“Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων” 10ο Εξάμηνο – Κωδικός Μαθήματος 245 Δρ Γεώργιος Σκόδρας Επίκουρος Καθηγητής.

Παρουσίαση με θέμα: "“Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων” 10ο Εξάμηνο – Κωδικός Μαθήματος 245 Δρ Γεώργιος Σκόδρας Επίκουρος Καθηγητής."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 “Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων” 10ο Εξάμηνο – Κωδικός Μαθήματος 245 Δρ Γεώργιος Σκόδρας Επίκουρος Καθηγητής Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Συμπαραγωγή Θερμότητας & Έργου

2 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συμπαραγωγή θερμότητας & έργου  Ανάλυση απωλειών εξέργειας σε συστήματα παραγωγής θερμότητας με καύση  Οικονομία από τη συμπαραγωγή θερμότητας και μηχανικού έργου  Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής Συστήματα ατμοστροβίλου Συστήματα αεριοστροβίλου Συστήματα με Παλινδρομική Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Συστήματα συνδυασμένου κύκλου Κύκλοι βάσης Rankine με οργανικά ρευστά Τυποποιημένες μονάδες συμπαραγωγής («πακέτα») Κυψέλλες καυσίμου (fuel cells)

3 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΕΡΓΟΥ  Ενεργειακή συμπεριφορά συστημάτων συμπαραγωγής Δείκτες ενεργειακής συμπεριφοράς Τρόποι λειτουργίας συστημάτων συμπαραγωγής Σύστημα ελέγχου και σύστημα σύνδεσης και παραλληλισμού  Περιβαλλοντικές επιπτώσεις της συμπαραγωγής  Παραδείγματα υπολογισμών συστημάτων συμπαραγωγής

4 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Οι βασικές αιτίες απώλειας εξέργειας ενός συστήματος παραγωγής θερμότητας με καύση είναι η  Η αναντιστρεπτότητα του φαινομένου της καύσεως και  Η αναντιστρεπτότητα της μεταδόσεως θερμότητας λόγω της αναγκαίας διαφοράς θερμοκρασίας. Στις αιτίες αυτές οφείλεται το μεγαλύτερο μέρος των απωλειών. Ανάλυση απωλειών εξέργειας σε συστήματα παραγωγής θερμότητας με καύση

5 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Απώλειες εξέργειας κατά την καύση και τη μετάδοση θερμότητας σε ένα ατμολέβητα Ανάλυση απωλειών εξέργειας σε συστήματα παραγωγής θερμότητας με καύση

6 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Λόγω της αναντιστρεπτότητας της καύσεως ένα μέρος μόνο από την εξέργεια του καυσίμου (σημείο Α) μεταβιβάζεται στα καυσαέρια (σημείο Γ). Το ποσοστό αυτό είναι τόσο μεγαλύτερο όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της φλόγας. Και επειδή η θερμοκρασία της φλόγας αυξάνεται όσο μικρότερη είναι η περίσσεια του αέρα καύσεως, το μέγιστο δυνατό ποσοστό εξέργειας, μεταβιβάζεται στα καυσαέρια όταν η καύση γίνεται με το στοιχειομετρικά απαιτούμενο καθαρό οξυγόνο, ή για πρακτικές εφαρμογές με το στοιχειομετρικό αέρα. Στην περίπτωση αυτή η απώλεια είναι της τάξεως του 20-30%. Η απώλεια αυτή, που οφείλεται στην αναντιστρεπτότητα της καύσεως, δεν είναι δυνατό να μειωθεί. Βεβαίως αν χρησιμοποιούσαμε έναν άλλο τρόπο αξιοποιήσεως της χημικής ενέργειας του καυσίμου (και όχι την καύση), όπως π.χ. την απ' ευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το καύσιμο σε μια Κυψέλη Καυσίμου θα ήταν δυνατό να αξιοποιήσουμε μεγαλύτερο μέρος από την εξέργεια του καυσίμου. Ανάλυση απωλειών εξέργειας σε συστήματα παραγωγής θερμότητας με καύση

7 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Από την εξέργεια που παραλαμβάνουν τα προϊόντα της καύσεως (σημείο Γ), ένα μέρος μόνο μεταβιβάζεται στο θερμαινόμενο μέσο. Η εξέργεια αυτή είναι τόσο περισσότερη όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του θερμαινόμενου μέσου. Η καμπύλη ΒΓΔ (στο σχήμα) δίνει την εξέργεια των προϊόντων της καύσεως ή την εξέργεια του θερμαινόμενου μέσου, για κάθε θερμοκρασία Τ. Παρατηρούμε ότι η εξέργεια του συστήματος μειώνεται λόγω της μεταβιβάσεως θερμότητας σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Από την καμπύλη ΒΓΔ της εξέργειας του συστήματος, είναι προφανές ότι οι απώλειες εξέργειας αυξάνουν πολύ γρήγορα όταν η θερμοκρασία του θερμαινόμενου μέσου είναι μικρότερη από 1000°C περίπου. Ανάλυση απωλειών εξέργειας σε συστήματα παραγωγής θερμότητας με καύση

8 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συμπαραγωγή είναι η συνδυασμένη παραγωγή ηλεκτρικής (ή μηχανικής) και θερμικής ενέργειας από την ίδια αρχική πηγή ενέργειας. Η θερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για θέρμανση όσο και για ψύξη ή κλιματισμό. Η ψύξη και ο κλιματισμός επιτυγχάνονται με μηχανές απορρόφησης, που λειτουργούν με ατμό ή θερμό νερό. Κατά τη λειτουργία ενός συμβατικού θερμοηλεκτρικού σταθμού, μεγάλα ποσά θερμότητας αποβάλλονται στο περιβάλλον είτε μέσω των ψυκτικών κυκλωμάτων (συμπυκνωτών ατμού, πύργων ψύξης, ψυγείων νερού κινητήρων Diesel, κλπ) είτε μέσω των καυσαερίων (αεριοστροβίλων, κινητήρων Diesel, κινητήρων Otto, κλπ). Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της θερμότητας μπορεί να ανακτηθεί και να χρησιμοποιηθεί ωφέλιμα. Έτσι, ενώ οι συμβατικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής έχουν βαθμό απόδοσης 30-45%, ο βαθμός απόδοσης των συστημάτων συμπαραγωγής φθάνει το 80 - 85%. Οικονομία από τη συμπαραγωγή θερμότητας και μηχανικού έργου

9 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Στη χημική βιομηχανία, όπου υπάρχει ανάγκη θερμότητας σε χαμηλές σχετικά θερμοκρασίες, η απ' ευθείας θέρμανση με καύση όπως και η παραγωγή χαμηλής πιέσεως ατμού είναι ενεργειακά ασύμφορες, λόγω της πολύ μεγάλης απώλειας εξέργειας κατά την παραγωγή και μεταφορά της θερμότητας. Σημαντική εξοικονόμηση καυσίμου μπορεί να επιτευχθεί με την παραγωγή υψηλής πιέσεως ατμού (άρα με μικρότερες απώλειες εξέργειας), χρησιμοποίηση του ατμού αυτού για την παραγωγή έργου σ' έναν ατμοστρόβιλο και διοχέτευση του ατμού χαμηλής πιέσεως από την έξοδο του ατμοστρόβιλου στο χημικό εργοστάσιο για θέρμανση. Στη συμπαραγωγή αυτή έργου και θερμότητας (Cogeneration) το κατά χιλιόγραμμο καυσίμου παραγόμενο άθροισμα μηχανικής ενέργειας και θερμότητας είναι σημαντικά μεγαλύτερο από ότι αν η παραγωγή έργου και θερμότητας γινόταν σε χωριστά συστήματα. Οικονομία από τη συμπαραγωγή θερμότητας και μηχανικού έργου

10 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Σε έναν ατμολέβητα θερμ. βαθμού απόδοσης 0,8 γίνεται παραγωγή χαμηλής πίεσης ατμού για θέρμανση. Η κατανάλωση είναι 1750 kg/h μαζούτ για παραγωγή 24 τόνων/h ατμού. Σε ένα θερμοηλεκτρικό εργοστάσιο παράγεται ισχύς 4000 kW με κατανάλωση 1000 kg/h μαζούτ. Η απόδοση αυτή είναι τυπική για ένα σύγχρονο θερμοηλεκτρικό εργοστάσιο. Σύγχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Οικονομία από τη συμπαραγωγή θερμότητας και μηχανικού έργου

11 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Οικονομία από τη συμπαραγωγή θερμότητας και μηχανικού έργου (Στο τρίτο Σχήμα - Σχόλια) Παράγεται πρώτα υψηλής πιέσεως ατμός, ο οποίος εκτονώνεται σε ένα ατμοστρόβιλο για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο ατμός στην έξοδο του στροβίλου έχει πίεση υψηλότερη από την ατμοσφαιρική (back pressure turbine) δηλαδή δεν έχει απόλυτα εξαντληθεί η ικανότητα του παραγωγής έργου. Ο ατμός αυτός στη συνέχεια χρησιμοποιείται για θέρμανση. Για την ίδια παραγωγή, δηλαδή 4000 kW και 24 ton/h ατμού κορεσμένου 5 atm η κατανάλωση είναι 2250 kg/h μαζούτ έναντι 2750 kg/h που απαιτούνται αθροιστικά από τις δύο προηγούμενες διατάξεις. Η οικονομία καυσίμου είναι περίπου 18%. Συγκρίνοντας την τελευταία διάταξη (Γ) με την πρώτη (Α) βλέπουμε ότι με αύξηση της καταναλώσεως καυσίμου κατά 500 kg/h παράγουμε εκτός από τον ατμό και 4000 kW ηλεκτρική ισχύ. Η απόδοση αυτή είναι διπλάσια από ότι σ' ένα σύγχρονο θερμοηλεκτρικό εργοστάσιο.

12 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ιστορική αναδρομή των συστημάτων συμπαραγωγής Η συμπαραγωγή πρωτοεμφανίσθηκε στην Ευρώπη και στις Η.Π.Α. γύρω στα 1890. Κατά τις πρώτες δεκαετίες του 20ου αιώνα, οι περισσότερες βιομηχανίες είχαν δικές τους μονάδες ηλεκτροπαραγωγής με ατμολέβητα-στρόβιλο που λειτουργούσαν με άνθρακα. Πολλές από τις μονάδες αυτές ήταν συμπαραγωγικές. Αναφέρεται χαρακτηριστικά ότι περίπου το 58% του ηλεκτρισμού, που παραγόταν σε βιομηχανίες των Η.Π.Α. στις αρχές του αιώνα, προερχόταν από μονάδες συμπαραγωγής. Κατόπιν ακολούθησε κάμψη κυρίως για δυο λόγους:  ανάπτυξη των δικτύων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρισμού, που προσέφεραν σχετικά φθηνή και αξιόπιστη ηλεκτρική ενέργεια, και  διαθεσιμότητα υγρών καυσίμων και φυσικού αερίου σε χαμηλές τιμές, που έκανε τη λειτουργία λεβήτων οικονομικά συμφέρουσα. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

13 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ιστορική αναδρομή των συστημάτων συμπαραγωγής Συνεχίζοντας με το παράδειγμα των Η.Π.Α., η βιομηχανική συμπαραγωγή μειώθηκε στο 15% του όλου δυναμικού ηλεκτροπαραγωγής μέχρι το 1950 και έπεσε στο 5% μέχρι το 1974. Η πορεία αυτή έχει πλέον αντιστραφεί όχι μόνον στις Η.Π.Α. αλλά και σε χώρες της Ευρώπης, στην Ιαπωνία κ.ά., γεγονός το οποίο οφείλεται κυρίως στην απότομη αύξηση των τιμών των καυσίμων από το 1973 και μετά. Η ανοδική πορεία στη διάδοση της συμπαραγωγής συνοδεύτηκε και από αξιοσημείωτη πρόοδο της σχετικής τεχνολογίας. Οι βελτιώσεις και εξελίξεις συνεχίζονται και νέες τεχνικές αναπτύσσονται και δοκιμάζονται, αλλά ήδη η συμπαραγωγή έχει φθάσει σε επίπεδο ωριμότητας με αποδεδειγμένη αποδοτικότητα και αξιοπιστία. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

14 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Τα συστήματα συμπαραγωγής μπορούν να χαρακτηρισθούν είτε ως συστήματα «κορυφής» (Toping Systems) είτε ως συστήματα «βάσης» (Bottoming Systems). Στα συστήματα κορυφής, ρευστό υψηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισμού, ενώ η αποβαλλόμενη θερμότητα χαμηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιείται σε θερμικές διεργασίες, θέρμανση χώρων ή ακόμη και για παραγωγή πρόσθετης ηλεκτρικής ενέργειας. Στα συστήματα βάσης, παράγεται πρώτα θερμική ενέργεια υψηλής θερμοκρασίας (π.χ. σε φούρνους χαλυβουργείων, υαλουργείων, εργοστασίων τσιμέντου, κλπ) και κατόπιν τα θερμά αέρια διοχετεύονται συνήθως σε λέβητα ανακομιδής θερμότητας, όπου παράγεται ατμός που κινεί ατμοστροβιλογεννήτρια. Είναι επίσης, δυνατό τα θερμά αέρια να διοχετευθούν σε αεριοστρόβιλο, που κινεί την ηλεκτρογεννήτρια, χωρίς την παρεμβολή λέβητα. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

15 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα Ατμοστροβίλου Είναι τα πιο διαδεδομένα συστήματα συμπαραγωγής, κατάλληλα για ισχείς 500 kW -100 MW ή και μεγαλύτερες. Μπορούν να χρησιμοποιήσουν οποιοδήποτε καύσιμο. Ακόμη και στερεά απόβλητα καίγονται σε ειδικούς λέβητες εφοδιασμένους με συστήματα κατακράτησης ή και εξουδετέρωσης ρύπων και τοξικών ουσιών, που δημιουργούνται κατά την καύση. Ο βαθμός απόδοσης φθάνει το 60 - 85% (να σημειωθεί ότι ο βαθμός απόδοσης ενός συμβατικού ατμοηλεκτρικού σταθμού είναι γύρω στο 35%). Τα συστήματα ατμοστροβίλου έχουν υψηλή αξιοπιστία, που φθάνει το 95%, υψηλή διαθεσιμότητα και μεγάλη διάρκεια ζωής (25-35 έτη). Ο χρόνος εγκατάστασης είναι σχετικά μεγάλος: 12-18 μήνες για μικρές μονάδες και μέχρι τρία έτη για μεγαλύτερα συστήματα. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

16 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Οι τρεις βασικές διατάξεις συστημάτων συμπαραγωγής με ατμοστρόβιλο είναι:  Με ατμοστρόβιλο αντίθλιψης  Με ατμοστρόβιλο απομάστευσης  Με ατμοστρόβιλο με κύκλο βάσης ατμού Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

17 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα συμπαραγωγής με ατμοστρόβιλο αντίθλιψης Ατμός υψηλής πίεσης (20-100 bar) και θερμοκρασίας (480-540°C) παράγεται σε λέβητα με κατανάλωση καυσίμου και χρησιμοποιείται για την κίνηση ατμοστροβίλου, στον άξονα του οποίου είναι συνδεδεμένη ηλεκτρογεννήτρια. Ο ατμός βγαίνει από τον στρόβιλο σε πίεση και θερμοκρασία κατάλληλη για τις θερμικές διεργασίες. Ο όρος "αντίθλιψη" οφείλεται στο ότι η πίεση αυτή είναι μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής (3- 20 bar). Απομάστευση (δηλ. εξαγωγή) μέρους του ατμού από ενδιάμεσες βαθμίδες του στροβίλου στις επιθυμητές πιέσεις είναι επίσης δυνατή. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

18 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα συμπαραγωγής με ατμοστρόβιλο απομάστευσης Μέρος του ατμού απομαστεύεται από μία ή περισσότερες ενδιάμεσες βαθμίδες του στροβίλου στις επιθυμητές πιέσεις, ενώ ο υπόλοιπος αποτονώνεται μέχρι την πίεση του συμπυκνωτή (λέγεται και ψυγείο ατμού) που είναι 0,05-0,10bar. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

19 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Σε σύγκριση με το σύστημα απομάστευσης, το σύστημα αντίθλιψης έχει τα εξής πλεονεκτήματα: απλή μορφή, μικρότερο κόστος, μειωμένη ή και καθόλου ανάγκη ψυκτικού νερού, υψηλότερο βαθμό απόδοσης (περίπου 85% έναντι 80% για τα συστήματα απομάστευσης), κυρίως διότι δεν αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον μέσω ψυγείου. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

20 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Σημαντικό μειονέκτημα του συστήματος αντίθλιψης είναι ότι η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι στενά συνδεδεμένη με την απαιτούμενη θερμότητα. Έτσι,  είναι αδύνατη η ανεξάρτητη λειτουργία του ατμοηλεκτρικού σταθμού από το δίκτυο θέρμανσης, και  είναι αναγκαία η αμφίδρομη σύνδεση με το εθνικό δίκτυο ηλεκτρισμού για την κάλυψη πρόσθετων αναγκών ή για τη διοχέτευση της πιθανής περίσσειας ηλεκτρικής ενέργειας. Αντίθετα, τα συστήματα απομάστευσης έχουν τη δυνατότητα ανεξάρτητης (μέσα σε ορισμένα όρια) ρύθμισης της ηλεκτρικής και θερμικής ισχύος. Αυτό επιτυγχάνεται με ρύθμιση της ολικής παροχής ατμού και επομένως της παροχής ατμού προς τον συμπυκνωτή. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

21 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα συμπαραγωγής με ατμοστρόβιλο με κύκλο βάσης ατμού Αρκετές βιομηχανίες (π.χ. χαλυβουργεία, υαλουργεία, κεραμουργεία, εργοστάσια τσιμέντου, εργοστάσια αλουμινίου, διυλιστήρια πετρελαίου, κλπ) έχουν αέρια απόβλητα υψηλής θερμοκρασίας. Μετά τη θερμική διεργασία, τα αέρια αυτά μπορούν να περάσουν μέσα από λέβητα ανακομιδής θερμότητας, όπου παράγεται ατμός που κινεί μια ατμοστροβιλογεννήτρια. Έτσι, η μονάδα παραγωγής θερμότητας μετατρέπεται σε σύστημα συμπαραγωγής με κύκλο βάσης ατμού. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

22 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αεριοστροβίλου Υπάρχουν δυο βασικές διατάξεις συστημάτων συμπαραγωγής με αεριοστρόβιλο :  Ανοικτού κύκλου (η πλειοψηφία των μονάδων αεριοστροβίλου)  Κλειστού κύκλου Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

23 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αεριοστροβίλου ανοικτού κύκλου Αέρας αναρροφάται από την ατμόσφαιρα, συμπιέζεται και οδηγείται στον θάλαμο καύσης. Τα καυσαέρια αποτονώνονται στον αεριοστρόβιλο (που κινεί τη γεννήτρια), από τον οποίο βγαίνουν με θερμοκρασία 300-600 °C. Η σημαντική ισχύς που απαιτείται για την κίνηση του συμπιεστή και η υψηλή θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων είναι οι κυρίες αιτίες του μικρού βαθμού απόδοσης ενός τέτοιου συστήματος ηλεκτροπαραγωγής (25-35% και σε σύγχρονες προηγμένες μονάδες 40%). Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

24 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αεριοστροβίλου ανοικτού κύκλου Η υψηλή θερμοκρασία των καυσαερίων κάνει τις μονάδες αυτές ιδανικές για συμπαραγωγή και αυξάνει τον βαθμό απόδοσης στο 60-80 %. Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι εκμετάλλευσης της θερμότητας των καυσαερίων:  Άμεση χρήση σε θερμικές διεργασίες (θέρμανση, ξήρανση, κλπ).  Διοχέτευση των καυσαερίων σε λέβητα ανακομιδής θερμότητας (λέγεται και λέβητας καυσαερίων) όπου παράγεται ατμός υψηλών χαρακτηριστικών, που είναι κατάλληλος όχι μόνον για θερμικές διεργασίες αλλά και για την κίνηση ατμοστροβίλου (συνδεδεμένου με γεννήτρια ή άλλο μηχάνημα). Και στους δυο τρόπους, είναι δυνατή η αύξηση του θερμικού περιεχομένου (δηλ. της θερμοκρασίας) των καυσαερίων, και επομένως της αποδιδόμενης θερμότητας, όταν απαιτείται. Αυτό επιτυγχάνεται χάρη στην υψηλή περιεκτικότητα οξυγόνου των καυσαερίων. Καυστήρες τοποθετημένοι μετά τον αεριοστρόβιλο χρησιμοποιούν τα καυσαέρια για την καύση πρόσθετου καυσίμου. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

25 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αεριοστροβίλου ανοικτού κύκλου Τα συστήματα συμπαραγωγής με αεριοστρόβιλο ανοικτού κύκλου έχουν ισχύ 100 kW - 100 MW. Λειτουργούν συνήθως με φυσικό αέριο η ελαφρά αποστάγματα πετρελαίου (π.χ. diesel), ενώ ευοίωνες παρουσιάζονται οι προοπτικές για χρήση γαιανθράκων σε εξαεριωμένη μορφή. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν καύσιμα αέρια, που παράγονται, π.χ., κατά την καταλυτική σχάση υδρογονανθράκων σε διϋλιστήρια πετρελαίου. Γενικά, πάντως, χρειάζεται προσοχή: επειδή τα πτερύγια του αεριοστροβίλου είναι εκτεθειμένα στα προϊόντα της καύσης, τα προϊόντα αυτά πρέπει να μην έχουν συστατικά που προκαλούν διάβρωση (νάτριο, κάλιο, ασβέστιο, θείο, κλπ) και τα στερεά σωματίδια πρέπει να είναι αρκετά μικρού μεγέθους ώστε να μην προκαλούν φθορά κατά την πρόσκρουση τους στα πτερύγια. Εάν το καυσαέριο περιέχει τέτοια συστατικά, πρέπει να καθαρισθεί με ειδικές διατάξεις, πριν οδηγηθεί στον αεριοστρόβιλο. Είναι επίσης ενδεχόμενο, το καύσιμο να χρειασθεί καθαρισμό, πριν από την εισαγωγή του στον θάλαμο καύσης. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

26 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αεριοστροβίλου ανοικτού κύκλου Ο χρόνος εγκατάστασης των συστημάτων συμπαραγωγής αεριοστροβίλων είναι 9-14 μήνες για ισχύ μέχρι 7 MW και φθάνει τα δυο έτη για μεγαλύτερες μονάδες. Η αξιοπιστία και η μέση ετήσια διαθεσιμότητα συστημάτων αεριοστροβίλου, που χρησιμοποιούν φυσικό αέριο, είναι συγκρίσιμες με εκείνες των συστημάτων ατμοστροβίλου. Οι μονάδες που λειτουργούν με υγρό καύσιμο απαιτούν πιο συχνές συντηρήσεις, με συνέπεια τη χαμηλότερη διαθεσιμότητα. Η χρήσιμη διάρκεια ζωής είναι 15-20 έτη και μπορεί να μειωθεί σημαντικά από καύσιμο κακής ποιότητας ή ανεπαρκή συντήρηση. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

27 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αεριοστροβίλου κλειστού κύκλου Το εργαζόμενο ρευστό (συνήθως ήλιο ή αέρας) κυκλοφορεί σε κλειστό κύκλωμα. Θερμαίνεται μέχρι την κατάλληλη θερμοκρασία σε εναλλάκτη θερμότητας, πριν από την είσοδο στον αεριοστρόβιλο, και ψύχεται μετά την έξοδο του από αυτόν. Καθώς το ρευστό δεν συμμετέχει στην καύση, διατηρείται καθαρό και έτσι αποφεύγεται η μηχανική και χημική διάβρωση του αεριοστροβίλου από τα προϊόντα της καύσης. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

28 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα αεριοστροβίλου κλειστού κύκλου Η εξωτερική καύση επιτρέπει τη χρήση οποιουδήποτε καυσίμου στα συστήματα αυτά: άνθρακας, απόβλητα βιομηχανιών ή αστικά απόβλητα, βιομάζα, υγρά ή αέρια καύσιμα παραγόμενα από βιομάζα, κλπ. Πυρηνική ή ηλιακή ενεργεία μπορούν επίσης να αποτελέσουν την πηγή θερμότητας. Στην Ευρώπη και Ιαπωνία λειτουργούν συστήματα αυτού του τύπου με ισχείς 2- 50 ΜW, ο αριθμός τους όμως είναι περιορισμένος. Μετά την απόκτηση αρκετής εμπειρίας, η αξιοπιστία των συστημάτων κλειστού κύκλου προβλέπεται ότι θα είναι τουλάχιστον ίση με εκείνη των συστημάτων ανοικτού κύκλου, ενώ η διαθεσιμότητα θα είναι υψηλότερη χάρη στις μικρότερες απαιτήσεις συντήρησης, που οφείλονται στην καθαρότητα του εργαζόμενου ρευστού. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

29 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα με Παλινδρομική Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες :  Μονάδες μικρής κλίμακας με αεριομηχανή (15 – 1000 kW) ή κινητήρα Diesel (75 – 1000 kW)  Συστήματα μέσης ισχύος (1 – 6 MW) με αεριομηχανή ή κινητήρα Diesel  Συστήματα μεγάλης ισχύος (άνω των 6 MW) με κινητήρα Diesel Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

30 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα με Παλινδρομική Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Αεριομηχανές (gas engines) ονομάζονται οι παλινδρομικές μηχανές εσωτερικής καύσης που λειτουργούν με αέριο καύσιμο (φυσικό αέριο, βιοαέριο κλπ). Διακρίνονται οι εξής τύποι:  Βενζινοκινητήρες αυτοκίνητων που έχουν μετατραπεί σε αεριομηχανές. Είναι συνήθως μικρές μηχανές (15-30 kW), ελαφρές, με μεγάλη συγκέντρωση ισχύος. Χάρη στη μαζική παραγωγή οι τιμές τους είναι χαμηλές αλλά η διάρκεια ζωής τους είναι σχετικά μικρή. Η μετατροπή πολύ λίγο επηρεάζει τον βαθμό απόδοσης, ενώ μειώνει την ισχύ κατά 18% περίπου.  Κινητήρες diesel αυτοκινήτων που έχουν μετατραπεί σε αεριομηχανές. Έχουν ισχύ μέχρι 200 kW. Η μετατροπή συνήθως δεν προκαλεί μείωση της ισχύος, καθώς υπάρχει περιθώριο μείωσης της περίσσειας αέρα. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

31 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα με Παλινδρομική Μηχανή Εσωτερικής Καύσης  Σταθερές μηχανές που έχουν μετατραπεί σε αεριομηχανές ή που έχουν από την αρχή σχεδιασθεί ως αεριομηχανές. Οι μηχανές αυτές είναι βαριές και στιβαρές. Κατασκευάζονται για εφαρμογές στη βιομηχανία. Η ισχύς τους φθάνει τα 3 MW. Η ανθεκτική κατασκευή τους μειώνει τις απαιτήσεις συντηρήσεων αλλά αυξάνει το κόστος αγοράς τους. Είναι μηχανές κατάλληλες για συνεχή λειτουργία σε υψηλό φορτίο.  Σταθερές μηχανές διπλού καυσίμου. Είναι κινητήρες diesel ισχύος μέχρι 6 MW. Το καύσιμο αποτελείται κατά 90% από φυσικό αέριο, η έναυση του οποίου γίνεται όχι με σπινθιριστή αλλά με έγχυση υγρού καυσίμου diesel, (που αποτελεί το υπόλοιπο 10% της προσφερόμενης ενέργειας). Tο πλεονέκτημα ότι μπορούν να λειτουργούν είτε με φυσικό αέριο είτε με diesel, το οποίο βέβαια αυξάνει το κόστος αγοράς και συντήρησης. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

32 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Οι κινητήρες diesel διακρίνονται σε ταχύστροφους, μεσόστροφους και βραδύστροφους. Συστήματα με Παλινδρομική Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι 300-400 °C, δηλ. αισθητά χαμηλότερη από εκείνη του αεριοστροβίλου, γι' αυτό και κάνει πιο συχνή την ανάγκη για συμπληρωματική θερμότητα. Αυτή αποκτάται  με τοποθέτηση καυστήρα και προσαγωγή αέρα για καύση συμπληρωματικού καυσίμου στον λέβητα καυσαερίων (ή στον κλίβανο της θερμικής διεργασίας), ή  με εγκατάσταση βοηθητικού λέβητα. Οι μεγάλοι κινητήρες προσφέρουν τη δυνατότητα συνδυασμένου κύκλου. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

33 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συστήματα με Παλινδρομική Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

34 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Επεξήγηση Γενικού Διαγράμματος ροής ενός τέτοιου συστήματος (δεν αποτελεί τη μόνη λύση) Ο κινητήρας κινεί τη γεννήτρια. Τέσσερεις ενναλάκτες ανακτούν θερμότητα από ρευστά που έχουν σχέση με τη λειτουργία της μηχανής: ψυγείο λαδιού, ψυγείο νερού (του κλειστού κυκλώματος του κινητήρα), ψυγείο αέρα υπερπλήρωσης και εναλλάκτης ανακομιδής θερμότητας από τα καυσαέρια του κινητήρα (ή λέβητας καυσαερίων). Με τη θερμότητα αυτή θερμαίνεται το νερό που προορίζεται για διάφορες χρήσεις. Σε συστήματα μέσης και μεγάλης ισχύος, η θερμότητα επαρκεί και για την παραγωγή ατμού. Οι μικροί κινητήρες δεν έχουν ψυγείο λαδιού. Εξάλλου, όταν ο κινητήρας δεν είναι εφοδιασμένος με στροβιλοπληρωτή (σε μονάδες προς το κάτω όριο της περιοχής ισχύος), δεν υπάρχει ψυγείο αέρα υπερπλήρωσης. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

35 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Επεξήγηση σχήματος Η συγκέντρωση ισχύος του κινητήρα αυξάνει με υπερπλήρωση του θαλάμου καύσης. Ο στροβιλοπληρωτής (λέγεται και ζεύγος υπερπλήρωσης) αποτελείται από αεριοστρόβιλο, που κινείται με τα καυσαέρια του κινητήρα και κινεί φυγοκεντρικό αεροσυμπιεστή. Εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας εξόδου από τον στροβιλοπληρωτη (120 - 140 °C), ο αέρας έχει χαμηλή πυκνότητα. Για να αυξηθεί ο βαθμός πληρότητας των κυλίνδρων, ο αέρας ψύχεται σε ειδικό ψυγείο (ψυγείο αέρα υπερπλήρωσης – ΨΑ) προσφέροντας θερμότητα στο νερό χρήσης. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

36 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Διακρίνονται δύο περιπτώσεις από πλευράς θερμοκρασίας εξόδου του αέρα από το ψυγείο:  χαμηλή θερμοκρασία (περίπου 45 °C), ή  υψηλή θερμοκρασία (περίπου 90 °C). Η χαμηλή θερμοκρασία συντελεί σε υψηλότερο βαθμό πληρότητας και επομένως υψηλότερη συγκέντρωση ισχύος. Όμως, η ανακτώμενη θερμότητα βρίσκει περιορισμένη χρήση, διότι το νερό στην έξοδο του ψυγείου έχει χαμηλή θερμοκρασία (30-35 °C). Η λύση αυτή μπορεί να επιλεγεί όταν υπάρχει ανάγκη προθέρμανσης νερού, που έρχεται στο σύστημα με θερμοκρασία 20-25°C. Εάν το νερό έρχεται στο σύστημα με θερμοκρασία 60-70°C, όπως συμβαίνει π.χ. στα δίκτυα κεντρικής θέρμανσης, τότε η λύση της υψηλής θερμοκρασίας είναι προτιμότερη από πλευράς εκμεταλλεύσεως της ενεργείας του καυσίμου, καθώς αυξάνει τον ολικό βαθμό απόδοσης του συστήματος κατά 3-5%. Η θερμοκρασιακή στάθμη επηρεάζει τη σχετική ως προς τη ροή του νερού τοποθέτηση των τριών ψυγείων (λαδιού, νερού και αέρα). Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

37 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Με ανάκτηση θερμότητας από τα τρία ψυγεία, το νερό θερμαίνεται μέχρι τους 75-80 °C. Κατόπιν έρχεται στον εναλλάκτη ανακομιδής θερμότητας των καυσαερίων, όπου θερμαίνεται μέχρι τους 85-90 °C ή και ατμοποιείται. Μονάδες μεσαίου μεγέθους παράγουν κορεσμένο ατμό 180-200 °C, ενώ μεγάλες μονάδες μπορούν να δώσουν υπέρθερμο ατμό με πίεση 15-20 bar και θερμοκρασία 250-350 °C. Η ελάχιστη επιτρεπτή θερμοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο του εναλλάκτη εξαρτάται από την περιεκτικότητα του καυσίμου σε θείο. Για καύσιμο diesel, το όριο είναι 160-170 °C, ενώ για φυσικό αέριο είναι 90-100 °C. Συστήματα με Παλινδρομική Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

38 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ο βαθμός απόδοσης μικρών και μεσαίων κινητήρων είναι 35-45%, ενώ σε συγχρόνους μεγάλους κινητήρες φθάνει το 50%. Ο βαθμός απόδοσης ενός συστήματος συμπαραγωγής με εμβολοφόρο κινητήρα εσωτερικής καύσης βρίσκεται στην περιοχή του 80%. Η διάρκεια ζωής είναι 15-20 έτη και εξαρτάται από το μέγεθος της μονάδας, την ποιότητα του καυσίμου και την ποιότητα της συντήρησης. Οι παλινδρομικοί κινητήρες απαιτούν τακτικότερη συντήρηση απ' ό,τι τα προηγούμενα συστήματα με αποτέλεσμα μικρότερη ετήσια διαθεσιμότητα: 80- 90%. Συστήματα με Παλινδρομική Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

39 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ο όρος «συνδυασμένος κύκλος» αναφέρεται σε συστήματα με δυο θερμοδυναμικούς κύκλους, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με κάποιο εργαζόμενο ρευστό και λειτουργούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Ο κύκλος υψηλής θερμοκρασίας (κορυφής) αποβάλλει θερμότητα, που ανακτάται και χρησιμοποιείται από τον κύκλο χαμηλής θερμοκρασίας (βάσης) για την παραγωγή πρόσθετης ηλεκτρικής ή μηχανικής ενέργειας, αυξάνοντας έτσι τον βαθμό απόδοσης. Τα πιο διαδεδομένα συστήματα συνδυασμένου κύκλου είναι εκείνα με συνδυασμό αεριοστροβίλου - ατμοστροβίλου (κύκλοι Joule - Rankine). Συστήματα Συνδυασμένου Κύκλου Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

40 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Η υψηλή περιεκτικότητα οξυγόνου στα καυσαέρια του αεριοστροβίλου (περίπου 17%) επιτρέπει την καύση συμπληρωματικού καυσίμου στον λέβητα καυσαερίων, εάν κριθεί αναγκαία για την αύξηση ισχύος του συστήματος. Η συμπληρωματική καύση αυξάνει τον βαθμό απόδοσης του συστήματος κατά τη λειτουργία σε μερικό φορτίο, αλλά κάνει την εγκατάσταση (και ιδιαίτερα τις διατάξεις ρύθμισης και ελέγχου) πιο περίπλοκη. Συστήματα Συνδυασμένου Κύκλου Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

41 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Η ισχύς των συστημάτων συνδυασμένου κύκλου κυμαίνεται συνήθως στην περιοχή 20- 400 MW, ενώ κατασκευάζονται επίσης και μικρότερες μονάδες με ισχύ 4-11 MW. Η συγκέντρωση ισχύος (ισχύς ανά μονάδα όγκου) των συστημάτων αυτών είναι υψηλότερη από τη συγκέντρωση ισχύος των συστημάτων απλού κύκλου αεριοστροβίλου (Joule) ή ατμοστροβίλου (Rankine). Ο χρόνος εγκατάστασης είναι 2-3 έτη. Είναι δυνατή η ολοκλήρωση της εγκατάστασης σε δύο στάδια : Εγκαθίσταται πρώτα η μονάδα αεριοστροβίλου, που μπορεί να είναι έτοιμη για λειτουργία σε 12-18 μήνες. Ενώ αυτή λειτουργεί, συμπληρώνεται το σύστημα με τη μονάδα του ατμοστροβίλου. Η αξιοπιστία των συστημάτων συνδυασμένου κύκλου είναι 80-85%, η μέση ετήσια διαθεσιμότητα 77-85% και ο οικονομικός χρόνος ζωής 15-25 έτη. Είναι επίσης δυνατός ο συνδυασμός κύκλου diesel με κύκλο Rankine. Η διάταξη μοιάζει με αυτή, όπου η μονάδα συμπιεστή - θαλάμου καύσης - αεριοστροβίλου αντικαθίσταται από τον κινητήρα diesel και τους εναλλάκτες θερμότητας που τον συνοδεύουν. Συστήματα Συνδυασμένου Κύκλου Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

42 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Στα συστήματα συμπαραγωγής σε κύκλο βάσης, αν αντί του εργαζόμενου μέσου, που είναι το νερό που εξατμίζεται με ανάκτηση θερμότητας από αέρια υψηλής θερμοκρασίας (600 o C ή και υψηλότερης), χρησιμοποιηθούν οργανικά ρευστά, π.χ. τολουένη, Κύκλοι Βάσης Rankine με Οργανικά Ρευστά που έχουν θερμοκρασία βρασμού αρκετά χαμηλότερη εκείνης του νερού, είναι δυνατή η παραγωγή ηλεκτρικής ή μηχανικής ενέργειας με ανάκτηση θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας (80-300 o C). Έτσι, πηγές θερμότητας μπορούν να είναι η ηλιακή ενέργεια, βιομηχανικά απόβλητα, γεωθερμική ενέργεια, καυσαέρια ή θερμότητα ψύξης μηχανών. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

43 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Κύκλοι Βάσης Rankine με Οργανικά Ρευστά Η ισχύς των συστημάτων αυτών κυμαίνεται στην περιοχή 2 MW - 10 MW. Ο βαθμός απόδοσης είναι μικρός, 10-30%, αλλά σημασία έχει το γεγονός ότι ένα τέτοιο σύστημα παράγει πρόσθετη ισχύ χωρίς να ξοδεύει καύσιμο. Από κατασκευαστικής πλευράς, χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στην επιλογή των υλικών, για την αποφυγή διάβρωσης από το οργανικό ρευστό (π.χ. χρήση ανοξείδωτου χάλυβα), και στη στεγανότητα των στοιχείων του συστήματος, ώστε να μην διαφεύγει το οργανικό ρευστό στην ατμόσφαιρα. Ο χρόνος εγκατάστασης μικρών συστημάτων (μέχρι 50 kW ) και ιδιαίτερα εκείνων που είναι κατάλληλα για χρήση στον εμπορικό-κτιριακό τομέα, είναι 4-8 μήνες, ενώ για μεγαλύτερες μονάδες είναι 1-2 έτη. Καθώς η τεχνολογία αυτή είναι σχετικά νέα, δεν υπάρχουν αρκετές πληροφορίες για την αξιοπιστία των συστημάτων. Εκτιμάται ότι η μέση ετήσια διαθεσιμότητα τους είναι 80-90%. Η αναμενόμενη διάρκεια ζωής τους είναι περίπου 20 έτη. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

44 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Τυποποιημένες Μονάδες Συμπαραγωγής («Πακέτα») Οι μονάδες αυτές, με ισχύ 10 – 2000 kW, έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: χαμηλό κόστος μικρό όγκο εύκολη εγκατάσταση (το μόνο που χρειάζεται είναι η σύνδεση τους με τα υδραυλικά και ηλεκτρικά δίκτυα) αυτοματοποιημένη λειτουργία χωρίς τη συνεχή παρακολούθηση από εξειδικευμένο προσωπικό Οι μονάδες αυτές συνήθως έχουν κινητήρα diesel. Σε ισχείς μικρότερες των 100 kW είναι δυνατή η χρήση κινητήρα Otto, ενώ σε ισχείς μεγαλύτερες των 600 kW είναι δυνατή η χρήση αεριοστροβίλου. Μπορούν να λειτουργούν με υγρό ή αέριο καύσιμο. Το φυσικό αέριο είναι ιδιαίτερα κατάλληλο καύσιμο για τις μονάδες αυτές χάρη στην καθαρότητα, την έλλειψη ανάγκης αποθήκευσης και τη χαμηλή τιμή του. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

45 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Τυποποιημένες Μονάδες Συμπαραγωγής («Πακέτα») Σχηματική απεικόνιση τυποποιημένης μονάδας συμπαραγωγής με παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

46 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Τυποποιημένες Μονάδες Συμπαραγωγής («Πακέτα») Τα πακέτα συμπαραγωγής με κινητήρα diesel είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για τις εφαρμογές του εμπορικού-κτιριακού τομέα. Είναι γνωστά επίσης με το όνομα «συστήματα συμπαραγωγής μικρής κλίμακας» (small-scale cogeneration systems). Το 27-35% της ενέργειας του καυσίμου μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό και το 50-55% σε θερμότητα. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

47 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Κυψέλλες καυσίμου (fuel cells) Οι κυψέλλες (κελλία) καυσίμου είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή που μετατρέπει τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε ηλεκτρισμό χωρίς τη μεσολάβηση της καύσης. H 2 και Ο 2 αντιδρούν με την παρουσία ηλεκτρολύτη και παράγουν H 2 O ενώ ταυτόχρονα αναπτύσσεται ένα ηλεκτροχημικό δυανμικό που προκαλεί ροή ηλεκτρικού ρεύματος στο εξωτερικό κύκλωμα (μηχανή). Καθώς η αντίδραση είναι εξώθερμη, παράγεται θερμότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

48 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Κυψέλες καυσίμου (fuel cells) Ο ηλεκτρολύτης παίζει σημαντικό ρόλο στη λειτουργία του κυψελών καυσίμου και την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος γιατί απαγορεύει την διέλευση αρνητικών ιόντων ή άλλων ουσιών από την άνοδο στην κάθοδο. Υπάρχουν διαφορετικά είδη κυψελών καυσίμου που λειτουργούν κάτω από διαφορετικές θερμοκρασίες και η βασική τους διαφορά είναι το είδος του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται. Με βάση τον ηλεκτρολύτη επιλέγεται τόσο το υλικό των ηλεκτροδίων όσο και το είδος του καυσίμου. Οι πλέον διαδεδομένοι τύποι κυψελών καυσίμου είναι  Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (AFC),  Κυψέλες τηγμένου ανθρακικού άλατος (Molten Carbonate-MCFC),  Κυψέλες φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid-PAFC),  Κυψέλες στερεού οξειδίου (Solid Oxide-SOFC),  Κυψέλες μεμβράνης ανταλλαγής ιόντων (Proton Exchange Mebrane-PEM) Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

49 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Κυψέλες καυσίμου (fuel cells) Από τους διάφορους τύπους κυψελών καυσίμου, μόνο οι κυψέλες φωσφορικού οξέως έχουν αναπτυχθεί σε βαθμό που να είναι ήδη κατάλληλες για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και είναι σήμερα εμπορικά διαθέσιμες Επιδεικτικές μονάδες ισχύος 25 kW -11 MW έχουν κατασκευασθεί σε διάφορες Ευρωπαϊκές χώρες, στις Η.Π.Α. και στην Ιαπωνία. Η θερμοκρασία λειτουργίας τους (περίπου 200°C) περιορίζει τη θερμοκρασία της ανακτώμενης θερμότητας. Υπάρχουν σήμερα τυποποιημένες μονάδες συμπαραγωγής με θερμότητα που είναι διαθέσιμη σε θερμοκρασία 80-90°C Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

50 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Κυψέλλες καυσίμου (fuel cells) Οι κυψέλες καυσίμου είναι κατάλληλες για συμπαραγωγή στον βιομηχανικό και στον εμπορικό-κτιριακό τομέα (ιδιαίτερα σε συνδυασμό με το φυσικό αέριο). Κύρια πλεονεκτήματα τους είναι τα ακόλουθα:  αρθρωτή (modular) δομή, που διευκολύνει την κατασκευή μονάδων με την επιθυμητή ισχύ,  διατήρηση υψηλού ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης ακόμη και σε μερικό φορτίο (δηλ. φορτίο μικρότερο του ονομαστικού),  ευκολία αυτοματισμού,  χαμηλές εκπομπές ρύπων,  χαμηλή στάθμη θορύβου. Μειονεκτήματά τους, που εμποδίζουν προς το παρόν, την ευρεία διάδοσή τους, είναι:  το υψηλό κόστος κατασκευής, και  η σχετικά μικρή διάρκεια ζωής. Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

51 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Κύρια τεχνικά χαρακτηριστικά συστημάτων συμπαραγωγής Σύστημα Ηλεκτρ. Ισχύς (MW) Μέση ετήσια διαθεσιμότ. % Ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης % Ολικός βαθμός απόδοσης % Λόγος ηλεκτρισμού προς θερμότητα Πλήρες φορτίο Φορτίο 50% Ατμοστροβίλου0,5-100*90 – 9514 – 3012 – 2560 - 850,1 – 0,3 Αεριοστροβίλου ανοικτού τύπου 0,1 - 100 90 -9520 –3515 – 2960 - 800,5 – 0,8 Αεριοστροβίλου κλειστού τύπου 0,5 - 10090 – 9530 –35 60 – 800,5 – 0,8 Συνδυασμένου κύκλου αεριο /ατμοστροβίλου 4 – 100*77 – 8535 – 4525 – 3570 – 880,6 – 1,1 Κινητήρα diesel0,07 - 4080 –9035 – 4532 – 4060 – 801,2 – 2,4 «Πακέτο» με παλινδρ. κινητήρα 0,015 - 280 - 8527 - 3525 - 3260 - 800,5 – 0,7 Κυψέλλες καυσίμ.0,04 - 5090 - 9237 - 45 85 - 900,8 – 1,0 Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής

52 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Περιγραφή συστημάτων συμπαραγωγής Στον Πίνακα 100*  Η τιμή των 100 MW ισχύει για βιομηχανικές εφαρμογές. Συστήματα αυτού του τύπου, δηλ. ατμοστροβίλου και συνδυασμένου κύκλου κατασκευάζονται και για μεγαλύτερη ισχύ. Η μέση ετήσια διαθεσιμότητα είναι το ποσοστό του χρόνου (π.χ. 8760 ώρες του έτους) κατά το οποίο ένα σύστημα λειτουργεί ικανοποιητικά, παίρνοντας υπόψη τη προληπτική συντήρηση και τις έκτακτες βλάβες.

53 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Δείκτες ενεργειακής συμπεριφοράς Ενεργειακή συμπεριφορά συστημάτων συμπαραγωγής

54 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Όπως προκύπτει από τους ορισμούς τους, ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης η e και ο λόγος ηλεκτρισμού προς θερμότητα PHR συνδέονται με τη σχέση η = η e (1 + 1/PHR) ή PHR = η e / (η - η e ) = η e / η h Οι σχέσεις αυτές βοηθούν στον προσδιορισμό αποδεκτών τιμών του λόγου ηλεκτρισμού προς θερμότητα PHR, όταν η τιμή του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης η e είναι γνωστή, δεδομένου ότι ο ολικός βαθμός απόδοσης δεν ξεπερνά το 85-88%. Για παράδειγμα Εάν είναι η e = 0,40 και 0,65 < η < 0,90 τότε 1,6 >PHR > 0,8 Αν θεωρηθεί ότι το σύστημα συμπαραγωγής αντικαθιστά χωριστές μονάδες ηλεκτρισμού και θερμότητας με βαθμούς απόδοσης η W και η Q αντίστοιχα, όπου η W = W / H fW και η Q = Q / H fQ τότε προκύπτει ότι ο λόγος εξοικονόμησης ενέργειας καυσίμου FESR είναι FESR = 1 – [(PHR + 1) / η (PHR/η W + 1/η Q )] Ενεργειακή συμπεριφορά συστημάτων συμπαραγωγής

55 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ένα παράδειγμα εφαρμογής είναι : Σύστημα συμπαραγωγής με ολικό βαθμό απόδοσης η = 0,80 και λόγο ηλεκτρισμού προς θερμότητα PHR = 0,6 αντικαθιστά συμβατικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής βαθμού απόδοσης η W = 0,35 και λέβητα βαθμού απόδοσης η Q = 0,80. Η εξίσωση FESR = 1 – [(PHR + 1) / η (PHR/η W + 1/η Q )] δίνει λόγο εξοικονόμησης καυσίμου FESR = 0.325, δηλαδή με τη συμπαραγωγή η κατανάλωση καυσίμου μειώνεται κατά 32,5%. Ενεργειακή συμπεριφορά συστημάτων συμπαραγωγής

56 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Οι κυριότεροι τρόποι λειτουργίας ενός συστήματος συμπαραγωγής, δηλ. οι τρόποι ρύθμισης της ηλεκτρικής και θερμικής ισχύος σε κάθε χρονική στιγμή, είναι οι ακόλουθοι:  Παραγωγή θερμότητας ίσης με το θερμικό φορτίο (heat match). Εάν παράγεται ηλεκτρική ενέργεια περισσότερη από το φορτίο, η περίσσεια πωλείται στο εθνικό δίκτυο. Εάν η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι μικρότερη από το φορτίο, το έλλειμμα συμπληρώνεται από το δίκτυο.  Παραγωγή ηλεκτρισμού ίσου με το ηλεκτρικό φορτίο (electricity match). Βοηθητικός λέβητας συμπληρώνει τις πρόσθετες ανάγκες σε θερμότητα, εάν χρειασθεί. Επίσης, είναι απαραίτητη η εγκατάσταση ψυγείων ικανών να αποβάλουν την περίσσεια θερμότητα, εάν προκύψει ανάγκη. Τρόποι Λειτουργίας των Συστημάτων Συμπαραγωγής Ενεργειακή συμπεριφορά συστημάτων συμπαραγωγής

57 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων  Μικτός τρόπος, δηλαδή παρακολούθηση άλλοτε του θερμικού φορτίο (τρόπος α΄) και άλλοτε του ηλεκτρικού φορτίου (τρόπος β΄).  Πλήρης κάλυψη του θερμικού και ηλεκτρικού φορτίου σε κάθε χρονική στιγμή χωρίς σύνδεση με το εθνικό δίκτυο. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας απαιτεί επαρκή εφεδρεία ισχύος και επομένως περίπλοκο σύστημα συμπαραγωγής. Είναι η πιο ακριβή λύση, τουλάχιστον από πλευράς αρχικού κόστους. Τρόποι Λειτουργίας των Συστημάτων Συμπαραγωγής Γενικά, ο πρώτος από τους τρόπους αυτούς προσφέρει την υψηλότερη ενεργειακή και οικονομική απόδοση για συστήματα στο βιομηχανικό και εμπορικό-κτιριακό τομέα. Για σταθμούς συμπαραγωγής του συστήματος ηλεκτρισμού της χώρας, η επιλογή του τρόπου λειτουργίας, εξαρτάται από τις ευρύτερες ανάγκες του δικτύου, τις διαθέσιμες μονάδες και τις υποχρεώσεις απέναντι στους καταναλωτές ηλεκτρισμού και θερμότητας. Ενεργειακή συμπεριφορά συστημάτων συμπαραγωγής

58 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Σύστημα ελέγχου Σημαντική συμβολή στη διαθεσιμότητα των μονάδων συμπαραγωγής έχει ο αυτόματος έλεγχος της λειτουργίας. Μικροεπεξεργαστές, εγκατεστημένοι στο χώρο όπου βρίσκεται η μονάδα, παρακολουθούν τις τιμές σημαντικών παραμέτρων και μεταβιβάζουν τις σχετικές πληροφορίες σε κεντρική μονάδα ελέγχου. Την παράλληλη λειτουργία του σταθμού συμπαραγωγής με το κεντρικό δίκτυο εξασφαλίζει ο κατασκευαστής με τη χρήση ηλεκτροκινούμενου διακόπτη ισχύος. Ο σταθμός συμπαραγωγής πρέπει να παρακολουθείται και να ελέγχεται συνεχώς για τα πιο κάτω:  Πιθανή διακοπή της κεντρικής παροχής  Συγχρονισμός με το κεντρικό δίκτυο  Προστασία από βραχυκύκλωμα  Αντιστάθμιση άεργης ισχύος  Θερμότητα ζεστού αέρα Ενεργειακή συμπεριφορά συστημάτων συμπαραγωγής

59 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Σύστημα σύνδεσης και παραλληλισμού Το σύστημα σύνδεσης και παραλληλισμού του σταθμού με το δίκτυο θα πρέπει να είναι ένα πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα συγχρονισμού, που θα εξασφαλίζει την ασφαλή σύνδεση μέσα στα πιο κάτω πλαίσια απόκλισης: Απόκλιση τάσης: +10% της ονομαστικής τάσης Απόκλιση συχνότητας: ± 0,5 Ηz Απόκλιση φάσης: ± 10° Ενεργειακή συμπεριφορά συστημάτων συμπαραγωγής

60 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Ενεργειακή συμπεριφορά συστημάτων συμπαραγωγής Σύστημα σύνδεσης και παραλληλισμού Ο σταθμός πρέπει να ρυθμίζει την ισχύ του έτσι, ώστε να μην γίνεται παροχή ρεύματος από το κεντρικό δίκτυο. Όταν η κατανάλωση του σταθμού μειωθεί κάτω από το όριο, ξεκινάει η διαδικασία της αυτόματης σύνδεσης για παροχή της επιπλέον ενέργειας στο κεντρικό δίκτυο. Όταν η κατανάλωση υπερβεί την ονομαστική ισχύ του σταθμού, το επιπλέον ποσό ρεύματος παρέχεται από το κεντρικό δίκτυο. Από το κεντρικό δίκτυο απαιτούνται τα ακόλουθα:  Απόκλιση συχνότητας παροχής: ± 10%  Μέγιστη διάρκεια διακοπής παροχής: < 200 ms  Χρόνος διακοπής του διακόπτη ισχύος ζεύξεως: < 50 ms Οι μηχανές θα πρέπει να είναι εξοπλισμένες με ένα σύστημα αυτόματης ρύθμισης ισχύος.

61 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Περιβαλλοντικές επιπτώσεις της συμπαραγωγής Χάρη στην αποδοτικότερη εκμετάλλευση του καυσίμου, η συμπαραγωγή συντελεί σε άμεση μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, με την προϋπόθεση ότι το καύσιμο που χρησιμοποιείται δεν είναι κατώτερης ποιότητας από εκείνο της χωριστής παραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας. Εκπομπές ρύπων ως συνάρτηση του βαθμού απόδοσης των συστημάτων συμπαραγωγής

62 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Περιβαλλοντικές επιπτώσεις της συμπαραγωγής Η μείωση της κατανάλωσης καυσίμου συνοδεύεται επίσης και από μια έμμεση μείωση ρύπων από τον υπόλοιπο κύκλο καυσίμου: εξόρυξη, επεξεργασία, μεταφορά, αποθήκευση. Η διακίνηση των καυσίμων και η απομάκρυνση των στερεών καταλοίπων της καύσης μπορεί να προκαλέσει ρύπανση του εδάφους και των υδάτων της περιοχής. Τέλος, ο θόρυβος τόσο από τη λειτουργία του ίδιου του συστήματος συμπαραγωγής όσο και από την κίνηση που αναπτύσσεται για την εξυπηρέτησή του, αυξάνει την ηχητική ρύπανση. Η εγκατάσταση συστήματος συμπαραγωγής σε κατοικημένες περιοχές προϋποθέτει την  Επιλογή τεχνολογίας με χαμηλές εκπομπές ρύπων  Προσεκτική επιλογή του τόπου εγκατάστασης  Τοποθέτηση εξοπλισμού ελέγχου και περιορισμού των εκπεμπομένων ρύπων  Ελαστική έδραση και ηχητική μόνωση του συστήματος  Κατασκευή καπνοδόχου υψηλότερης των γειτονικών κτιρίων  Εγκατάσταση μέσων συλλογής και αποκομιδής των στερεών και υγρών καταλοίπων

63 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Σύστημα ατμοστροβίλου αντίθλιψης (χωρίς απομάστευση και βοηθητική ψύξη) Παραδείγματα υπολογισμών συστημάτων συμπαραγωγής

64 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Υπολογισμός βαθμού απόδοσης του συστήματος Η μονάδα λειτουργεί 6000 ώρες σε μέγιστο φορτίο ετησίως. Η ετήσια παραγωγή ηλεκτρισμού είναι 50 MW x 6000 h = 300 GWh. Η παραγωγή θερμότητας είναι 600 GWh. Η ιδιοκατανάλωση ηλεκτρισμού είναι 25 GWh, συνεπώς η καθαρή παραγωγή ηλεκτρισμού είναι 275 GWh. Η ενέργεια του καυσίμου είναι 1000 GWh Ο ολικός βαθμός απόδοσης του συστήματος είναι n = (300 – 25 + 600) / 1000 = 87,5 % Παραδείγματα υπολογισμών συστημάτων συμπαραγωγής

65 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Σύστημα ατμοστροβίλου αντίθλιψης (με απομάστευση και χωρίς βοηθητική ψύξη) Παραδείγματα υπολογισμών συστημάτων συμπαραγωγής

66 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Σύστημα ατμοστροβίλου αντίθλιψης (με απομάστευση και βοηθητική ψύξη) Παραδείγματα υπολογισμών συστημάτων συμπαραγωγής

67 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Σύστημα αεριοστροβίλου ανοικτού κύκλου Παραδείγματα υπολογισμών συστημάτων συμπαραγωγής

68 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Σύστημα συνδυασμένου κύκλου Παραδείγματα υπολογισμών συστημάτων συμπαραγωγής

69 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Παραδείγματα υπολογισμών συστημάτων συμπαραγωγής Σύστημα με Παλινδρομική Μηχανή Εσωτερικής Καύσης

70 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Tomorrow Storage Photovoltaics power plant Wind power plant House with domestic CHP Power quality device Storage Local CHP plant Storage Power quality device Flow Control Today Central power station House Factory Commercial building Transmission Network Distribution Network Συστήματα συμπαραγωγής

71 Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων Συμπαραγωγή θερμότητας & έργου