Комбинирано производство на енергия в сгради

При производството на електрическа енергия от изкопаеми горива отпадната топлина може да бъде възстановена от охлаждащата вода и димните газове и да се използва за отопление на помещения, подгряване на битова гореща вода и за абсорбционни чилъри.

В сравнение с конвенционалните котли, системите за комбинирано производство на енергия в сгради са с много по-висока ефективност, което допринася за пестенето на гориво, намаляване на емисиите на парникови газове и редуциране на разходите за потребление на електрическа енергия.

Повечето такива инсталации работят паралелно с мрежата, за да може сградата да бъде частично снабдявана с електроенергия и от нея, или пък за да се подава енергия от инсталацията към мрежата.

В последните няколко години се наблюдава тенденция на прилагане на когенерация в сгради (в комбинация с батерии и резервоари) в изолирани райони, които не са свързани към електроенергийната разпределителна мрежа или в които електроснабдяването не е много надеждно. Освен това те не работят с дизелово гориво, а с екологосъобразните рапично масло и биодизел.

Технологиите за когенерация в жилищни, търговски и административни сгради могат да бъдат класифицирани в зависимост от техния първичен двигател и от източника на енергия. Освен базираните на двигатели с вътрешно горене и микротурбини системи за сградна когенерация, най-обещаващи в дългосрочен план са технологиите с горивни клетки и двигатели на Стърлинг, заради потенциала им за постигане на висока ефективност и ниски нива на емисиите.

Технологии за сградна когенерация
Системите за когенерация с двигатели с вътрешно горене са най-често прилагани за маломащабно производство на електричество и топлина чрез възстановяване на енергията от димните газове, моторното масло и охлаждащата вода. Това се дължи на факта, че технологията е доказана, устойчива и надеждна.

Предлагат се в широка гама от размери с мощност от няколко киловата до повече от 10 MW, което ги прави подходящи за когенерация в жилищни, търговски, административни и малки индустриални сгради. В повечето случаи за сградна когенерация се ползват двигатели с вътрешно горене с искрово запалване и мощност по-ниска от 30 kW.

Механичната сила на двигателя завърта генератора и генерира електрическа енергия, а топлината от димните газове, охлаждащата вода и моторното масло се оползотворява за задоволяване на топлинните нужди на сградата. В търговския сектор се използват когенерационни системи с капацитет между 50 и 100 kW. Те са подходящи за многофамилни жилищни сгради, хотели, болници и административни сгради, но системите за когенерация за еднофамилни жилища рядко са с капацитет над 4 kW.

Горивните клетки все още се считат за развиваща се технология, която има потенциал както за генериране само на електрическа енергия, така и за когенерация, и то по екологосъобразен начин. Съществува възможност базираните на горивни клетки когенерационни системи да се превърнат в най-широко прилаганите за жилищни и малки търговски сгради, поради способността им да генерират електричество с относително висока ефективност в сравнение с конвенционалните централи, при значително редуцирани нива на емисиите на парникови газове.

В процес на разработка са няколко вида горивни клетки - алкални, с полимерна електролитна мембрана (PEM), с фосфорна киселина, стопени карбонати, твърди оксиди или метанол. Когато се прилагат за когенерация, очакваната ефективност на горивните клетки по отношение на електроенергията е 30-60%, а общата ефективност - между 70 и 90%.

Тези нива на ефективност се повишават в зависимост от метода на производство на горивото - при някои клетки е необходимо горивото да се преобразува, докато други могат да го използват директно. Предимствата на системите за когенерация с горивни клетки включват ниски нива на шум, малка необходимост от поддръжка, отлично управление при частично натоварване, ниски емисии и потенциал за висока ефективност, дори и при малки инсталации.

Двигателите на Стърлинг постепенно започват да се завръщат на пазара. Технологията им все още не е напълно развита, но при прилагането й за когенерация е с потенциал за постигане на висока ефективност, гъвкавост по отношение на горивото, ниски емисии, ниски нива на шум и вибрации, както и добра производителност при частично натоварване.

За разлика от двигателите с вътрешно горене, източникът на топлинна енергия е външен (нагревател или топлообменник), което позволява използването на изкопаеми горива и възобновяеми източници, като соларна енергия или биомаса.

Газовите турбини за комбинирано производство на енергия в сгради се отличават със своята надеждност, малки размери и тегло. В момента усилията са насочени към разработването на микротурбини, които генерират едва няколко киловата електроенергия. Съвременните устройства постигат почти същата ефективност като двигателите с вътрешно горене, при по-ниски нива на емисиите на азотни оксиди и въглероден оксид.

Топлинната енергия с висока температура (> 500 °C) от микротурбините е подходяща за редица приложения, включително за охлаждане чрез абсорбционни системи. Микротурбините функционират аналогично на по-големите турбини, но електрическата им ефективност достига едва 15%. Този процент обаче може да бъде повишен с инсталирането на рекуператор, който предварително да подгрява използвания за горивния процес въздух с топлинната енергия от димните газове.

Това ще позволи и вариране на съотношението на произвежданата електрическа към топлинна енергия. Микротурбините все още са по-скъпи от двигателите с вътрешно горене, но заради малкото им подвижни части те са с по-ниски разходи за експлоатация и поддръжка. Очакваният експлоатационен период на микротурбините е над 40 000 часа.

Малки когенератори
В момента на пазара се предлагат редица малки агрегати (под 1 MW) за комбинирано производство на енергия. Повечето от тях се основават на технологията на двигателите с вътрешно горене, но могат да бъдат намерени и уреди, базирани на газови турбини. Те са със съотношение на електрическа към топлинна енергия 1:2, а топлинната им производителност обикновено е в границите 15-120 kW.

Предлаганите системи с газови двигатели са с искрово запалване и работят в близки до стехиометричните условия, което позволява използването на трипътни катализатори за редуциране на емисиите, или пък са проектирани за експлоатация с бедна горивна смес.

Малките когенерационни системи често включват и решение за съхранение на топлинна енергия и допълнителни котли, които се използват когато потреблението надвишава количеството на произведената топлина.

За да се постигне висока ефективност по отношение на генерирането на електрическа енергия и да се оправдае инвестицията, малките когенератори трябва да работят при пълно натоварване и за много часове в годината. Това означава базово натоварване от гледна точка на отопление. За покриване на пиковите натоварвания и периоди с ниска стойност на произведената електроенергия се ползват обикновени котли.

В повечето случаи малките агрегати произвеждат електроенергия с ниско напрежение (400 V променлив ток). Тя може да бъде оползотворена за вътрешна употреба в свързаната сграда или да бъде частично или напълно прехвърлена към мрежата, ако тарифите са атрактивни и националното законодателство го позволява.

При изцяло дерегулиран пазар такива системи могат да се използват и за други услуги като балансиране на електроенергийната система за разпределение например.

За да се осигурят максимален брой часове на експлоатация, е възможно малкият агрегат да се прилага и за охлаждане, т. е. да се извършва тригенерация - производство на електроенергия, енергия за отопление и такава за охлаждане. Това е изключително подходящо за офис сгради, търговски центрове и болници, където често има допълнителна нужда от охлаждане. За целта топлинната енергия от когенератора се използва в абсорбционен чилър.

С цел осигуряване на гъвкавост при експлоатация, към когенерационните системи се свързват резервоари за съхранение на топлинна енергия (буферни резервоари). Те позволяват системата да работи за по-дълъг период при пълно натоварване, дори когато действителното потребление е по-малко от количеството генерирана от агрегата топлинна енергия. Излишната топлина се съхранява в резервоара, а когато той е напълно зареден с гореща вода, когенераторът може да бъде спрян.

Експлоатацията на малките системи за когенерация само при пълно натоварване гарантира висока ефективност при производството на електроенергия. Максималното производство на електрическа енергия може да бъде пренасочено към времевите интервали с най-добрите цени чрез разумното управление на резервоара.

Резервоарите могат да бъдат вертикални или хоризонтални и да бъдат разположени на открито или на закрито място, под или над земната повърхност. Те представляват стоманени резервоари с изолация и специално конструирани входни и изходни отвори за предотвратяване на смесването на топлите и студените слоеве.

Малките системи за комбинирано производство се инсталират в най-различни сгради - многофамилни жилищни, болници, училища, музеи, офиси, спортни центрове, оранжерии, търговски центрове и др. Те обикновено са с ефективност за производство на електроенергия между 25 и 30%, а общата ефективност достига 85-95%.

Микрокогенератори
Микрокогенерацията се отнася до маломащабно комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия в търговски и обществени сгради, апартаменти и отделни къщи. Съгласно европейското законодателство микрокогенераторите са инсталации с електрическа мощност под 50 kW. С възможността за постигане на обща ефективност над 85%, тези системи могат да задоволят нуждите за отопление или охлаждане на помещения и подгряване на топла вода, като осигуряват и електрическа енергия.

Днес на европейския пазар се предлагат микроагрегати, базирани предимно на технологиите на двигател на Стърлинг, органичен цикъл на Ранкин или двигател с вътрешно горене, като всички се отличават с високо съотношение между генерираните топлинна и електрическа енергия. Основаващите се на горивни клетки системи за микрокогенерация все още са в етап на изпитвания.

Основното предимство на микроагрегатите е, че осигуряват сигурност на снабдяването и подобряват способността на електроенергийната мрежа за справяне с пикови натоварвания. Широкото им навлизане на пазара може да доведе и до енергийни спестявания за домакинствата и бизнеса, резултат от редуцирания внос на електричество и възможността за подаване на излишната електроенергия към мрежата.

Чрез генерирането на енергия на мястото на използване се намаляват и емисиите на въглероден диоксид и се избягват системните загуби, свързани с централизираното производство на електроенергия. Една микросистема за комбинирано производство с двигател може да спести около 1,7 т CO2 годишно от едно типично домакинство, а тези с горивна клетка с твърди оксиди - повече от 4 т CO2 годишно. Пазарни проучвания показват, че най-много микроагрегати се продават в Германия - резултат от схема за стимулиране, чрез която частично се покриват капиталовите разходи.

Предизвикателства
Пречките за широко разпространеното използване на когенерационни системи в сгради са няколко, като на първо място са разходите. Липсата на търсене на технологии за комбинирано производство на енергия в сгради ограничава степента, до която може да се проучат въздействията от употребата им. Значителните разходи, необходими при разработването на продуктите пък означават, че цените на тези системи за момента са доста високи и възпрепятстват навлизането им на пазара.

Друга пречка е липсата на информираност за когенерацията в сградни условия, както и това, че няма единна акредитационна система за продуктите и инсталаторите. По този начин потребителите не са достатъчно стимулирани да закупят малки агрегати, тъй като не са запознати с качеството и характеристиките на продуктите.

Предизвикателство е и фактът, че все още няма цялостен подход по отношение на свързването на микрокогенераторите към електроенергийната разпределителна мрежа.