Conceptul de Cogenerare

Noțiuni generale

Conceptul de cogenerare

Instalația de cogenerare (CHP) reprezintă producerea simultană, într-un singur proces, cu aceeași instalație și din aceeași formă de energie primară, a energiei termice și a energiei electrice și/sau mecanice. Schema de principiu a centralei de cogenerare este prezentată în fig. 1.1.

Unde ICG – instalația de cogenerare; ITV – instalația termică de vârf; GE – generator electric; EPICG, EPITV – energie primară (consumabil) pentru ICG, respectiv pentru ITV; QICG, QITV – căldură produsă de ICG și respectiv de ITV.

Instalațiile de producere combinată de electricitate și căldură se numesc instalații de cogenerare (Combinated Heat and Power-CHP).

Conceptul de cogenerare CHP presupune:

• producerea simultană a două sau mai multe tipuri de energie utilizabilă dintr-o singură sursă (proces numit “cogenerare”);

• utilizarea pierderilor de căldură de la echipamentul de generare a energiei electrice.

Sistemele de cogenerare utilizează căldura formată ca produs secundar al generării de energie electrică pentru a realiza o suplimentare a încălzirii. Astăzi, sunt puse în practică diferite aplicații ale acestui concept. Acest lucru, nu numai că este benefic mediului, dar are și implicații asupra economiei.

O astfel de aplicație a cogenerării implică generatoare de energie electrică pentru uz la fața locului, și care utilizează căldura reziduală pentru a satisface cererea de încălzire la fața locului. O altă aplicație tipică utilizează căldura deșeurilor generate pentru a răspunde cererii de răcire. Acest lucru este realizat prin utilizarea unui chiller de absorbție care utilizează energia termică a căldurii reziduale pentru producerea de apă rece.

Aceste aplicații ale cogenerării au mai multe avantaje clare. În primul rând, generarea de energie la fața locului elimină pierderile de energie datorate transportului și distribuției energiei electrice, pierderi care, potrivit Energy Information Administration (EIA), au reprezentat aproximativ 10% din electricitatea generată în anul 1999. În al doilea rând, ea are, de asemenea, un potențial semnificativ pentru că energia electrică generată nu este supusă marjei de profit a companiei de utilități. În cele din urmă, căldura deșeurilor generată poate fi utilizată pentru realizarea cererilor de încălzire și răcire, pentru care ar fi necesare resurse suplimentare de energie. Cu toate acestea, în ambele cazuri menționate anterior, energia electrică produsă este utilizată în mod tradițional pentru a îndeplini și alte sarcini decât cele de încălzire sau răcire. Căldura reziduală este utilizată pentru a îndeplini sarcini de încălzire sau răcire. Acest lucru poate deveni problematic atunci când variațiile cerințelor sarcinii de încălzire sau de răcire nu coincid cu cerințele de sarcină electrică.

Deoarece CHP utilizează căldura care, în mod normal ar fi nefolositoare, eficiența totală a sistemului integrat este mult mai mare decât eficiența sistemelor separate.

Conform definiției, soluția de cogenerare, presupune următoarele elemente specifice:

simultaneitatea producerii celor două forme de energie, din aceeași instalație (același proces) și aceeași sursă de energie primară (combustibil);

interdependența cantitativă și calitativă a celor două forme de energie produse.

Prima condiție impune ca cererea celor două forme de energie produse prin cogenerare să fie simultane în timp, deci este dependentă de caracteristicile de variație în timp (de existența) a consumurilor respective.

A doua condiție este determinată de tehnologia utilizată în cadrul instalației de cogenerare și de concepția tehnică de realizare și dimensionare a acestora.

O caracteristică importantă a sistemelor CHP de cogenerare o reprezintă raportul dintre puterea electrică () și puterea termică a motorului primar (). Raportul acestor puteri este dependent de motorul termic primar și se numește raportul putere-căldură:

Raportul putere-căldură are o importanță deosebită în sistemele de cogenerare întrucât calculul de energie electrică din cogenerare se bazează pe puterea reală a raportului de căldură.

O valoare supraunitară a indicelui de cogenerare indică preponderența energiei electrice produsă de sistemul CHP față de cea termică. Majoritatea tehnologiilor de cogenerare au indice de cogenerare subunitar.

Dependența puterilor electrică și termică ale sistemului CHP de acest indice se poate determina impunând ca indicele de cogenerare să varieze între 0,1 și 4 și presupunând că suma dintre puterea electrică și puterea termică este unitatea de putere :

măsurată cu aceasta unitate, puterea electrică se poate calcula funcție de acest raport cu relația:

iar puterea termică cu relația:

În figura 1.2. este prezentată dependența puterilor în funcție de indicele de cogenerare. Se observă că, practic, pentru indici mari sistemul de cogenerare produce numai energie electrică, iar pentru indici foarte mici, produce numai energie termică.

Indicele de cogenerare are o influență mare și asupra indicatorilor de performanță (PES și eficiența globală) ai sistemului CHP.

1.2. Indicatori de performanță ai sistemelor de cogenerare

Conversia energiei primare în energie utilă este evaluată pe baza factorului de eficiență EFF, definit ca raport procentual dintre energia utilă și energia primară,

unde este energia utilă iar este energia primară.

La rândul lui, factorul de eficiență este dependent de randamentele conversiei energiei în diferite elemente componente ale lanțului de producere, distribuție și utilizare a energiei.

Economisirea energiei înseamnă producerea unei cantități mai mari de bunuri materiale și prestarea unui număr mai mare de servicii, consumând o cantitate mai mică de resurse energetice primare, necesară pentru a obține energia utilă, adică majorând factorul de eficiență EFF.

Creșterea factorului de eficiență a energiei se poate realiza pe două căi:

1. prin reducerea pierderilor de energie, ca urmare a creșterii randamentului de conversie a energiei în fiecare element component al lanțului conversiei energiei primare în energie utilă;

2. prin recuperarea pierderilor de energie din componentele lanțului conversiei energiei primare în energie utilă și transformarea acestor pierderi în energie utilă.

Prima cale se aplică sistemelor de generare separată a electricității și căldurii (sisteme SHP), unde efortul se concentrează pe realizarea de sisteme (tehnologii) performante de conversie a energiei.

Eficiența energetică în sistemul separat de producere a energiilor (SHP)

Pentru comparație, mai întâi se analizează eficiența energetică în cazul producerii separate de caldură și electricitate.

Căldura se poate produce cu ajutorul unui boiler, prin transformarea energiei primare a unui combustibil (energie chimică) în energie termică utilă consumatorului. Boilerele sunt de departe tehnologia cea mai adoptată pe scară largă pentru producția separată de încalzire a spațiului și încălzire a apei menajere.

Eficiența transformării energiei combustibiluilui în căldură () poate fi definită prin legea I a termodinamicii drept producția de energie netă () raportată la combustibilul consumat (), exprimat în kWh.

Eficiența transformării energiei combustibilului în căldură este dependentă de tipul combustibilului utilizat și de performanța camerei de ardere. Dacă boilerul utilizează gaz metan, eficiența standard este de 85%, iar dacă se utilizează biomasă se consideră că eficiența este de 65%, deoarece căldura de condensare nu poate fi recuperată.

Electricitatea se generează prin transformarea multiplă a energiei, și anume: energia primară a unui combustibil (energia chimică) este transformată în energie termică (), care la rândul ei, este transformată în energie mecanică (), pentru că, în final, aceasta să fie transformată în energie electrică (). Eficiența generării energiei electrice () se definește cu relația:

Valoarea acesteia este mult mai redusă (aproximativ 33%) decât valoarea eficieței generării energiei termice.

La generarea energiei cu un sistem SHP, eficiența globală () se definește ca suma netă de putere și energie termică utilă de ieșire, impărțită la suma de combustibil consumat petru producere, și se calculează cu relația:

unde: E – puterea netă de ieșire din sistemul SHP

– energia termică netă utilă din sistemul SHP

– eficiența generării electrice

– eficiența generării termice

1.2.2 Indicatorii sistemului de cogenerare (CHP)

În conformitate cu Directiva 2004/8/EC, eficiența globală reprezintă suma anuală a producției de energie electrică și mecanică și a producției de energie termică utilă, împărțită la cantitatea de combustibil folosit pentru căldura și energia electrică și mecanică, produsă într-un proces de cogenerare.

1. Eficiența globală (). La cogenerarea într-un sistem CHP, eficiența globală () se definește ca suma energiei nete () și a căldurii nete utile de ieșire () împărțit la combustibilul total () consumat, în ceea ce privește conținutul de kWh de enerie termică, și se poate calcula cu relația:

Se observă că, în comparație cu sistemul SHP, la sistemul CHP eficiența energetică este mai mare, ca urmare a recuperării energiei pierdute și transformării acesteia în energie utilă. Spre exemplu, să considerăm cazul prezentat în Fig. 1.4., în care consumatorul are nevoie de 35 de unități de energie electrică și 50 unități de energie termică. În cazul unui sistem SHP, sunt necesare 180 unități de energie primară, în timp ce implementând cogenerarea într-un sistem CHP, sunt necesare doar 100 de unități.

Rezultă că efectul recuperării pierderilor de energie, folosind conceptul de cogenerare, este creșterea eficienței globale. Pentru a evalua acest efect, se folosesc doi indicatori, și anume: eficiența combustibilului utilizat și economia de combustibil în procente.

2. Eficiența combustibilului utilizat (FUE) se definește ca raportul de putere netă a consumului net de combustibil, în cazul în care consumul de combustibil net exclude partea de combustibil utilizat pentru producerea de energie termică utilă. Combustibilul utilizat pentru producerea de energie termică utilă se calculează presupunând că eficiența unui boiler tipic () este 85%. FUE se poate calcula cu relația:

Diferența dintre energia primară în cazul producerii separate și energia primară în cazul producerii combinate reprezintă energia primară corespunzătoare combustibilului economisit.

Energia primară economisită (PES). Sistemul de cogenerare este comparat cu producerea separată de energie și căldură pentru definirea eficienței acestuia. Această comparație este similară cu cea dintre sistemele CHP și SHP. Pentru sistemul SHP, Directiva 2004/8/EC definește indicatorul de energie primară economisită (PES), ce se poate calcula cu relația:

unde:

este randamentul termic al producției prin cogenerare, definit ca producția anuală de energie termică utilă, împărțită la consumul de combustibil utilizat pentru producerea sumei de energie termică utilă și energie electrică din cogenerare;

este valoarea de referință a eficienței pentru producerea separată de energie termică;

este randamentul electric al producției prin cogenerare; este definit ca energia electrică anuală provenită din cogenerare, împărțită la consumul de combustibil utilizat pentru producerea sumei de energie termică utilă și energie electrică din cogenerare;

reprezintă valoarea de referință a eficienței pentru producerea separată de energie electrică.

În cazul în care o unitate de cogenerare generează energie mecanică, energia mecanică anuală din cogenerare poate fi mărită cu un element suplimentar reprezentând cantitatea de energie electrică, care este echivalentă cu cea de energie mecanică.

Pe de altă parte energia primară economisită se poate calcula și cu relația:

unde este consumul de combustibil al centralei de cogenerare, este căldura generată, iar și sunt cele două eficiențe de referință pentru energie electrică și termică, care definesc separat producția de energie electrică.

Eficiența termică de referință este 0,8 pentru cogenerarea civilă și 0.9 pentru alte cazuri. Valorile de referință ale eficienței electrice folosite pentru a calcula indicele de economisire a energiei în Directiva 2004//8//CE este prezentată în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1. Valorile de referință pentru randamentul electric