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熱電聯產

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三重熱電聯產循環（Trigeneration cycle）
可持續能源
Wind turbines near Vendsyssel, Denmark (2004)
概述
節約能源
可再生能源
可持續交通系統

熱電聯產（又稱汽電共生，英語：Cogeneration, combined heat and power，縮寫：CHP），是利用熱機[1]或發電站同時產生電力和有用的熱量。三重熱電聯產（Trigeneration）或冷卻，熱和電力聯產（CCHP）"是指從燃料燃燒或太陽能集熱器中同時產生電和有用的熱量和冷卻。

熱電聯產是燃料的熱力學有效使用。 在單獨的電力生產中，一些能量必須作為廢熱被丟棄，但是在熱電聯產中，這些熱能中的一些被投入使用。所有熱電廠在發電期間排放的熱量，可以通過冷卻塔，煙道氣或通過其它方式釋放到自然環境中。相反，熱電聯產捕獲一些或全部用於加熱的副產物，或者非常接近於工廠，或者特別是在斯堪的納維亞和東歐，作為用於生活區域加熱的熱水，溫度範圍為約80至130℃。這也稱為「熱電聯產區域供熱」（combined heat and power district heating, 縮寫CHPDH）。小型熱電聯產廠是分散式發電的一個例子[2]。在中等溫度（100-180℃，212-356°F）下的副產物熱量也可以用於吸附式製冷機中以進行冷卻。

熱電聯產為一種工業製程技巧，利用發電後的廢熱用於工業製造或是利用工業製造的廢熱發電，達到能量最大化利用的目的。以先發電式來說由於傳統發電機效率只有30%左右，高達70%燃料能量被轉化成無用的熱，汽電共生能再利用30%的熱能於工業，使燃料達到60%效率。系統使用了各種工業機具原本就會在運作中所產生的廢熱，等於所發的電都是額外的收益。

概述

丹麥的一個應用範例，生物柴油發電廠的廢熱可用來加熱園藝用溫室。

熱力發電廠（包括使用易裂變材料或燃燒煤，石油或天然氣的熱力發電廠）和一般的熱機不將所有的熱能轉換成電能。在大多數熱機中，略多於一半的熱量作為多餘的熱量被損失（參見：熱力學第二定律和卡諾定理）。通過捕獲多餘的熱量，熱電聯產(CHP)使用在常規發電廠中浪費的熱量用於加熱，有潛力達到高達80％的燃料效率[3]。這意味着能夠消耗更少的燃料而產生同樣多的有用能量。

當熱量可以在現場使用或非常接近時，熱電聯產是最有效的；但當熱量必須傳輸較長距離時，總效率則降低：這需要高度隔熱的管道，其價格昂貴並且低效；而電可以沿着相對簡單的電線傳輸，並且對於相同的能量損耗可以在更長的距離上傳輸。

在冬季寒冷的地區，常見在汽車發動機的散熱器上連接管道、將熱水導入車廂內進行加熱的做法，此時發動機變成熱電（以及機械動力）聯產設備。該示例說明了熱電聯產的部署取決於熱的利用是否集中於熱機附近的觀點。

在法國梅斯的一座熱電聯產廠。45兆瓦鍋爐使用廢木材的生物質作為能源，為30,000棟住宅供電和供熱。

熱電聯產是在寒冷氣候中減少供熱系統碳排放的最具成本效益的方法[4]，被認為是將能源從化石燃料或生物質轉化為電力的最節能的方法[5] 。熱電聯產廠通常在城市的區域供熱（英語：District heating）系統、醫院、監獄等建築物的中央供暖系統中使用，並且通常用於工業用水、冷卻、蒸汽生產等產熱過程中。

類型

先發電式

鍋爐蒸氣先用於發電，用剩的蒸氣熱能再投入某種工業製程，同時發的電也投入工業製程，剩電賣給電網。

適合中等溫度製程的產業：食品、造紙、化工、養殖、農業 現有系統：

  • 燃氣渦輪機外掛廢熱爐式
  • 燃氣渦輪機式
  • 蒸氣渦輪機式
  • 複合循環式
  • 柴油引擎式

後發電式

鍋爐蒸氣先用於某種工業製程，用剩的蒸氣熱能再投入發電，同時發的電也投入工業製程，剩電賣給電網。

適合高溫度製程的產業：冶金、玻璃、水泥

現有系統：

工廠類型

微型熱電聯產

微型熱電聯產(MicroCHP, 或MCHP)是所謂的分佈式能源（DER），在房屋或小型企業中的安裝通常小於5kWe，而不是燃燒燃料僅僅加熱空間或水，除了熱以外，能量被轉換成電。這種電可以在家庭或商業中使用，或者如果電網管理允許，則被賣回電網。

Delta-ee顧問公司在2013年表示，在全球銷售的64％，燃料電池微型熱電聯產在2012年超過了常規系統銷售[6]。2012年在日本「Ene農場項目」中銷售了20,000台。使用壽命約60,000小時。對於在夜間關閉的PEM燃料電池單元，這相當於估計壽命為十年至十五年[7]。安裝前價格為22,600美元[8]。2013年，國家對50,000個單位的補貼已經到位[7]。

小型熱電聯產系統的發展為住宅級太陽能光伏（PV）陣列的內部電力備份提供了機會[9] 。在2011年的一項研究結果表明，PV + CHP混合系統不僅具有從根本上減少現有電力和供暖系統中的能源浪費的潛力，而且還使太陽能光伏的份額能夠擴大約五倍[9]。

微型熱電聯產裝置使用五種不同的技術：微型燃氣渦輪發動機，內燃機，斯特林發動機，閉式循環蒸汽機，和燃料電池。

三重熱電聯產

產生電，供熱和製冷的工廠稱為"三重熱電聯產"(Trigeneration)[10], 或多重聯產工廠。與吸附式製冷機相連的熱電聯產系統使用廢熱進行製冷[11]。

熱電聯產區域供熱

參見：紐約市地下蒸汽系統

在美國，聯合愛迪生公司(Consolidated Edison)通過其七個熱電聯產工廠每年向曼哈頓區的10萬棟建築分配660億公斤350°F（180°C）的蒸汽，這是美國最大的蒸汽區。峰值交付量為每小時1000萬磅（或約2.5GW）[12][13]。

分佈式發電

當適應建築物或需要永久的需要電力，供暖和製冷的建築群時，三重熱電聯產具有最大的好處。這樣的安裝包括但不限於：數據中心，製造設施，大學，醫院，軍事設施和學校。本地化三重熱電聯產具有分佈式發電（Distributed Generation）描述的附加好處。在任務關鍵型應用中冗餘的功率，更低的功率使用成本和將電力賣回本地電網的能力是幾個主要優點。即使對於小型建築物，例如單獨的家庭住宅三重熱電聯產系統，由於能源利用增加而提供優於熱電聯產的益處[14]。這種提高的效率還可以提供顯着減少的溫室氣體排放，特別是對於新社區[15]。

大多數工業國家在具有大電力輸出能力的大型集中設施中產生其大部分電力需求。這些工廠具有優良的規模經濟，但通常長距離傳輸電力，造成相當大的損失，對環境產生負面影響。只有在工業區，附加發電廠或城市的緊鄰地區存在足夠的需求時，大型發電廠才能使用熱電聯產或三重熱電聯產系統。在主要城市中具有三重熱電聯產應用的實例是紐約市蒸汽系統。

成本

通常，對於燃氣發電廠，每千瓦（kW）電力的完全安裝成本約為£400英鎊/ kW（$577美元），這與大型中央發電站相當[16]。

參見電源成本

參閱

參考資料

  1. ^ Cogeneration and Cogeneration Schematic （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, www.clarke-energy.com, retrieved 26.11.11
  2. ^ What is Decentralised Energy?. The Decentralised Energy Knowledge Base. [2016-11-05]. （原始內容存檔於2008-12-10）. 
  3. ^ Combined Heat and Power – Effective Energy Solutions for a Sustainable Future (PDF). Oak Ridge National Laboratory. 1 December 2008 [9 September 2011]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-03-29）. 
  4. ^ Carbon footprints of various sources of heat – biomass combustion and CHPDH comes out lowest. Claverton Energy Research Group. [2016-11-07]. （原始內容存檔於2011-10-05）. 
  5. ^ Cogeneration recognized to be the most energy efficient method of transforming energy. Viessmann. [2016-11-07]. （原始內容存檔於2016-08-08）. 
  6. ^ The fuel cell industry review 2013 (PDF). [2016-11-05]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-04-14）. 
  7. ^ 7.0 7.1 Latest Developments in the Ene-Farm Scheme. [15 May 2015]. （原始內容存檔於2016-04-14）. 
  8. ^ Launch of New 'Ene-Farm' Home Fuel Cell Product More Affordable and Easier to Install - Headquarters News - Panasonic Newsroom Global. [15 May 2015]. （原始內容存檔於2014-07-10）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Pearce, J. M. Expanding Photovoltaic Penetration with Residential Distributed Generation from Hybrid Solar Photovoltaic + Combined Heat and Power Systems. Energy. 2009, 34: 1947–1954. doi:10.1016/j.energy.2009.08.012. 
  10. ^ Clarke Energy - Fuel-Efficient Distributed Generation. Clarke Energy. [15 May 2015]. [永久失效連結]
  11. ^ Fuel Cells and CHP 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2012-05-18.
  12. ^ Newsroom: Steam. ConEdison. [2007-07-20]. （原始內容存檔於2007-08-21）. 
  13. ^ Bevelhymer, Carl. Steam. Gotham Gazette. 2003-11-10 [2007-07-20]. （原始內容存檔於2007-08-13）. 
  14. ^ Nosrat, A.H.; Swan, L.G.; Pearce, J.M. Improved Performance of Hybrid Photovoltaic-Trigeneration Systems Over Photovoltaic-Cogen Systems Including Effects of Battery Storage. Energy: 366–374. [2016-11-06]. doi:10.1016/j.energy.2012.11.005. （原始內容存檔於2020-04-19）. 
  15. ^ Nosrat, Amir H.; Swan, Lukas G.; Pearce, Joshua M. Simulations of greenhouse gas emission reductions from low-cost hybrid solar photovoltaic and cogeneration systems for new communities. Sustainable Energy Technologies and Assessments: 34–41. [2016-11-06]. doi:10.1016/j.seta.2014.06.008. （原始內容存檔於2020-04-19）. 
  16. ^ 38% HHV Caterpillar Bio-gas Engine Fitted to Sewage Works - Claverton Group. [15 May 2015]. （原始內容存檔於2019-08-19）. 

外部連結

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