تولید همزمان برق و حرارت (CHP) | به زبان ساده

ما در جهانی زندگی می‌کنیم که ذخایر نفت و گاز و زغال‌سنگ آن در حال اتمام است. این گفته شاید ناراحت کننده باشد، اما از این جهت خبر خوبی است که مصرف زیاد این سوخت‌‌ها روند گرمایش زمین را سریع‌تر کرده است. متأسفانه از آنجا که حدوداً ۸۰ تا ۹۰ درصد انرژی مورد نیاز در کل دنیا از سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود، نمی‌توان یک‌شبه مصرف آن‌ها را کاهش داد. اما یک پرسش وجود دارد: اکنون که انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی یا بادی نمی‌توانند نقش اصلی را در زمینه تأمین انرژی بازی کنند، چه می‌توان کرد؟ یک راه‌حل موجود این است که برخی از نیروگاه‌های خود را به سمت سیستم‌های متفاوتی به نام نیروگاه‌های ترکیبی برق و حرارت (Combined Heat and Power) یا CHP سوق دهیم. تولید همزمان برق و حرارت، امکان بهره‌وری‌ بهتر از سوخت‌های فسیلی را برای تأمین انرژی با ذخیره‌ حدوداً ۱۵ تا ۴۰ درصد انرژی مهیا می‌کند. این نیروگاه‌ها هم از نظر کاهش هزینه و هم برای کاهش اثرات زیست‌محیطی عملکرد مناسبی دارند. در این آموزش با نیروگاه‌های تولید همزمان برق و حرارت آشنا می‌شویم.

تولید همزمان برق و حرارت چیست؟

نیروگاه‌های متداول معمولاً از طریق یک فرایند ناکارآمد برق تولید می‌کنند. یک سوخت فسیلی مانند بنزین، زغال سنگ یا گاز طبیعی در یک کوره‌ بزرگ و طی فرایند احتراق، انرژی گرمایی آزاد می‌کند. این گرما برای جوشیدن و تبخیر آب استفاده می‌شود تا بخار حاصل یک توربین را بچرخاند، توربین ژنراتور را به حرکت در بیاورد و ژنراتور با چرخش خود برق تولید کند.

مشکل این چرخه این است که در هر مرحله میزان زیادی انرژی هدر می‌رود. آبی که جوشیده و به بخار تبدیل شده و قرار است توربین را به حرکت در بیاورد، باید در برج‌های خنک‌کننده بسیار بزرگی در هوای آزاد خنک شود که خود باعث از بین رفتن میزان زیادی انرژی می‌شود.

اکنون به این فکر کنید که به جای اینکه به گرمای تولید شده اجازه دهیم بدون هیچ فایده و کاربردی از برج‌های خنک‌کننده خارج شود، به عنوان آب گرم آن را به اماکن مسکونی، تجاری و صنعتی منتقل کنیم. ایده‌ اصلی در پس تولید همزمان (CHP) همین است: بازیابی گرمای تولید شده در فرایند تولید برق و استفاده از آن برای ساختمان‌های محلی. در واقع، در حالی که نیروگاه‌های معمولی گرمای اضافی تولید شده را هدر می‌دهند، یک نیروگاه‌ CHP، همزمان برق و آب گرم برای مصرف‌کننده تأمین می‌کند.

بازده نیروگاه CHP

بهره‌وری واقعی یک نیروگاه CHP به این بستگی دارد که چطور گرمای تولید شده را عرضه می‌کند. بازده نیروگاه CHP در حالتی بیشینه خواهد بود که نیروگاه به ساختمان‌های مصرف‌کننده نزدیک باشد. به بیان دیگر، نیروگاه CHP به عنوان نوعی منبع تأمین انرژی غیرمتمرکز با تعداد بالا و نزدیک به منابع مصرف‌کننده محلی، بهترین عملکرد را خواهد داشت.

فیلم آموزش طراحی نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک با پی وی سیست PVsyst در فرادرس

کلیک کنید

همچنین، از آنجا که برق در سیم‌ها جریان می‌یابد تا به دست مصرف‌کننده برسد، با کاهش مسافت میان نیروگاه و مصرف‌کننده، اتلاف انرژی به دلیل کاهش مقاومت کاهش می‌یابد. بدین ترتیب، ادارات، مدارس، هتل‌ها، بیمارستان‌ها و حتی ساختمان‌های مسکونی می‌توانند با احداث یک نیروگاه CHP در مقیاس کوچک یا به اصطلاح micro-CHP آب گرم و برق مورد نیاز خود را تأمین کرده و حتی برق اضافی تولیدی را به شبکه تزریق کنند.

از دیدگاه نظری، می‌توان به آسانی با فرستادن گرمای هدررفته از یک نیروگاه به ساختمان‌های مصرف‌کننده محلی، یک نیروگاه CHP احداث کرد، اما در عمل نیروگاه‌های CHP به طور کاملاً متفاوتی و با استفاده از ماشین‌های حرارتی متفاوت انرژی تولید می‌کنند. معمولاً در نیروگاه‌های CHP کوچک‌تر از موتورهای درون‌سوز (مانند موتور بنزینی در خودرو و موتور دیزلی در کامیون‌ها) برای چرخاندن ژنراتورهای برق و از مبدل‌های حرارتی برای استفاده از گرمای تولیدی در گرم کردن آب مصرفی استفاده می‌شود. اما در نیروگاه‌های بزرگ‌تر، از توربین‌های گازی و توربین‌های بخار با بازدهی بالا استفاده می‌شود. نیروگاه‌های CHP آینده احتمالاً از پیل‌های سوختی بهره می‌برند که سوخت آن‌ها گاز هیدروژن است.

اما تمام این‌ها به این معنی نیست که CHPها ایده‌های جدید و امتحان نشده‌ای هستند. اولین نیروگاه شناخته شده‌ جهان که در سال ۱۸۸۲ توسط توماس ادیسون در نیویورک ساخته شد، در ابتدا به صورت CHP طراحی شده بود. این نیروگاه گرما و برق ساختمان‌های منهتن را تأمین می‌کرد. در سال‌های متمادی به دلیل عجله‌ای که برای احداث نیروگاه‌هایی با سوخت ارزان زغال‌سنگ وجود داشته، ایده‌ نیروگاه‌های تولید همزمان مغفول مانده است. اکنون در این دوران که مسائل محیط‌زیستی به شدت چالش‌برانگیز شده‌اند، نیاز داریم این ایده‌ها را از نو کشف کرده و گسترش دهیم.

CHP چگونه کار می‌کند؟

شکل زیر طرح ساده شده‌ اجزای اصلی یک واحد متداول تولید همزمان میکرو-سی‌اچ‌پی را نشان می‌دهد. در عمل، چندین مبدل حرارتی، کاهنده‌ صدا و ارتعاشات و... وجود دارد که در اینجا برای کمک به سادگی فهم این فرایند حذف شده‌اند.

مراحل مشخص شده در این شکل، به شرح زیر هستند:

1. سوخت (زغال‌سنگ، گاز طبیعی، نفت یا زیست توده) به سیستم وارد می‌شود.
2. موتور (تقریباً به اندازه‌ موتور یک خودروی چهار سیلندر) تحت یک فرایند معمولی احتراق این سوخت را می‌سوزاند.
3. یک ژنراتور برق به محور (شفت) موتور وصل شده و توسط آن چرخانده می‌شود.
4. بسته به ظرفیت سیستم، چند کیلووات برق تولید می‌شود که می‌تواند به عنوان یک منبع انرژی معمولی و یا ذخیره اضطراری استفاده شود.
5. گازهای خروجی از موتور برق در یک یا چند مبدل حرارتی جریان می‌یابند که از این طریق بیشتر انرژی گرمایی آن‌ها گرفته می‌شود.
6. یک مبدل کاتالیستی (شبیه آنچه در خودرو وجود دارد) مقداری از آلودگی گازها را می‌گیرد.
7. گازهای خروجی نسبتاً تمیز از یک دودکش یا لوله طویل خارج می‌شود.
8. آب سردی که وارد مبدل حرارتی شده با گرمای این گازها گرم شده و به دمای بالاتری می‌رسد. اگر این آب به اندازه‌ کافی گرم باشد، مستقیماً وارد رادیاتور شده و برای گرمایش استفاده می‌شود.

مزایا و معایب واحدهای تولید همزمان

برتری‌های مربوط به بازده این نیروگاه‌ها چنان که قبل‌تر اشاره شد، همچنان مطرح است، اما باید به مزایای محیط‌زیستی نیز توجه کرد. اگر از احتراق هر مقدار سوخت فسیلی جلوگیری کنیم، از تولید مقدار زیادی کربن دی اکسید و ورود آن به جوّ پیشگیری کرده‌ایم که خود اندکی از شدت روند گرمایش جهانی می‌کاهد. کاهش احتراق سوخت‌های فسیلی به کاهش آلودگی هوا و مشکلات مربوط به آن و همین‌طور کاهش آلودگی آب و باران‌های اسیدی نیز کمک می‌کند. جایگزینی نیروگاه‌های قدیمی با نیروگاه‌های تولید همزمان که بسیار کوچک‌تر هستند، از وابستگی ما به شبکه‌های متمرکز برق و آسیب‌پذیری نسبت به قطعی سراسری برق می‌کاهد. این نیروگاه‌ها، مانند نیروگاه‌های معمولی، با هر سوختی مانند نفت، گاز یا زیست‌توده کار می‌کنند.

البته نیروگاه‌های CHP معایبی نیز دارند، از جمله اینکه فناوری ساخت آن‌ها همچنان پیچیده و گران قیمت است و بنابراین، ساخت یک نیروگاه تولید همزمان سرمایه‌ اولیه بیشتری نیاز دارد. البته هزینه مربوط به صرفه‌جویی در مصرف انرژی این سرمایه را جبران می‌کند، اما هنوز هزینه‌ شروع برای احداث چنین نیروگاه‌هایی بالاتر نیروگاه‌های متداول است. همچنین هزینه‌های مربوط به تعمیر و نگهداری نیروگاه‌های CHP معمولا بالاتر است. مشکل دیگر این نیروگاه‌ها این است که نیروگاه‌هایی با مقیاس کوچک نسبت به نیروگاه‌های مقیاس بزرگ، برق را گران‌تر تولید می‌کنند. اما از همه‌ این‌ها مهم‌تر این است که این نیروگاه‌ها نیاز و وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی را تقویت می‌کنند، در حالی که باید این نیاز را کاهش داده و از بین ببریم.

در برخی از نقدها بیان می‌شود که CHP نسبت به فناوری‌های جدید جایگزین مانند پمپ‌های حرارتی با انرژی زمین‌گرمایی بهره‌وری کمی دارد. این فناوری‌ها که در مقیاس‌های بزرگ‌تر هم توسعه یافته‌اند، راه مناسبی برای روبه‌رو شدن با چالش تغییرات آب‌وهوایی هستند. گرمای تولید شده در نیروگاه‌های معمولی آن‌طور که ما تصور می‌کنیم هدر نمی‌رود؛ در واقع، گرمای اتلافی بخش ضروری چرخه تولید برق با بهره‌وری بالا در نیروگاه‌ها است و بهینه‌سازی این چرخه برای کاهش گرمای اتلافی منجر به کاهش تولید برق می‌شود. مشکل اینجاست که برق برای ما شکل مفیدتر و کاربردی‌تری از انرژی است. سرمایه‌گذاران مسئله را به گونه‌ دیگری می‌بینند: هزینه تولید برق از واحد کوچک CHP خودتان کمتر از هزینه خرید این مقدار برق از شبکه است و این برتری دیگر داشتن یک منبع پشتیبان برای تأمین برق مصرفی است.