5.5. Когенерація

Термін "когенерація" означає спільне виробництво тепла і електроенергії на одній базовій установці, що живиться від одного джерела енергії.

Ідея і технічна реалізація когенерації не нові. Прикладом класичної когенерації є ТЕЦ, у яких пара відбирається з відповідних частин турбін для потреб теплофікації. Хоча при цьому ККД щодо виробітку електроенергії знижується, проте загальний (системний) ККД, що характеризує виробіток тепла і електроенергії, зростає і, відповідно, зростає коефіцієнт використання палива (КВП), що особливо суттєво в умовах дефіциту (дороговизни) палива та з позиції впливу на довкілля. Для теплових когенераційних систем КВП = 0.75–0.85, що набагато більше, ніж для чисто електричних чи теплофікаційних. На сьогодні когенераційні установки широко використовуються [12] для потреб районного енергозабезпечення або як автономні джерела енергії.

5.5.1. Основні характеристики когенераційних установок

Якщо когенераційна установка споживає за одну секунду паливо з теплотворною здатністю W кВт і виробляє електроенергії Е кВт та тепла Q кВт, то величини, що характеризують цю установку, є такими:

– електричний ККД: ; (5.26)

– тепловий ККД: ; (5.27)

– системний ККД(він же КВП): ; (5.28)

– співвідношення виробництва

тепла і електроенергії: ; (5.29).

З виразу (5.28) випливає, що виробництво тепла і енергії взаємозв’язані, більше того, підвищуючи електричний ККД, знижуємо якість отримуваного тепла. Справді, припустивши, що електроенергія генерується з використанням еквівалентного циклу Карно, при сталому η_S та внутрішньому ККД турбогенератора η_і, отримуємо,

(5.30)

Т ₁, Т₂ – температура на вході і виході з турбогенератора. Оскільки системний ККД когенераційної установки близький до одиниці (0.75–0.85), то ,

отже

, (5.31)

тобто потенціал тепла, що дається когенераційною установкою, тим більший, чим вищий тепловий ККД і, відповідно, чим нижчий електричний ККД.

5.5.2. Типові системи когенерації

Найпоширенішими системами когенерації є системи з "верхнім" та "нижнім" циклами. У першому випадку джерело первинної енергії використовують для генерації електроенергії, а залишкове тепло використовують для гарячого водо- і теплопостачання. Системи з "нижнім циклом" – це високотемпературні хіміко-технологічні процеси (металургія) з високопотенційним теплом, що використовуються для електрогенерації і теплофікації. Найпоширенішими у світі когенераційними системами є такі:

– двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) з утилізатором теплоти, див. рис.13;

– газова турбіна (ГТ) з котлом-утилізатором або з системою допалювання вихлопних газів, рис.14;

– парові конденсаційні турбіни з проміжним відбором пари, рис.15;

– установки з комбінованим циклом, рис.16.

Наявний технічний потенціал України дозволяє швидко наростити випуск і впровадження когенераційних систем на базі ДВЗ та з ГТ силовими установками, див. нижче.