می باشد و بعنوان سوخت استفاده میشود . در کاربردهای CHP از گرمای اتلافی میکروتوربین برای تهیه آب داغ ، گرم کردن فضای ساختمان ، به کار انداختن چیلر جذبی و همچنین ت أمین نیازهای حرارتی ساختمانها و فرآیندهای صنعتی استفاده می شوند.
در هنگام استفاده از میکروتوربین ها به صورت CHP ، یک مبدل حرارتی ثانویه انرژی باقیمانده در خروجی میکروتوربین را برای تهیه آب گرم منتقل می نماید .حرارت خروجی ممکن ا ست در مواردی مانند گرمایش آب آشامیدنی، به کار انداختن چیلرهای جذبی ، گرمایش محیط، تأمین حرارت فر آیندی مورد استفاده قرار گیرد. بیشتر موارد استفاده CHP ها برای ت أمین آب گرم و گرمایش محیط م یباشد .ساده ترین کاربرد CHP تأمین آب گرم می باشد. [4]
شکل (4) متعلقات یک نمونه میکرو توربین را نشان می دهد که ساخت شرکت Capstone می باشد.
شکل -4 متعلقات یک نمونه ریزتوربین متعلق به شرکت [7] Capstone
1-2-3هزینه ها ی میکروتوربین ها هزینه سرمایه گذاری ریزتوربین ها بین 700 تا 1100 دلار به ازای هرکیلووات انرژی است.[8] در صورت اضافه کردن
اجزاء بازیاب حرارتی هزینه 75 تا 350 دلار به ازای هر کیلووات افزایش می یابد. نصب و راه اندازی مولدهای هم زمان هزینه سرمایه را 30 تا 50 درصد افزایش می دهد. سازندگان ریزتوربین ها سعی دارند تا هزینه سرمایه ریزتوربین ها را به 650 دلار بر کیلووات کاهش دهند. در صورتی که بازار مصرف گسترش یابد و حجم فروش بیشتر شود این هدف عملی خواهد شد. [8] 3-3موتورهای استرلینگ
بر خلاف موتورهای احتراق داخلی که احتراق درون موتور اتفاق میافتد، در موتور استرلینگ احتراق در یک محفظه احتراق مجزا و خارج از آن رخ میدهد. موتور استرلینگ در سال 1816 توسط رابرت استرلینگ* ابداع و طراحی شد. سیال
سیال عامل که در اینجا گاز هلیم یا نیتروژن میتواند باشد طی یک چرخه بین یک محفظه دما بالا و یک محفظه دما پایین جابجا میشود. هنگامی که گاز در محفظه دما بالا گرم و منبسط میگردد پیستون را به حرکت درآورده و بواسطه حرکت پیستون گاز وارد محفظه دما پایین میشود. در این فرآیند گاز از مبدل حرارتی ویژهای عبور میکند و حرارت خود را برای شروع دوباره چرخه و ورود به محفظه دما بالا آماده می کند.
موتورهای استرلینگ در آرایشهای مختلف بر مبنای نوع پیستون، تعداد آنها، سیلندرها و آرایش آنها طراحی و ساخته میشوند. دو نوع مهم از این گونه موتورها عبارتند از موتورهای استرلینگ با پیستون جداکننده* و موتورهای استرلینگ از نوع دو پیستونه . در موتورهای استرلینگ با پیستون جابجاکننده گاز محبوس در محفظههای گرم و سرد پیستون را به عقب و جلو میراند. انبساط گاز در مخزن گرم و جابجایی پیستون علاوه بر تولید کار همزمان گاز موجود در محفظه سرد را متراکم و گرم میکند. گاز گرم دمای خود را در مجاورت با محیط سرد کاهش داده و برای شروع دباره چرخه آماده میشود 1-3-3هزینه ها از آنجا که موتورهای استرلینگ هماکنون در حال توسعه و تجاریسازی میباشند لذا آمار دقیقی از میزان هزینههای
سرمایهگذاری، نصب و راهاندازی و تعمیر و نگهداری این گونه موتورها در دسترس نمیباشد. منابع موجود میزان سرمایه-گذاری مورد نیاز برای موتورهای استرلینگ را بین 2000 تا 50000 دلار ارزیابی کردهاند که به اندازه و نوع موتور وابسته میباشد. یکی دیگر از دلایل بالا بودن هزینه تولید، تعداد یا تیراژ تولید میباشد. تیراژ تولید موتورهای استرلینگ بسیار کم است و اغلب در کاربردهای کاملاً تخصصی نظیر صنایع هوافضا مورد استفاده قرار میگیرند. کاهش قیمتها با اصلاحات طراحی و جایگزینی مواد توسط شرکتهای تحقیق و توسعه در دست بررسی است. شرکتهایی از جمله PowerGen،
WhisperTech،Sunpower وEnaTec که از موتور استرلینگ برای کاربرد ریزمولد برق-گرما استفاده کردهاند به موفقیت نسبتاً خوبی در این زمینه دست یافتهاند. [9]
4-3پیل سوختی پیل سوختی یک مبدل انرژی الکتروشیمیایی می باشد که دارای سه جز اصلی آند ، کاتد و الکترولیت می باشد . پیل ها
ی سوختی شبیه به باتری هستند به طوری که از طریق واکنش الکتروشیمیایی و بدون احتراق مستقیم سوخت ، برق DCتولید می کنند .عموما یک پیل سوختی، هیدروژن و اکسیژن را به صورت الکتروشیمیایی واکنش میدهد و محصول واکنش آب و الکتریسیته و گرما میباشد .در سمت آند گاز هیدروژن یونیزه شده و طی واکنش گرمازا الکترون و یون هیدروژن تولید میکند.
در سمت کاتد اکسیژن با الکترونهای گرفته شده از الکترود و یونهای هیدروژن منتقل شده توسط الکترولیت مطابق رابطه ذیل واکنش داده و اب تولید میکند
شکل -5 عملکرد پیل سوختی
دمای عملکرد پیل سوختی غشا پلیمری80 تا 100 درجه سیلسیوس می باشد .راندمان پیل سوختـــــــــــی به صورت انرژی مفیــد تولید شده ( الکتریکی+گرمایی ) نسبت به میزان انرژی مصرف شده توسط پیل تعریف می شود . ماکزیمم راندمان تئوری پیل سوختی غشا پلیمری که مجموع راندمان الکتریکی و گرمایی می باشد، در شرایط استاندارد 83 درصد میباشد. [4]آزمایشات عملکردی انجام شده بر روی پیلهای سوختی غشا پلیمری ساخت کمپانی ها ی مختلف در سیستمهای CHP بازده الکتریکی تقریبی 30 درصد و گرمایی حدودا 45 درصد را مشخص می کند . مزیت استفاده از پیل سوختی غشا پلیمری در دستگاههای MCHP در مقایسه با سایر ژنراتورها، راندمان الکتریکی بالاتر و تولید آلاینده بسیار کمتر می باشد، ضمنا دمای عملکرد و ساختار این نوع پیل سوختی آن را برای کاربرد در این سیستمها مناسب می سازد . همچنین پیل ها ی سوختی غشا پلیمری به دلیل نداشتن قطعات متحرک دارای صدای عملکرد پایین و طول عمر بالا می باشند. [5] پیل سوختی بر مبنای الکترولیت که یونها را از کاتد تا آند و بالعکس منتقل میکند دستهبندی میشود. انواع مختلف پیل
سوختی عبارت است از، کربنات مذاب(MCFC)*، قلیایی (AFC)، غشاء تبادل پرتون (PEMFC)، اکسید
جامد (SOFC)، متانول مستقیم(DMFC)** و اسید فسفریک .(PAFC) پیل سوختی اسید فسفریک پیشرفتهترین نوع آن است که دمای کاری پایینی دارد و برای کابردهایی چون ریزمولد برق-گرما ایدهآل نیست، زیرا حرارت اتلافی در ریزمولدهای برق-گرما باید دما بالا باشد. [8]
چند نوع مناسب از پیل سوختی در این گونه موارد PEFC، PEMFC، SOFC و MCFC میباشند. دمای کاری الکترولیت پیل سوختی نوع PEFC و PEMFC برابر است با 80 درجه سانتیگراد. نوع SOFC و MCFC از این جهت مناسباند که نیاز به تنظیمکننده سوخت ندارند، به علاوه در SOFC دمای کاری الکترولیت 800 درجه سانتیگراد می-باشد. [8] بعضی از مشخصات فنی پیلهای سوختی در جدول (1) ارائه شده است.
