8.5: Використання енергії

Електричні та плагінні гібриди

З початку 20 століття масло та двигун внутрішнього згоряння домінують у транспорті. Статки нафти та транспортних засобів були переплетені, з нафтових перегонів, щоб задовольнити енергетичні потреби постійно зростаючої потужності та кількості особистих транспортних засобів, транспортних засобів, що рухаються далі у відповідь на зростаючі можливості міждержавних шосе для особистих подорожей на великі відстані та вантажних перевезень, і більше особиста мобільність, що виробляє живі моделі в далеких передмістях, які потребують нафти та автомобілів для функціонування. В останні і майбутні роки найбільше зростання перевезень буде в країнах, що розвиваються, де потреба і ринок перевезень стрімко зростає. Китай має новий середній клас, який більший за все населення Сполучених Штатів, ознака того, що країни, що розвиваються, незабаром будуть направляти або сильно впливати на появу нових технологій, покликаних обслуговувати їх потреби. Крім розгортання нових технологій, країни, що розвиваються, мають потенційно велику другу перевагу: їм не потрібно йти тим самим шляхом розвитку через застарілі проміжні технології, прийняті розвиненим світом. Перехід безпосередньо до найсучасніших технологій дозволяє уникнути застарілих інфраструктур та тривалого часу обороту, дозволяючи інновації та розгортання в прискореному масштабі.

Двигун внутрішнього згоряння та транспортні засоби, якими він керує, досягли величезних інженерних успіхів за останні півстоліття, підвищивши ефективність, довговічність, комфорт та додаючи такі стандартні функції, як кондиціонер, круїз-контроль, використання мобільних телефонів без рук та глобальні системи позиціонування. Одночасно автомобільна промисловість стала глобальною, різко збільшуючи конкуренцію, вибір споживачів та маркетинговий охоплення. Останньою тенденцією в транспорті є різкі коливання ціни на нафту, життєву силу традиційних транспортних засобів, що працюють з двигунами внутрішнього згоряння.

Водень як альтернативне паливо

Традиційна синергія нафти з автомобілями тепер може проявляти ознаки деформації. Залежність транспортних засобів від одного палива, ціна якого демонструє сильні коливання і майбутній курс якого в кінцевому рахунку нестійкий, представляє довгострокові бізнес-проблеми. Мотивована цими проблемами бізнесу та сталого розвитку, автомобільна промисловість починає диверсифікуватися на інші види палива. Водень дебютував на початку 2000-х років і показав, що він має потенціал для живлення транспортних засобів, що використовують паливні елементи для виробництва бортової електроенергії для електродвигунів (Eberle and von Helmholt, 2010, Crabtree, Dresselhaus, & Buchanan, 2004). Однією з переваг водню є ефективність, до 50 відсотків або більше для паливних елементів, до 90 відсотків або більше для електродвигунів, що живлять автомобіль, порівняно з 25-відсотковою ефективністю для двигуна внутрішнього згоряння. Другою перевагою є зниження залежності від іноземної нафти - водень може бути отриманий з природного газу або з повністю відновлюваних ресурсів, таких як сонячне розкладання води. Третя потенційна перевага водню - екологічна — викиди водневого автомобіля нешкідливі: вода і невелика кількість тепла, хоча викиди з ланцюга виробництва водню можуть значно компенсувати цю перевагу.

Бачення водневих автомобілів, що працюють на паливних елементах, залишається сильним. Однак він повинен подолати значні проблеми, перш ніж стати практичними, такі як зберігання водню на борту транспортних засобів з високою щільністю, пошук недорогих та багатих землею каталізаторів для сприяння відновленню кисню до води в паливних елементах та отримання достатньої кількості водню з відновлюваних джерел, таких як сонячна енергія керований розщепленням води для палива автомобільної промисловості (Crabtree & Dresselhaus, 2008). Водневі та електричні енергетичні ланцюги для автомобілів проілюстровані на рис\(\PageIndex{1}\). Багато вчених і автомобільні компанії вивчають водень як довгострокову альтернативу нафті.

Малюнок\(\PageIndex{1}\) Електричний транспорт Транспортування електрифікується шляхом заміни бензинового двигуна на електродвигун, що живиться від електрики від акумулятора на борту автомобіля (верхня панель) або електрикою від паливного елемента і системи зберігання водню на борту автомобіля (нижня панель). Для максимальної ефективності обидва маршрути вимагають відновлюваного виробництва електроенергії або водню. Джерело: Джордж Крабтрі, використовуючи зображення з Рондола, skinnylawyer, Тіну Бао, Міністерство енергетики США, Управління науки

Електроенергія як альтернативне паливо

Електромобілі являють собою другу альтернативу нафті для транспортування, з багатьма подібностями до водню (див. Рис.\(\PageIndex{1}\)). Електромобілі управляються електродвигуном, як і в автомобілі з паливними елементами, до чотирьох разів ефективніше бензинового двигуна. Електродвигун набагато простіше бензинового двигуна, маючи всього одну рухому частину, вал, що обертається всередині нерухомого корпусу і оточений котушкою мідного дроту. Електрика надходить від акумулятора, ємність якого, як і водневих матеріалів, занадто мала, щоб дозволити їздити на великі відстані. Розробка акумуляторів з більш високою щільністю енергії для транспортних засобів є основним викликом для галузі електромобілів. Акумулятор необхідно заряджати перед рухом, що можна зробити з мережі, використовуючи надлишкову ємність, наявну в нічний час, або вдень від спеціальних сонячних зарядних станцій, які не додають додаткового навантаження в мережу. Оскільки зарядка зазвичай займає години, потенційно привабливою альтернативою є перемикання акумулятора за лічені хвилини на свіжозаряджений на спеціальних станціях заміни. Великий парк електромобілів у Сполучених Штатах вимагатиме значної додаткової електроенергії, аж 130 ГВт, якщо весь парк легкових та легких вантажних автомобілів був перетворений на електроенергію, або 30 відсотків середнього споживання електроенергії в США в 2008 році.

Використання енергії електромобілів приблизно в чотири рази менше, ніж для бензинових автомобілів, що відповідає більш високій ефективності електродвигунів над двигунами внутрішнього згоряння. Хоча бензинові автомобілі значно відрізняються за своєю енергоефективністю, «типова» середина дорожнього значення для п'ятипасажирського автомобіля становить 80 кВт·год/100 км. Типовий електромобіль (наприклад, Think Ox з Норвегії, Chevy Volt, що працює в електричному режимі, або Nissan Leaf) використовує ~ 20 кВт·год/100 км. У той час як енергетичні витрати електромобілів в точці використання значно менше, потрібно враховувати вартість в точці виробництва, електрогенеруючої станції. Якщо електроенергія автомобіля надходить з вугілля з ефективністю перетворення 33 відсотки, вартість первинної енергії становить 60 кВт·год/100 км, наближаючись, але все ще менше, ніж у бензинового автомобіля. Якщо електроенергія виробляється комбінованим циклом турбін природного газу з 60-відсотковою ефективністю, вартість первинної енергії становить 33 кВт·год/100 км, що менше половини вартості первинної енергії для бензинових автомобілів. Ці порівняння представлені в табл\(\PageIndex{1}\).

Таблиця\(\PageIndex{1}\) Порівняння енергоспоживання Порівняння використання енергії для автомобілів з бензиновим приводом та акумуляторними батареями, для випадків неефективної генерації вугілля (33%) та ефективного комбінованого циклу виробництва природного газу (60%) електроенергії. Джерело: Джордж Крабтрі.

	Бензиновий двигун 5 легкових автомобілів	Акумулятор електричний Nissan Leaf, Chevy Volt (режим батареї), Think Ox
Енергія в точці використання	80 кВтг/100 км	20 кВтг/100 км
Енерговикористання в точці виробництва: Вугілля з ККД 33%		60 кВтг/100 км
Природний газ комбінованого циклу з ефективністю 60%		33 кВтг/100 км

Таблиця\(\PageIndex{2}\) Порівняння викидів вуглецю Порівняння викидів вуглецю від бензинових та акумуляторних автомобілів, для випадків генерації вугілля з високим рівнем викидів (2.1 фунт СО2/кВт-год), природного газу з меншими викидами (1,3 LBCO2/кВт-год) та дуже низьким рівнем викидів ядерної, гідро-, вітрової або сонячної електроенергії. Джерело: Джордж Крабтрі.

	Бензиновий двигун 5 легкових автомобілів	Акумулятор електричний Nissan Leaf, Chevy Volt (режим тесту), Think Ox
Викиди CO 2 в точці використання	41 фунтів	~ 0
Викиди CO 2 в точці виробництва: Вугілля @ 2,1 фунтів СО 2 /кВтг		42 фунтів
Газ @ 1,3 фунта СО 2 /кВтг		25 фунтів
Ядерна, гідро-, вітрова або сонячна		< 1 фунт

Вуглецевий слід електромобілів вимагає аналогічного розрахунку. Для вугільної електроенергії, що виробляє 2,1 фунт СО2/кВт-год, проїзд 100 км виробляє 42 фунтів (19 кг) вуглекислого газу; для газу електроенергії, що виробляє 1,3 фунта CO2/кВт-год, 100 км їзди виробляє 26 фунтів (11,7 кг) вуглекислого газу. Якщо електроенергія виробляється ядерною або відновлюваною енергією, такою як вітер, сонячна або гідроелектроенергія, вуглекислий газ не виробляється. Для «типового» бензинового автомобіля 100 км їзди виробляє 41 фунт (18,5 кг) вуглекислого газу. Таким чином, вуглецевий слід «типового» електромобіля, в гіршому випадку дорівнює бензиновому автомобілю і, в кращому випадку, нулю. Таблиця\(\PageIndex{3}\) узагальнює порівняння вуглецевого сліду.

Гібридні рішення

На відміну від електромобілів, гібридні транспортні засоби покладаються тільки на бензин для своєї потужності. Гібриди, однак, мають додаткову систему електродвигуна та приводу, яка працює лише тоді, коли продуктивність бензинового двигуна слабка або потребує імпульсу: при запуску зі зупинки, проходження або сходження на пагорби. Звичайні бензинові автомобілі мають лише один двигун, який повинен рухатися автомобілем за будь-яких умов; отже, він повинен відповідати найбільшому завданню. При нормальних умовах їзди двигун більший і менш ефективний, ніж він повинен бути. Гібрид вирішує цю дилему, забезпечуючи два приводні поїзди, бензиновий двигун для нормальної їзди та електродвигун для потреб великої потужності при запуску, підйомі на пагорби та проїзді. Двигун і двигун пристосовані до їх відповідних завдань, що дозволяє розробити кожен з них для максимальної ефективності. Оскільки електродвигун в цілому набагато ефективніший, його використання може значно підвищити економію палива.

Акумулятор у гібридних автомобілей виконує дві функції: він приводить в рух електродвигун, а також збирає електричну енергію від рекуперативного гальмування, перетворену з кінетичної енергії на колесах невеликими генераторами. Рекуперативне гальмування ефективно при русі старт-стоп, підвищуючи ефективність до 20 відсотків. На відміну від бензинових двигунів, електродвигуни не використовують енергії, стоячи на місці; тому гібриди відключають бензиновий двигун, коли автомобіль зупиняється, щоб заощадити енергію холостого ходу. Бензинові двигуни, як відомо, неефективні на низьких швидкостях (звідси необхідність низьких передавальних чисел), тому електродвигун розганяє гібрид до ~ 15 км/год (24 км/год) перед перезавантаженням бензинового двигуна. Вимкнення бензинового двигуна при зупинці збільшує ККД аж на 17 відсотків.

Особливості енергозбереження гібридів зазвичай знижують їх енергетичні потреби з 80 кВтг/100 км до 50-60 кВтг/100 км, що є значною економією. Важливо зазначити, однак, що, незважаючи на додаткову систему приводу електродвигуна, вся енергія гібрида надходить від бензину, а жодна з електричної мережі.

Підключається гібрид відрізняється від звичайних гібридів відведення як бензину, так і електромережі своєю енергією. Більшість гібридів, що підключаються, призначені для роботи спочатку на електриці, а другий на бензині; бензиновий двигун запускається лише тоді, коли акумулятор розряджається. Підключається гібрид, таким чином, є електромобілем з додатковим бензиновим двигуном, протилежним звичайним гібридним автомобілям, описаним вище. Цінність гібрида плагіна полягає в тому, що він вирішує «тривогу за кермом» споживача: немає ніяких турбот про благополучне повернення додому з поїздки, яка виявляється довшою, ніж очікувалося. Недоліком плагінного гібрида є додаткова додаткова технологія бензинового двигуна, що додає вартості та складності автомобілю.

Виклик батареї

Для досягнення розумної дальності руху електромобілі та гібриди, що підключаються, потребують великих акумуляторів, що є однією з найбільших проблем у дизайні та потенційно значним споживчим бар'єром для широких продажів. Навіть з найбільшими практичними батареями дальність руху на електриці обмежена, можливо, до ~ 100 км. Проектування акумуляторів з більш високою щільністю енергії в даний час є основним напрямком енергетичних досліджень, причому прогрес у технології літій-іонних акумуляторів, як очікується, принесе значні поліпшення. Другим потенційним бар'єром для громадського прийняття електромобілів є час зарядки, до восьми годин від стандартної побутової розетки. Це може влаштувати нічну зарядку вдома, але може бути проблемою для поїздок за межі діапазону акумулятора - з бензиновим автомобілем водій просто заповнюється за кілька хвилин і знаходиться в дорозі. Розглядаються нові інфраструктурні рішення, такі як станції заміни акумуляторів для тривалих поїздок.

З точки зору стійкості цікаве порівняння бензинових, електричних, гібридних та вставних гібридних автомобілів. Гібридні автомобілі забирають всю свою енергію з бензину і представляють найменшу відмінність від бензинових автомобілів. Їх додаткові системи електроприводу зменшують споживання бензину на 30-40 відсотків, тим самим сприяючи збереженню кінцевого ресурсу та зменшуючи залежність від іноземної нафти. Однак електромобілі отримують всю свою енергію від електромережі, вітчизняного джерела енергії, повністю виключаючи залежність від іноземної нафти та використання кінцевих нафтових ресурсів. Тому їх цінність стійкості вища, ніж гібриди. Підключаються гібриди мають такий же потенціал, як і всі електромобілі, за умови, що їх бензинові двигуни використовуються економно. Що стосується викидів вуглецю, значення стійкості електромобілів повністю залежить від джерела електроенергії: нейтральний для вугілля, позитивний для газу та дуже позитивний для ядерної або відновлюваної гідротехніки, вітру або сонячної енергії. З енергетичної точки зору електромобілі використовують в чотири рази менше енергії, ніж бензинові автомобілі в точці використання, але ця перевага частково порушена неефективністю в точці виробництва електроенергії. Навіть неефективна вугільна електроенергія залишає перевагу для електромобілів, а ефективна газова електроенергія комбінованого циклу залишає електромобілі більш ніж в два рази більш енергоефективними, ніж бензинові автомобілі.

Резюме

Електроенергія пропонує привабливу альтернативу нафті як транспортному паливу: вона виробляється всередині країни, ефективніше використовує енергію, і, в залежності від способу вироблення електроенергії, може виділяти набагато менше вуглецю. Електромобілі можуть харчуватися від паливних елементів, що виробляють електроенергію з водню, або від акумуляторів, заряджених від електромережі. Водневий варіант представляє більші технологічні проблеми вартості та довговічності паливних елементів, а також великої місткості бортового зберігання водню. Варіант акумулятора готовий до впровадження найближчим часом, але вимагає більш високих акумуляторів щільності енергії для розширеного пробігу, а також швидкої зарядки або заміни акумулятора альтернативою тривалому часу зарядки акумулятора.

Комбіноване тепло і потужність

Електроенергія в Сполучених Штатах виробляється здебільшого від електростанцій центральних станцій з ефективністю перетворення приблизно від 30 до 35 відсотків. Тобто на кожні 100 одиниць енергії палива в просту циклічну центральну електростанцію ми отримуємо лише від 30 до 35 одиниць електроенергії. Залишок енергії в паливі втрачається в атмосферу у вигляді тепла.

Теплові вимоги наших будівель та споруд, як правило, забезпечуються на місці за допомогою котла або печі. Ефективність цього обладнання покращилася з роками, і зараз прийнято мати котли та печі на комерційних та промислових об'єктах з ефективністю 80 відсотків і вище. Тобто на кожні 100 одиниць енергії палива в котл/піч ми отримуємо близько 80 одиниць корисної теплової енергії.

Комерційні та промислові об'єкти, які використовують звичайну енергетичну систему, знайдену в Сполучених Штатах (електроенергія, що постачається з електричної мережі та теплова енергія, вироблена на місці за допомогою котла/печі), часто відчувають загальну ефективність палива від 40 до 55 відсотків ( фактичний ККД залежить від співвідношення теплоти до потужності приміщення).

Комбінована теплоенергетика (ТЕЦ) - це форма розподіленої генерації. Це інтегрована система, розташована біля будівлі/об'єкта або поблизу нього, яка генерує електроенергію комунального класу, яка задовольняє принаймні частину електричного навантаження об'єкта, і захоплює та переробляє відпрацьоване тепло від електрогенеруючого обладнання для забезпечення корисної теплової енергії об'єкту.

Звичайна ТЕЦ (також звана як ТЕЦ) використовує єдине виділене джерело палива для послідовного отримання корисної електричної та теплової енергії. На малюнку\(\PageIndex{2}\) представлена схема типового циклу доливки ТЕЦ системи. Різноманітні викопні види палива, відновлювані види палива та відходи використовуються як вхідне паливо для живлення основного двигуна, який генерує механічну потужність валу (виняток становлять паливні елементи). Основні двигуни можуть включати поршневі двигуни, газові турбіни, парові турбіни або паливні елементи. Механічна потужність валу перетворюється на електроенергію корисного класу через високоефективний генератор. Оскільки система ТЕЦ розташована біля будівлі/об'єкта або поруч з ним, тепло, втрачене через первинний двигун, може бути перероблено через теплообмінник і забезпечувати нагрів, охолодження (абсорбційні чилери) та/або осушення (осушувачі) для задоволення теплового навантаження будівлі. Ці системи можуть досягти ефективності використання палива від 75 до 85 відсотків (порівняно зі звичайною енергетичною системою приблизно від 40 до 55 відсотків).

Рисунок\(\PageIndex{2}\) Звичайна (Topping Cycle) Діаграма ТЕЦ ілюструє типовий цикл доливання систем ТЕЦ. Джерело: Джон Каттика

У нашому прикладі 100 одиниць палива в ТЕЦ виробляється лише від 30 до 35 одиниць електроенергії, але ще 40-50 одиниць енергії палива можуть бути відновлені та використані для виробництва теплової енергії. Це говорить нам про те, що для того, щоб звичайні системи ТЕЦ досягли високого рівня ефективності, необхідно використовувати відновлену теплову енергію. Таким чином, ключовим фактором для звичайних систем ТЕЦ є збіг електричних і теплових навантажень в будівлі. Це показано на малюнку\(\PageIndex{3}\). Вісь «Y» являє собою вартість вироблення електроенергії за допомогою системи ТЕЦ, яка використовує 32-відсотковий ефективний поршневий двигун. Вісь «X» являє собою вартість природного газу, який використовується для роботи системи ТЕЦ, а також значення природного газу, що витісняється, якщо рециркульоване тепло від двигуна може бути використано. Лінії на графіку показують різні рівні відновлюваного тепла, доступного від двигуна. Якщо тепло не відновлюється (не використовується для теплової енергії), вартість генерації електроенергії за допомогою ТЕЦ становить 0,08/кВт-год. При відновленні повної кількості тепла від двигуна (повне використання теплової енергії) вартість вироблення електроенергії за допомогою ТЕЦ потім падає до 0,03/кВт-год.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) Важливість графіка рекуперації відпрацьованого тепла показує важливість рекуперації відпрацьованого тепла в системах ТЕЦ. Джерело: Джон Каттика

Оскільки висока ефективність системи ТЕЦ залежить від ефективного використання відновлюваного тепла, системи ТЕЦ часто мають розміри в рази, щоб задовольнити теплове навантаження програми, а кількість виробленої електроенергії є побічним продуктом. Електроенергія використовується для відключення встановленої електроенергії, придбаної в іншому випадку у місцевої електромережі. Коли ТЕЦ не виробляє достатню кількість електроенергії для задоволення навантаження, комунальне підприємство подає різницю від мережі. Коли система ТЕЦ (розмір від теплових вимог) виробляє більше електроенергії, ніж вимагає навантаження, надлишкова електроенергія може бути продана місцевій комунальній службі (як правило, за уникненою вартістю електроенергії комунальному підприємству).

Існує три загальних режими роботи генераторів на місці ТЕЦ щодо електромережі:

• Автономний (повністю ізольований від сітки)
• Ізольовані від сітки з утилітою резервного копіювання (при необхідності)
• Паралельна робота з сіткою

Переважний режим роботи - паралельний з сіткою. Як на місці ТЕЦ, так і інженерна мережа живлять об'єкт одночасно. При правильній проклейке і налаштуванні системи ТЕЦ паралельний режим роботи забезпечує найбільшу гнучкість. Якщо сітка знизиться, система ТЕЦ може продовжувати працювати (наприклад, під час північно-східного затемнення 2003 року та урагану «Катріна» 2005 року), і якщо система ТЕЦ знизиться, комунальна мережа може подавати електроенергію на навантаження. Загальна надійність потужності до навантаження підвищується.

Основними компонентами звичайної (цикл доливання) ТЕЦ системи є:

• Prime Mover, який генерує механічну енергію вала
  • Поршневий двигун
  • Турбіни (газові, мікро-, парові)
  • Паливний елемент (паливні елементи використовують електрохімічний процес, а не механічний процес вала)
• Генератор перетворює енергію механічного вала в електричну
  • Синхронний генератор (забезпечує максимальну гнучкість і незалежність від мережі)
  • Індукційний генератор (сітка виходить з ладу - система ТЕЦ перестає працювати)
  • Інвертор (використовується в основному на паливних елементах - перетворює потужність постійного струму в корисну потужність змінного струму)
• Рекуперація відпрацьованого тепла - це один або кілька теплообмінників, які захоплюють і переробляють тепло від основного двигуна
• Теплове обладнання для утилізації перетворює перероблене тепло в корисне опалення, охолодження (абсорбційні чилери) та/або осушення (осушувачі осушувачів)
• Операційні системи управління гарантують, що компоненти ТЕЦ функціонують належним чином разом

Зменшення викидів CO ₂

У 2007 році компанія McKinsey & Company опублікувала дослідження щодо скорочення викидів парникових газів у США. У звіті проаналізовано вартість та потенційний вплив понад 250 варіантів технології щодо внеску у скорочення викидів CO2. Два висновки, викладені в доповіді:

• Можливості боротьби з викидами сильно фрагментовані і поширюються по всій економіці.
• Майже 40 відсотків зменшення викидів може бути досягнуто за негативних граничних витрат.

Малюнок\(\PageIndex{4}\) підкреслює обидва ці моменти. Цікаво зазначити, що ТЕЦ (як промислове, так і комерційне застосування) при відповідному розмірі та встановленні забезпечує скорочення CO ₂ за негативною граничною вартістю. Усі технології, які показують негативну граничну вартість на графіку, генерують позитивну економічну віддачу протягом життєвого циклу технології. На малюнку також показано, що з точки зору економічної ефективності широкого спектру технологій боротьби з викидами, заходи з енергоефективності набагато ефективніші, ніж відновлювані, ядерні та чисті технології видобутку вугілля. Технології ТЕЦ виділяються як негативні граничні витрати та загальну позитивну економічну ефективність, порівнянну з більшістю заходів з енергоефективності.

На малюнку показана вартість технологій зменшення CO2. Джерело: Національна лабораторія Оук-Рідж (2008), стор. 13, і McKinsey & Company, «Скорочення викидів парникових газів в США: скільки за яку ціну? ,» Грудень, 2007

Застосування ТЕЦ

Сьогодні в Сполучених Штатах налічується понад 3500 теплових установок, що становить понад 85 000 МВт електроенергії. Це становить приблизно 9 відсотків від загальної потужності виробництва електроенергії в Сполучених Штатах. 85 000 МВт встановленої ТЕЦ зменшує споживання енергії на 1,9 квадроциклів (10 ¹⁵ Бт) щорічно і ліквідує приблизно 248 мільйонів метричних тонн (млн т) CO ₂ щорічно.

Системи ТЕЦ, як правило, більш привабливі для додатків, які мають одну або кілька з наступних характеристик:

• Гарне збіг електричних і теплових навантажень
• Максимальна різниця витрат між вартістю електроенергії від локальної комунальної мережі та вартістю палива, що використовується в ТЕЦ (іскра розповсюдження)
• Тривалий робочий час (зазвичай більше 3000 годин щорічно)
• Потреба в хорошій якості електроенергії та надійності

Нижче наведено лише деякі типи додатків, де ТЕЦ має сенс:

• Лікарні
• Коледжі та університети
• Вищі школи
• Фітнес-центри
• Офісні будівлі
• Готелі
• Центри обробки даних
• Тюрми
• Целюлозно-паперові комбінати
• Хімічні виробничі заводи
• Виготовлення металоконструкцій
• Виробники скла
• Етанолові заводи
• Харчові заводи
• Очисні споруди стічних вод
• Тваринницькі господарства

Переваги ТЕЦ

ТЕЦ — не єдине рішення наших енергетичних проблем. Насправді ТЕЦ не є найбільш економічно ефективним рішенням у всіх додатках або у всіх областях країни. Існує безліч змінних, що визначають життєздатність теплових установок. Однак при дотриманні технічних і фінансових вимог заявки добре спроектована, змонтована та експлуатована ТЕЦ дає переваги власнику об'єкта (кінцевому споживачеві), електропостачальнику та суспільству в цілому. Висока ефективність, досягнута системою ТЕЦ, забезпечує кінцевому споживачеві менші загальні витрати на електроенергію, підвищену надійність електроенергії, покращену якість електроенергії та покращену енергетичну безпеку. У районах, де розподільна мережа електромереж потребує розширення та/або модернізації, системи ТЕЦ можуть забезпечити електромережі засобом відстрочення дорогих модифікацій у мережу. Хоча електроенергія, вироблена на місці кінцевим споживачем, витісняє електроенергію, придбану у місцевої електромережі, і багатьма комунальними службами розглядається як втрачений дохід, енергоефективність та менші витрати на комунальні послуги відповідають найкращим інтересам замовника комунальних послуг і повинні розглядатися як розумний клієнт варіант за допомогою перспективних комунальних послуг, орієнтованих на клієнта. Нарешті, суспільство в цілому виграє від високої ефективності, що реалізується системами ТЕЦ. Висока ефективність призводить до зменшення кількості забруднювачів повітря (зниження викидів парникових газів та NOx), ніж виробляється з електростанцій центральних станцій.

Відпрацьоване тепло для живлення

Існує другий тип системи ТЕЦ, званий як відпрацьоване тепло до енергії (Дниз циклу ТЕЦ). На відміну від звичайних ТЕЦ, де спеціальне паливо спалюється в первинному двигуні, системи Waste Heat to Power ТЕЦ захоплюють тепло, інакше витрачається даремно в промисловому або комерційному процесі. Відпрацьоване тепло, а не технологічне паливо, стає джерелом палива для відпрацьованого тепла в енергосистему. Він використовується для отримання пари або гарячої води, яка, в свою чергу, використовується для приводу парової турбіни або (для більш низьких температур) органічного теплового двигуна циклу Ренкіна. При цьому відпрацьоване тепло від промислового/комерційного процесу перетворюється в електроенергію. Малюнок\(\PageIndex{5}\).

Рисунок. Діаграма ТЕЦ «\(\PageIndex{5}\)Відпрацьоване тепло до енергії» (нижній цикл) ілюструє систему ТЕЦ, що відпрацьовується теплоенергія (нижній цикл). Джерело: Джон Каттика

Резюме

Комбінована теплоенергетика (ТЕЦ) є перевіреним та ефективним короткостроковим варіантом альтернативної енергетики, який може підвищити енергоефективність, забезпечити якість навколишнього середовища та сприяти економічному зростанню. Концепція генерації електроенергії на місці дозволяє захоплювати та переробляти відпрацьоване тепло від основного двигуна, забезпечуючи ефективність використання палива до 75 до 85 відсотків. Як і інші види альтернативної енергетики, ТЕЦ слід розглядати і включати в будь-який портфель енерговаріантів.

Посилання

1. Крабтрі, Г.В., Дресселхаус, М.С., і Б'юкенен, М.В. Воднева економіка, Фізика сьогодні, 57, 39-45. Отримано 2 вересня 2011 року з tecnet.pte.enel.it/депозита/т... en_economy.pdf
2. Крабтрі, Г.В. та Дрессельхаус, магістр наук (2008). Альтернатива водневого палива. Бюлетень МРС, 33, 421-428. Отримано 2 вересня 2011 року з www.physics.ohio-state.edu/~ w... ergy/hfuel.pdf
3. Дусетт, Р.Т. та Маккаллох, доктор медичних наук (2011). Моделювання викидів CO2 від акумуляторних електромобілів з урахуванням сумішей виробництва електроенергії різних країн. Енергетична політика, 39, 803-811. doi: 10.1016/j.enpol.2010.10.054
4. Еберле, У. і Гельмольт, Р.В. Сталий транспорт на основі концепцій електромобілів: короткий огляд. Енергетика та екологічні науки, 3, 689-699. doi: 10.1039/C001674H
5. Національна лабораторія Оук-Рідж. Комбінована теплоенергетика, ефективні енергетичні рішення для сталого майбутнього. Отримано 26 вересня 2011 року з www.1.eere.energy.gov/промисловість... port_12-08.pdf

Запитання

1. Транспорт покладається майже виключно на своє паливо на нафту, ціна якої значно коливається у відповідь на глобальну геополітику і довгострокова доступність якої обмежена. Які мотиви кожного із зацікавлених сторін, включаючи громадян, компаній та урядів, знайти альтернативи нафті як транспортному паливу?
2. Електроенергія може замінити нафту як транспортне паливо двома способами: бортовим виробництвом у водневому паливному елементі, і шляхом зберігання на борту в акумуляторі. Які дослідження та розробки, інфраструктурні та виробничі проблеми повинні бути подолані, щоб кожен із цих варіантів електрифікації був широко розгорнутий?
3. Автомобілі з електричним та бензиновим приводом використовують енергію та виділяють вуглекислий газ. Що є більш стійким?
4. Як бензинові, акумуляторні та гібридні автомобілі (наприклад, Prius) порівнюють за (i) енергоефективність, (ii) викиди вуглецю та (iii) зменшення залежності від іноземної нафти?
5. Що керує ефективністю системи в звичайній системі ТЕЦ?

6. Щоб забезпечити високу ефективність системи, як би ви розмістили звичайну систему ТЕЦ?

7. Який спосіб експлуатації системи ТЕЦ є кращим, що забезпечує максимальну гнучкість з інженерною мережею?

8. Чому системи ТЕЦ вважаються однією з найбільш економічно ефективних методів боротьби з викидами CO2?

9. Назвіть як мінімум три характеристики застосування, які роблять ТЕЦ привабливим вибором.

Глосарій

Гібридний автомобіль

Автомобіль, який містить дві системи приводу, одну на основі двигуна внутрішнього згоряння і одну на електродвигуні. Звичайні гібриди, такі як Toyota Prius, використовують електродвигун тільки тоді, коли потрібна велика потужність: починаючи від зупинки, проїжджаючи, і йдучи в гору. Електроенергія для запуску двигуна генерується на борту генератора змінного струму, що працює від двигуна внутрішнього згоряння, і шляхом регенеративного розриву. Вставні гібриди, такі як Chevy Volt, навпаки, використовують електродвигун в якості головного приводу для автомобіля, спираючись на бензиновий двигун тільки тоді, коли акумулятор розряджений або порожній.

Двигун внутрішнього згоряння

Двигун, який перетворює хімічну енергію бензину в механічну енергію руху, шляхом вибуху невеликої кількості палива в обмеженому просторі нерухомого циліндра, що містить рухомий поршень. Точна кількість палива повинна бути дозована, і іскра, створена в точний момент шляху поршня, щоб виробляти максимальну вибухову силу для приводу поршня. Двигун внутрішнього згоряння - це інженерне диво (слово інженерія відзначає його), вдосконалене понад століття. На відміну від цього, електродвигун набагато простіше, ефективніше і менш витратний при тій же потужності.

Точка виробництва

Перший (або хоча б ранній) крок енергетичного ланцюга, де енергія, яка в кінцевому підсумку буде виконувати функцію в точці використання, вкладається в свою робочу форму. Для автомобілів з бензиновим приводом це нафтопереробний завод, де бензин виробляється з сирої нафти, для автомобілів, що працюють на акумуляторах, це електростанція, де виробляється електроенергія. Бензин потім подається на насос і, нарешті, в автомобіль, де він перетворюється (точка використання) в механічний рух двигуном. Аналогічним чином електроенергія подається до акумулятора електромобіля мережею, і перетворюється електродвигуном автомобіля (точкою використання) в механічний рух.

Точка використання

Останній крок енергетичного ланцюга, де енергія виконує свою передбачувану функцію. Для транспортних засобів це перетворення хімічної енергії в бензинових автомобілей або електричної енергії в автомобілів-акумуляторах в рух коліс, які рухають автомобіль по дорозі.

Абсорбційний чиллер

Використовує тепло замість механічної енергії для забезпечення охолодження. Тепловий компресор (підживлюється відпрацьованим теплом від системи ТЕЦ) використовується замість механічного компресора з електричним приводом в процесі охолодження.

Уникнення витрат на електроенергію

Граничні витрати для комунального підприємства виробляють ще одну одиницю потужності.

Комбінована теплоенергетика (ТЕЦ)

Інтегрована система, розташована в будівлі чи об'єкті або поблизу неї, яка генерує електроенергію комунального класу, яка задовольняє принаймні частину електричного навантаження об'єкта та захоплює/переробляє відпрацьоване тепло від електрогенеруючого обладнання для забезпечення корисної теплової енергії об'єкту.

Звичайна ТЕЦ (ТЭЦ циклу доливання)

Використовує єдине виділене джерело палива для послідовного отримання корисної електричної та теплової енергії.

Адсорбційний Осушення

Процес, який видаляє вологу (приховане навантаження) з будівельного повітряного потоку, пропускаючи повітря над колесом осушувача (як правило, силікагель). Рекуперація тепла від системи ТЕЦ використовується для регенерації осушувача шляхом виведення вологи з колеса осушувача назовні.

Паливний елемент

Екзотермічна електрохімічна реакція, яка поєднує іони водню та кисню через електролітний матеріал для отримання електроенергії (постійного струму) та тепла.

газова турбіна

Двигун внутрішнього згоряння, що складається в основному з повітряного компресора, камери згоряння та турбінного колеса, яке обертається розширюються продуктами згоряння.

Індукційний генератор

Перетворює потужність механічного вала від основного двигуна CHP на потужність змінного струму корисного класу. Індукційний генератор може працювати тільки при підключенні до зовнішнього джерела реактивної потужності (зазвичай забезпечується інженерною мережею).

Інвертор

Перетворює електроенергію постійного струму в комунальну електроенергію змінного струму. Зазвичай використовується з системами паливних елементів.

Органічний цикл Ренкіна (ORC)

Використовує органічну рідину з високою молекулярною масою зі зміною фази рідина-пара або температурою кипіння, що відбувається при більш низькій температурі, ніж зміна фази водяної пари. Рідина дозволяє рекуперації тепла циклу Ренкіна з джерел нижчої температури, де тепло перетворюється на корисну роботу, яка потім може бути перетворена в електрику.

Прем'єр-рушійник

Термін, який використовується для позначення обладнання системи ТЕЦ, що перетворює вхідне паливо в механічну потужність вала (поршневий двигун, газотурбінна, парова турбіна, мікротурбіна).

Поршневий двигун

Тепловий двигун, який використовує один або кілька поршневих поршнів для перетворення тиску в механічний обертовий вал потужності.

Парова турбіна

Використовує цикл Ренкіна для вилучення тепла з пари та перетворення тепла в механічну потужність вала шляхом розширення пари від високого тиску до низького тиску через лопатки турбіни.

Синхронний генератор

Перетворює потужність механічного вала від основного двигуна CHP на потужність змінного струму корисного класу. Синхронний генератор є самозбуджуючим (містить власне джерело реактивної потужності) і може працювати незалежно від інженерної мережі або ізольовано від неї.

Відпрацьоване тепло в електроенергію (Днизовий цикл ТЕЦ)

Захоплює відпрацьоване тепло, що утворюється промисловим або комерційним процесом, використовуючи відпрацьоване тепло як вільне джерело палива для виробництва електроенергії.

Щільність енергії

Енергія, що міститься в обсязі або масі, поділена на обсяг або масу, яку вона займає. Матеріали з високою щільністю енергії упаковують велику енергію в невеликий простір або масу; матеріали з низькою щільністю енергії вимагають більше місця або маси для зберігання однакової кількості енергії. Електрична енергія акумуляторів знаходиться на низькому кінці шкали щільності енергії, хімічна енергія бензину знаходиться на високому кінці, приблизно в 30-50 разів більше, ніж акумуляторів.