بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اقدامات صورت گرفته برای توزیع گاز طبیعی در کشور بعنوان یکی از پاکترین سوختهای موجود در جهان ، میتوان در بیشتر موارد از این سرمایهگذاری انجام شده ، استفاده بهینه و دو منظوره نمود و علاوه بر تامین سوخت ، برای تولید برق نیز از آن بهره جست.
راندمان بالای موتورهای گازسوز با تکنولوژی امروزی و عدم ایجاد آلودگی زیست محیطی ، از جمله دلایل محکمی هستند که تولید محلی برق را با استفاده از گاز طبیعی تشویق میکنند . احداث واحدهای کوچک تولید همزمان برق و حرارت ضمن کاهش تلفات شبکه و بهبود پروفیل ولتاژ و پایداری سیستم ، بنحو قابل توجهی هزینه تمام شده تولید برق را کاهش میدهد.
ساخت موتورهای گازسوز با راندمان بالا ، عمر طولانی ، پایین بودن آلایندههای زیست محیطی ، پشتیبانی و خدمات پس از فروش خوب و در توانهای چند کیلووات میتواند نقش قابل توجهی در تامین محلی و همزمان برق و حرارت واحدهای مسکونی ، تجاری ، صنعتی و .... و بهبود شاخصهای فنی و اقتصادی در صنعت برق داشته باشد. ایجاد شبکه عظیم گازرسانی بمنظور برخورداری حدود 16 میلیون خانوار شهری و روستایی و واحد صنعتی از نعمت گاز ، زیر ساخت عظیمی برای گسترش استفاده از micro chp در سطح کشور ایجاد کرده است. در این مقاله این رویکرد بعنوان یک الزام مورد بررسی قرار گرفته است.
مقدمه
تداوم رشد مصرف انرژی به همراه بهرهوری پائین تولید ، انتقال و توزیع انرژی سبب گردیده است تا دولتها و مراجع سیاستگذار و تصمیمگیر در سراسر جهان به دنبال راهکارهای مناسب مدیریت بهرهوری انرژی و برقراری تعادل میان عرضه و تقاضای انرژی باشند. از جمله راهکارهای در حال استفاده جهت نیل به این هدف، استفاده از تولید همزمان برق و گرما در محل مصرف است.
فن آوری تولید همزمان برق و گرما - - CHP از لحاظ ترمودینامیکی به معنی تولید همزمان دو شکل معمول انرژی یعنی برق و گرما ، با استفاده از یک منبع انرژی اولیه میباشد. انرژی گرمایی از بازیافت تلفات گرمای این مولدهای مستقل به دست میآید و این گرما در بخشهای مختلف صنعتی، تجاری و مسکونی به کار گرفته میشود.
از طرفی الکتریسیته تولیدی توسط این فنآوری به صورت محلی و مستقل و غیرمتمرکز بوده که این دو ویژگی در کنار یکدیگر، کارایی مولدهای تولید برق را به میزان قابل توجهی افزایش میدهد. کارایی سامانههای معمول به روش متمرکز در حدود 27 تا 55 درصد میباشد و بیشترین کارایی مربوط به نیروگاههای سیکل ترکیبی است. در حالیکه با بهرهگیری تولید همزمان برق و گرما به صورت مستقل، کارایی انرژی این مولدها به 90 درصد نیز خواهد رسید.
از سال 1973 میلادی و مصادف با وقوع اولین شوک نفتی در جهان، مسئله کارآیی انرژی در کشور مطرح گردید، اما هیچگاه در برنامهریزیها به صورت جدی مورد توجه قرار نگرفته است و متاسفانه در حال حاضر در استفاده از روش تولید همزمان برق و گرما برای تولید انرژی سهمی ندارد. کشورهایی نظیر فنلاند، استرالیا و سوئد تمام ظرفیت تولید نیروگاههای حرارتی خود را با روش تولید همزمان برق و گرما استفاده مینمایند. همچنین، کشورهای دانمارک، هلند، آلمان، روسیه، اتریش، ژاپن، انگلستان و آمریکا حداکثر ظرفیت تولید برق خود را به استفاده از روش مذکور اختصاص دادهاند و کشورهای کانادا ، هندوستان ، آفریقای جنوبی، ایرلند ، کرهی جنوبی ، مکزیک و یونان به مقدار قابل توجهی به این روش روی آوردهاند.
تولید همزمان برق و گرما در محل مصرف مزایایی نظیر
· افزایش بازده سامانه از کمتر از 30 درصد به 80 تا 95 درصد
· امکان حضور طیف گسترده بخش خصوصی بهدلیل محدوده منابع مالی مورد نیاز
· توسعه پدافند غیرعامل و افزایش 5 برابری امنیت صنعت برق در مقابل حملات نظامی و تروریستی
· کاهش پرباری شبکه - - congestion و کاهش نیاز به احداث ظرفیتهای جدید انتقال و توزیع
· تملک کمتر زمین برای توسعه شبکه و کاهش تبعات مالی، اجتماعی و زیست محیطی
· افزایش پایداری و امنیت فنی سامانه قدرت
· در روش متمرکز، افزایش 30 درصدی بار پیک نسبت به متوسط بار شبکه، تلفات انتقال و توزیع را 1/69 برابر میسازد، در حالی که در روش تولید همزمان در محل مصرف این تلفات نزدیک به صفر است.
از مهمترین این سامانهها میتوان به توربینهای گاز ، موتورهای پیستونی، میکروتوربینها ، موتورهای استرلینگ و پیلهای سوختی که همگی مجهز به سامانه بازیافت گرما هستند ، اشاره نمود.
تولید همزمان برق و گرما
تولید همزمان برق و گرما - - 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 میباشد. استفاده هر چه بیشتر از گرمای آزاد شده در حین فرآیند سوختن سوخت، باعث افزایش بازده انرژی و کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش هزینههای مربوط به تامین انرژی اولیه میگردد.
از گرمای اتلافی بازیافت شده از این سیستمها میتوان برای مصارف گرمایشی، سرمایشی و بسیاری از فرآیندهای صنعتی استفاده نمود. تولید همزمان برق و گرما، میتواند علاوه بر افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت، باعث کاهش انتشار گازهای آلاینده نیز بگردد. در CHP از انرژی گرمایی تولید شده در فرآیند تولید قدرت به عنوان منبع انرژی استفاده میشود. مصرف کنندگانی که به مقدار انرژی گرمایی زیادی در طول روز نیاز دارند، مانند صنایع تولیدی، بیمارستانها، ساختمانها و دفاتر بزرگ، خشکشوییها و ... میتوانند برای کاهش هزینههای خود به نحوه مطلوبی از CHP بهره ببرند. در شکل زیر مقایسهای میان تولید همزمان و تولید جداگانه برق و گرما از نقطه نظر بازده بر اساس مقادیر نوعی ارائه شده است.
شکل : 1 مقایسه تولید همزمان برق و حرارت و تولید جداگانه
پارامترهای مهم واحد CHP
پارامترهایی وجود دارند که برای توصیف عملکرد یک واحد CHP استفاده می شوند، راندمان کل به صورت نسبت کل انرژی تحویلی توسط سیستم به انرژی مصرف شده توسط آن تعریف میشود.
اگر بیانگر سوخت مصرف شده توسط واحد CHP بوده و H و E به ترتیب نماد برق و حرارت مفید عرضه شده توسط واحد باشند، راندمان کل انرژی، U به صورت زیر است :
راندمان تولید برق نیازمند روشی جهت برآورد میزان حرارت مورد استفاده برای تولید برق می باشد. روش مورد استفاده با عنوان روش "اکابرت" شناخته می شود. در این روش نخست، حرارت مفید تولید شده، H با تقسیم آن بر راندمان بویلر، - که همان راندمان بویلر جایگزین شده با سیستم CHP با یک بویلر متعارف است - ،به معادل ورودی آن تبدیل میشود. بنابراین :
حرارت باقیمانده پس از کسر کردن معادل ورودی حرارت مفید می باشد. بنابراین، راندمان تولید برق برابر است با :
اندیس صرفه جویی انرژی - S - ، مقدار انرژی صرفه جویی شده را به دلیل آن که از نیروگاه متعارف با راندمان برای تولید برق استفاده نشده است ، ارزیابی میکند.
فن آوریهای تولید پراکنده :
فنآوریهای تولید پراکنده را میتوان به دو بخش فنآوریهای مبتنی برسوختهای فسیلی و فنآوریهای مبتنی بر انرژیهای تجدید پذیر تقسیم نمود. فنآورهایی که بر مبنای سوختهای فسیلی هستند، عبارتند از :
- موتورهای رفت و برگشتی
- پیل سوختی
- میکروتوربین
- توربین گاز
بازارهای جهانی در زمینه فن آوریهای مبتنی بر سوخت فسیلی روز به روز در حال رشد و توسعه میباشند. تنظیم قوانین و مقررات ویژه در بازارهای انرژی و اثرات جهانی افزایش آلودگی هوا و محیط زیست، دولتها را به حمایت و پشتیبانی از فنآوریهای جایگزین تولید برق، که علاوه بر تامین نیازهای بازار، در جهت کاهش آلودگی هوا و محیط زیست گام بر میدارند، تشویق و ترغیب نموده است.
بخش دوم از فن آوریهای تولید پراکنده که مبتنی بر انرژیهای تجدید پذیر هستند، عبارتند از :
- توربین بادی
- صفحات فتوولتائیک
- توربین آبی کوچک
- انرژی امواج و جذر و مد
شاخصه اصلی این فنآوریها قابلیت اطمینان و عدم آلایندگی آنهاست. هر چند این فنآوریها در حال حاضر به صورت تجاری در دسترس نیستند، ولی روند توسعه آنها به خاطر ویژگیهای منحصر بفردشان در حال افزایش است. در ادامه ، به بررسی بیشتر فنآوریهای تولید پراکنده مبتنی بر سوختهای فسیلی - مشخصا" گاز طبیعی - ، بالاخص توربینها یا موتورهای گازی ، که از نظر تجاری در دسترس هستند، میپردازیم.
سرمایه گذاری پایه برای مولدهای گازسوز
برخلاف گذشته که گاز طبیعی فقط برای مصارف خاص ، ذخیره میشدو غالباً در بخش تبدیل مصرف نمیگردید امروزه گاز طبیعی کاربردهای متفاوتی داشته و در بخشهای مختلف استفاده می شود و رشد چشمگیری به عنوان سوخت برای تولید برق داشته است. بهبود فنآوری توربینهای گازی به طور قابل ملاحظه ای موقعیت گاز طبیعی برای تولید برق را در مولدهای توربین گازی سیکل ترکیبی - CGGT - و واحدهای تولیدهمزمان برق و حرارت - CHP - بهبود بخشیده است.گاز در مقایسه با سایر سوختهای فسیلی دارای مزیتهای متعددی مانند راندمان بالا، هزینههای سرمایهگذاری نسبتاً پایین و پاک بودن، میباشد گاز طبیعی در بین سوختهای فسیلی از همه پاکتر است و تقاضای آن به دلایل زیست محیطی افزایش یافته است.
در سالهای اخیر، گاز طبیعی مصرف شده برای تولید برق تقریباً 20% تولید برق دنیا را - در مقایسه با 13% سال - 1973 به خود اختصاص داده است و تقریباً نیمی از تولید جهانی حرارت تولید شده در واحدهای CHP و تولید حرارت را در بر میگیرد
از میان فنآوریهای مختلف تولید پراکنده ،DG/CHP ، نظیر موتورهای گازسوز رفت و برگشتی ، توربینهای گازی/ بخاری کوچک ، میکرو توربینها ، توربینهای بادی ، سلولهای خورشیدی ، پیلهای سوختی و ..... مولدهای گازسوز در کشورهای مختلف جهان با اقبال بیشتری روبرو بوده است، بطوریکه :
· در کشور آمریکا، از میان فنآوریهای مختلف تولید همزمان، موتورهای رفت و برگشتی بیشترین تعداد نصب شده را به خود اختصاص دادهاند.
· در شهر اشتونگارت واقع در جنوب کشور آلمان ، حدود %54 از کل CHP نصب شده در ایالت از تکنولوژی موتورهای رفت و برگشتی و حدود %26 از فنآوری توربینهای گازی استفاده میکنند و از نظر تعداد سیستمهای نصب شده نیز حدود %97 از سیستمهای نصب شده از نوع موتورهای رفت و برگشتی است.
· در ترکیه %60 برقی که توسط سیستمهای CHP تولید میشود از مولدهای با سوخت گاز طبیعی استفاده شده است. همچنین، توربینهای گازی بیشترین سهم را در بازار تولید همزمان دارا ست.
