مروری کوتاه بر فناوری تولید همزمان برق و حرارت CHP :

مقدمه :

 معمولاً برق مورد نیاز واحدهای صنعتی، ساختمان های تجاری و ساختمان های مسکونی از نیروگاه های عمده کشور تأمین می شود. در حالی که نیاز حرارتی تمام 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 بر ق و حرارت است که عبارتست از تولید همزمان برق، یا توان محوری و حرارت مفید توسط یک سیستم.

سال ها پیش این فناوری برای اولین بار در نیروگاههای سیکل بخار  بکار رفته و از بخار استخراج شده از سیکل برای مصارف گرمایشی کارخانه و واحدهای اطراف آن استفاده می شده است. این عمل گرچه کمی باعث کاهش راندمان نیروگاه بوده، اما با تأمین 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 سا ل ها، به ویژه در سال های اخیر، فناوری تولید مشترک برق و حرار ت، که بهره وری بالایی را در مصرف انرژی به دنبال دارد، به سایر مولدهای 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 بصورت یک واحد مشترک طراحی نمو د. 

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. امروزه بدلیل توجه خاصی که به این نوع سیستم ها می شود و نیز اهمیت کاربرد آن در دنیای امروز و  نهادینه کردن فرهنگ استفاده از " سیستم ترکیبی حرارت و برق"، Combined Heat and Power (CHP) استفاده می شود.

دستگاه CHP بیشترین بهره وری در مصرف انرژی سوخت را دار د.  متوسط راندمان یک مولد برق در حدود 35 % و متوسط راندمان یک بویلر 90 % است. در حالیکه یک سیستم CHP با تولید هر دوی این محصولات راندمانی بیش از 85 % دارد. یعنی راندمان الکتریکی آن حدود 35 % و راندمان حرارتی(منظور از راندمان حرارتی عبارتست از انرژی حرارتی تولید شده به انرژی سوخت مصرفی) 50 % است. از طرف دیگر در مقایسه با سیستم های تولید برق و تولید حرارت متشابه رایج که بصورت مجزا هستند،  حدود 35% سوخت کمتری مصرف می کند.

تولید همزمان برق و حرارت یا به اختصار تولید همزمان(CHP[1]) عبارت است از تولید همزمان و توام ترمودینامیکی دو یا چند شکل انرژی از یک منبع ساده اولیه.

معمولاً در مولدهای قدرت امروزی، از سوزاندن سوختهای فسیلی و حرارتی حاصله برای تولید قدرت محوری و سپس تبدیل آن به انرژی الکتریسیته استفاده می شود. متداولترین این سامانه ها نیروگاههای عظیم برق میباشند. در نیروگاههای حرارتی که سهم عمده ای در تأمین نیاز الکتریسیته جوامع مختلف دارند، بطور متوسط تنها یک سوم انرژی سوخت ورودی به انرژی مفید الکتریسیته تبدیل میشود.

در کشور ایران بازده معمول نیروگاههای حرارتی چیزی در حدود 34% است. در این نیروگاهها مقدار زیادی انرژی حرارتی از طرق مختلف مانند کندانسور، دیگ بخار، برج خنک کن، پمپمها و سامانه لوله کشی موجود در تأسیسات و .... به هدر می رود. از این گذشته در شبکه های انتقال برق نیز در کشور ما انرژی الکتریسیته تولیدی تلف میشود که اگر تولید برق در محل مصرف آن انجام شود، عملاً این مقدار اتلاف وجود نخواهد داشت.

استفاده هر چه بیشتر از گرمای آزاد شده در حین فرایند احتراق سوخت باعث افزایش بازده انرژی، کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش هزینه های مربوط به تأمین انرژی اولیه می گردد.

از حرارت اتلافی بازیافت شده از این سامانه ها می توان برای مصارف گرمایشی، سرمایشی و بسیاری از فرآیندهای صنعتی استفاده نمود. تولید همزمان برق و حرارت، می تواند علاوه بر افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت، باعث کاهش انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای شود. در CHP از انرژی حرارتی تولید شده در فرآیند تولید قدرت به عنوان منبع انرژی استفاده می شود. مصرف کنندگانی که به مقدار انرژی حرارتی زیادی در طول روز نیاز دارند مانند صنایع تولیدی، بیمارستانها، ساختمانها و دفاتر بزرگ، خشکشویی ها و غیر از آن ها می توانند برای کاهش هزینه های خود به نحو مطلوبی از CHP بهره ببرند.

 تاریخچه

تولید همزمان در اواخر 1880 در اروپا و امریکا پدید آمد. در اوایل قرن بیستم اغلب کارخانجات صنعتی، برق مورد نیاز خود را با استفاده از دیگهای ذغال سوز و ژنراتورهای توربین بخار تولید می کردند. از طرفی در بسیاری از این کارخانجات، بخار داغ خروجی در فرآیندهای صنعتی بکار گرفته می شد، بطوری که در اوایل 1900 در آمریکا، حدود 58% از کل توان تولید شده در نیروگاهها در محل، به شکل تولید همزمان بوده است.

هنگامی که نیروگاههای برق مرکزی و شبکه های قابل اطمینان برق ساخته شدند، هزینه های تولید و تحویل کاهش یافت و بدین سبب بسیاری از کارخانجات صنعتی از این شبکه ها برق خریداری و تولید برق خود را متوقف کردند.

در نتیجه استفاده از تولید همزمان که 15% از مجموع ظرفیت الکتریسیته تولیدی امریکا در سال 1950 را به خود اختصاص داده بود، در سال 1974 به 5% کاهش یافت. سایر عوامل کاهش استفاده از تولید همزمان  عبارت بودند از: قانونمند شدن تولید برق، سهم اندک هزینه های خرید برق از شبکه در مجموع هزینه های جاری کارخانه ها، پیشرفت فناوریهایی نظیر دیگهای بخار نیروگاهی، در دسترس بودن بودن سوختهای مایع و گازی با پایین ترین قیمت و نبود یا کمبود محدودیت های محیط زیستی.

در سال 1973 پس از افزایش هنگفت قیمت سوخت مکانیکی و متعاقب آن بروز بحران انرژی در اغلب کشورهای جهان، روند مذکور در تولید همزمان روندی معکوس یافت. در اثر کاهش منابع سوخت فسیلی و افزایش قیمتها، این سامانه ها که بازده انرژی بیشتری داشتند، بسیار مورد توجه قرار گرفتند.

تولید  همزمان علاوه  بر کاهش مصرف سوخت، گازهای آلاینده را نیزکاهش می دهد. به همین دلایل، دولت های اروپایی، آمریکا و ژاپن اقداماتی در زمینه افزایش استفاده از تولید همزمان انجام دادند. در سالهای اخیر نیز تولید همزمان نه تنها در صنعت بلکه در سایر بخشها توسعه یافته است. در 25 سال اخیر انجام پروژه های تحقیق و توسعه، به پیشرفتهای مهم فناوری نظیر فناوری پیل سوختی منجر شده است. پیلهای سوختی امروزه به عنوان یکی از سامانه های نو ظهور در CHP به خوبی شناخته شده اند و انتظار می رود در آینده ای نزدیک به تولید تجاری برسند.

فرایند تولید همزمان برق و حرارت

یک سامانه CHP از اجزای مختلفی تشکیل شده است: مولد قدرت اولیه[2] ، مبدلهای حرارتی بازیافت حرارت، ژنراتور، لوله ها و اتصالات  و سایر  تجهیزات  جانبی از  قبیل پمپها، عایق بندی ها و .... . همچنین در سامانه هایی که از حرارت بازیافت شده جهت مصارف سرمایشی بهره برداری می شود، از یک چیلر تراکمی یا جذبی نیز در کنار سایر تجهیزات استفاده می شود. به این سامانه ها که به طور همزمان برق، حرارت و سرما تولید می کنند، اصطلاحاً Trigeneration یا CCHP[3] گفته می شود

مولد قدرت اولیه در سامانه های CHP معمولاً موتورهای احتراقی، توربین گاز، میکروتوربین و پیل سوختی است. کیفیت حرارتی خروجی از هر یک از این فناوریها متفاوت بوده و با توجه به کاربردهای مختلف و نیاز حرارتیشی می توان یکی از این فناوریها را بکار برد. از نظر هزینه نصب و راه اندازی امروزه موتورهای احتراقی، پایین ترین قیمت را دارند و سامانه های پیل سوختی با توجه به آنکه هنوز به مرحله تجاری نرسیده اند، لذا هزینه نصب اولیه آنها بسیار زیاد است.

مزایای CHP

• افزایش بازده انرژی

در سامانه های CHP بازده انرژی به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. در سامانه های متداول امروزی معمولاً از کل انرژی ورودی به سامانه تنها یک پنجم یعنی معادل 20% به انرژی مفید تبدیل می شود. البته بازده ترمودینامیکی نیروگاههای چرخه ترکیبی پیشرفته تا حدود زیادی افزایش یافته و به 40 تا 50% می رسد. با این حال تلفات زیادی در خطوط انتقال نیرو و مصارف داخلی نیروگاهها وجود دارد که تقریباً اجتناب ناپذیر است.

ولی در سامانه های CHP حدود  چهار پنجم انرژی ورودی به انرژی مفید تبدیل می شود. چنانچه از سامانه های نوظهوری مانند پیل سوختی استفاده شود، بازده انرژی تا حد 90% افزایش می یابد. بازده انرژی یکی از مهمترین مزایای CHP در کاربردهای صنعتی آن است.

• کاهش هزینه های تأمین انرژی اولیه برای مصرف کننده

در CHP از آنجایی که انرژی اولیه مصرفی (برق و حرارت) از طریق یک سامانه واحد با ورودی سوخت معین تأمین می گردد، لذا هزینه های تأمین انرژی به طور قابل ملاحظه ای از سامانه های امروزی کمتر است. در سامانه های متداول که برق و حرارت به صورت جداگانه تأمین می شود، مصرف کننده مجبور است برق مورد نیاز خود را از طریق شبکه های محلی خریداری کرده از سوی دیگر برای مصارف گرمایشی خود نیز باید گاز طبیعی یا سایر سوختهای فسیلی را به طور جداگانه خریداری نماید. ولی در سامانه های CHP مصرف کننده از شبکه برق مستقل شده و از سوی دیگر چون از محتوای انرژی سوخت ورودی در حد بالایی استفاده می شود لذا هزینه های مربوطه بسیار کاهش می یابد.

• تأمین انرژی الکتریسیته با کیفیت بسیار بالاتر

در سامانه های CHP  معمولاً از  یک  مبدل در  خروجی  ژنراتور  برای  تبدیل  برق DC  به AC استفاده می شود. خروجی این مبدل بسیار یکنواخت و بدون نوسان ولتاژ یا فرکانس می باشد. از سوی دیگر مولدهای CHP دارای فناوری بسیار پیشرفته تری نسبت به سامانه های متداول هستند و برق را با یکنواختی بیشتری تولید می کنند.

از این گذشته برقی که از شبکه های محلی خریداری می شود دارای نوسان ولتاژ و افت فرکانس بسیار زیادی خصوصاً در نقاط انتهایی شبکه است که این امر می تواند آسیبهای جدی به دستگاهها و تجهیزات برقی وارد آورد.  علاوه بر این مقدار زیادی از انرژی الکتریسیته از طریق خطوط انتقال نیرو به هدر می رود که در سامانه های CHP چون برق در محل مصرف تولید می شود، عملاً این بخش از تلفات، صفر است.

• امکان فروش برق تولید شده اضافی به شبکه

در سامانه های CHP مصرف کنندگان قادر خواهند بود علاوه بر تأمین نیازهای الکتریسیته خود در ساعات اوج مصرف، برق تولیدی اضافی را به شبکه های محلی بفروشند.

مزایای احداث نیروگاه‌های کوچک برای سرمایه‌گذار و بهره‌بردار و یا مصرف‌کننده نهایی

مهمترین مزایای استفاده از این مولدها را می‌توان در موارد زیر عنوان کرد :

• با توجه به استقرار مولدهای تولید پراکنده در محلهای مصرف، تلفات توزیع و انتقال کاهش یافته وهمچنین کیفیت توانی که در اختیار مصرف‌کننده نهایی قرار می‌گیرد در مقایسه با واحدهای بزرگ نیروگاهی بهتر خواهد بود.
• احداث این واحدها نیاز به سرمایه‌گذاری زیاد ندارد لذا توسعه‌ مشارکت بخش خصوصی‌ را فراهم می‌سازد. زمان کوتاه ساخت و احداث واحدها از دیگر مزایای این مجموعه‌ها به شمار می رود.
• از مزایای بارز احداث واحدهای تولید پراکنده می‌توان به فرهنگ‌سازی و ایجاد فضای اشتغال آنها اشاره کرد.
• مالکیت نیروگاهی با قابلیت تولید 15 سال
• سرعت و سهولت در تصمیم‌گیری و اقدام نسبت به خرید، نصب و بهره‌برداری از مولدها
• اصلاح و تعدیل نرخ فروش انرژی متناسب با تغییرات موثر مولفه‌های قیمت تمام شده و مستقل از سیاست‌های حمایتی، اقتصادی و اجتماعی حاکمیت

 بعضی از دامنه های کاربرد کاملاً مؤثر سیستم تولید مشترک عبارتند از :

الف – تولید مشترک در Utility

- سرمایش و گرمایش منطقه ای

ب – تولید مشترک در صنعت

- صنایع غذایی

- صنایع دارو سازی

- صنایع کاغذ و مقوا

- پالایشگاه و پتروشیمی

- تلمبه خانه ها

- صنایع نساجی

- صنایع فولاد

- صنایع سیمان

- صنایع تولید قطعات پیش ساخته بتنی

- صنعت شیشه

- صنعت سرامیک

ج – تولید مشترک در مؤسسات خانگی و تجاری

- شهرکهای صنعتی

- بیمارستان

- دانشگاه

- مجتمع های تفریحی و توریستی

- هتل

همچنین برای تأمین برق و نیاز گرمایشی واحدهای مسکونی مانند آپارتما ن ها ، برج ها و حتی برای واحدهای مسکونی تک خانوار می توان از آن استفاده کرد . بعبارت ساده تر سیستم CHP برای واحدهایی که نیاز توأمان به برق و حرارت داشته باشند مفید است.

انواع فناوریهای تولید پراکنده

فناوریهای قابل قبول در این مبحث عبارتند از :

• Gas Reciprocating Engine
•  Gas Turbine
• Wind Power
• Hydro Power
• Solar Power

از موارد اشاره شده انواع مولدهای پراکنده، مولدهای Gas Engine و Small  Gas Turbine دارای بیشترین اقبال برای استفاده از دیدگاه بازار جهانی است. هر چند که با توجه به وفور منابع گاز در کشور و  آشنایی بیشتر با این نوع فناوری ها و امکان تأمین برخی از قطعات مجموعه‌ها بهره‌برداری از دو نوع فناوری نامبرده دارای بیشترین توجیه می‌باشد. سایر فناوری ‌ها یا تجاری نشده‌اند و یا به دلایلی در حال حاضر در حد مولدهای گازسوز توجیه‌پذیر نیستند. جدول ذیل اطلاعات اولیه سرمایه‌گذاری برای انواع فناوری ها را به استناد طرحهای اجرا شده ارایه می‌نماید:

جدول 1- اطلاعات اولیه سرمایه گذاری برای انواع فناوری های مولدهای مقیاس کوچک

   آمار ارائه شده برای سرمایه‌گذاری تنها برای سفارش خرید مولد و بدون لحاظ شدن هزینه‌های انتقال و نصب می‌باشد .بعلاوه برای سرمایه‌گذاری، حتماً باید اطلاعات زیر را از فروشندگان واحد دریافت نمود :

• قابلیت اطمینان دستگاه
• قابلیت دسترسی
• میزان خروجی در شرایط سایت
• میزان تغییرات خروجی و راندمان دستگاه در هر سال بهره‌برداری تا دوره تعمیرات اساسی
• شرایط و هزینه‌های تعمیرات اساسی
• میزان سازگاری با شرایط گاز (با ارایه فرمول گاز مصرفی به سازنده)

 با بررسی این موضوعات می‌توان پی برد کدام طرحها برای اجرا دارای توجیه‌پذیری می‌باشند. محاسبات اولیه نشان می‌دهد استفاده از این دو نوع فناوری دارای بیشترین توجیه در قیاس با سایر فناوری ‌های پراکنده درکشور است.

به منظور ایجاد زمینه‌های لازم برای استفاده از تخصص متخصصان و سرمایه‌گذارانی که قادر به احداث نیروگاه برق در ظرفیت های تولید کمتر هستند و با عنایت به حجم پایین سرمایه‌گذاری برای احداث واحدهای تولید پراکنده، قوانین و راهکارهای لازم برای استفاده از این ظرفیتها تدوین شده است.

بعلاوه با عنایت به افزایش میزان تقاضا برای مصرف در کشور و همچنین عدم امکان توسعه‌ی شبکه در برخی نقاط شبکه، بکارگیری واحدهای قابل دسترسی سریع جهت رفع مشکل مناسب است. استفاده از این مولدها در انتهای شبکه منجر به کاهش تلفات از طریق ایجاد تغییر در ولتاژ انتهای خط است.

از طرفی مولدهای موتور گازسوز از قابلیت کار با فشار گاز کم برخوردارند و در نقاط مختلف شبکه قابل نصب می‌باشند که از این نظر نیازی به توسعه شبکه گازرسانی برای تأمین گاز این واحد‌ها نمی‌باشد. مصرف‌کنندگان برق این مولدها از مزایای تأمین برق مطمئن و با کیفیت مطلوب حتی در شرایط قطع شبکه برخوردار می‌باشند.

 شرایط نصب و بکارگیری مولدهای مقیاس کوچک در شبکه

با توجه به امکان اتصال مولدهای مقیاس کوچک به شبکه، در اتصال این مولدها به شبکه توزیع لازم است استانداردهای فنی وضع شده کاملاً رعایت شوند. سنجش و پایش عملکرد این مولدها از لحاظ آلاینده‌های محیط زیستی (به  ویژه  آلودگی صوتی  و انتشار گازها) با  توجه  به  استاندارد های تدوین شده به انجام می رسد.

 خطرپذیریهای سرمایه‌گذاری برای احداث مولدهای مقیاس کوچک 

با توجه به اینکه این مولدها نوعاً کوچکند، لذا خطرپذیریهای ‌سرمایه‌گذاری آنها اندک است. با این وجود با توجه به تجارب سایر کشورها و برخی از پروژه‌های بهره‌برداری شده مهمترین خطرپذیریها عبارت است از:

• انتخاب نادرست مولدها از لحاظ کیفی (عدم تطابق با شرایط محل نصب، عدم انطباق شرایط عملی با مشخصه‌های فنی اولیه، عدم سازگاری با مشخصه‌ها و ترکیبات سوخت)
• لحاظ نکردن هزینه‌های بالاسری برای احداث
• ورشکستگی و یا تغییرات سازمانی سازنده اصلی کالا
• عدم بکارگیری گروه کارشناسی مجرب و متناسب با فعالیتهای اجرایی و طولانی شدن فرآیند‌های خرید و احداث

 -------------------------------------------------------------------------------------------

[1] Combined Heat And Power

[2] Primary mover

[3] Combined Cooling Heating Power