Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας – ψύξης

Του κ. Μιχάλη Γρ. Βραχόπουλου*

Ο συμβατικός τρόπος κάλυψης των ηλεκτρικών και θερμικών φορτίων ενός καταναλωτή ή μιας ομάδας καταναλωτών είναι η αγορά ηλεκτρισμού από το εθνικό δίκτυο και η καύση κάποιου καυσίμου (λ.χ. σε λέβητα) για την παραγωγή θερμότητας και ζεστού νερού χρήσης. Ο μέσος βαθμός απόδοσης των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα είναι περίπου 40%, κάτι που σημαίνει ότι περίπου το 60% της ενέργειας του καυσίμου χάνεται ως θερμότητα στο περιβάλλον. Αυτό, σε συνδυασμό με την καύση πρωτογενούς καυσίμου (όπως είναι το πετρέλαιο, το αέριο κ.ά.) για την παραγωγή θερμικής ενέργειας με αποδόσεις 70 – 90%, δημιουργούν σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα και ιδιαίτερα σημαντική αποβολή θερμότητας στο περιβάλλον.

Παράλληλα, η αυξανόμενη ζήτηση για νερό και οι αυξανόμενες δαπάνες της παροχής νερού οδηγεί τις χώρες να μεγιστοποιήσουν τη χρήση των υπαρχουσών παροχών νερού και να χρησιμοποιήσουν ανεκμετάλλευτους έως τώρα τρόπους εξασφάλισης γλυκού νερού. Σε διάφορα μέρη του κόσμου έχουν αναπτυχθεί και έχουν εφαρμοστεί πολυάριθμες τεχνικές για τη βελτίωση της χρήσης και την αύξηση της διαθεσιμότητας των υδάτινων πόρων, όπως είναι η συλλογή όμβριων υδάτων, η επαναχρησιμοποίηση και την ανακύκλωση απόβλητου ύδατος και η αφαλάτωση. Ειδικά η χρήση επιφανειακών ή υπογείων δεξαμενών συλλογής και χρήσης βρόχινων υδάτων αποτελεί πρακτική αιώνων για τους κατοίκους νησιών του Αιγαίου, όπου οι βροχοπτώσεις είναι ιδιαίτερα περιορισμένες.

Εάν εφαρμοσθεί η συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ, στα αγγλικά: Cogeneration [Combined] Heat and Power [CHP]), η συνολική κατανάλωση καυσίμων μειώνεται σημαντικά. Η παραγόμενη θερμική ενέργεια, όπως προαναφέρθηκε, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση του κτιρίου, για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, καθώς και για ψύξη, και σε αυτό συμβάλλουν μηχανές προσρόφησης ή απορρόφησης που λειτουργούν με θερμότητα (ατμό ή θερμό νερό). Η τεχνολογία αυτή καλείται και «τριπαραγωγή» (Trigeneration (Combined Cool Heat and Power, CCHP).

Η χρονική περίοδος κατά την οποία απαιτείται θέρμανση των κτιρίων στην Ελλάδα είναι σχετικά μικρή (της τάξης των 4-6 μηνών). Έτσι, η εφαρμογή της ΣΗΘ στον κτιριακό τομέα αποκλειστικά για κάλυψη των θερμικών φορτίων δεν είναι τόσο αποδοτική, λόγω των περιορισμένων ετήσιων ωρών λειτουργίας. Τα κτίρια αυτά, όμως, έχουν και ανάγκες για ψύξη για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα (3-5 μήνες το έτος). Ψύξη μπορεί να παραχθεί από τη θερμότητα ενός σταθμού ΣΗΘ, μέσω των κύκλων απορρόφησης ή προσρόφησης, με μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας, ηλεκτρισμού και ψύξης (πολυπαραγωγής – τριπαραγωγής).

Η μέθοδος της τριπαραγωγής βρίσκει εφαρμογή στον κτιριακό τομέα, κυρίως σε νοσοκομεία, ξενοδοχεία, κτίρια γραφείων και εμπορικά κέντρα, ή σε συστήματα τηλεθέρμανσης – τηλεψύξης. Γενικά, χρησιμοποιείται σε κτίρια με ταυτόχρονες συνεχείς ανάγκες για ηλεκτρισμό και θέρμανση ή/και ψύξη που υπερβαίνουν τις 4.500 – 5.000 ώρες ετησίως.

Με τη συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας επιτυγχάνεται βελτίωση της απόδοσης καυσίμου, με ανάλογα περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη. Η συνολική αποδοτικότητα των σταθμών ΣΗΘ είναι θεωρητικά της τάξης του 85%. Στην Ελλάδα η συμπαραγωγή εφαρμόζεται μέχρι σήμερα μόνο σε μερικές βιομηχανίες μεγάλης κλίμακας. Με την αναμόρφωση της αντίστοιχης νομοθεσίας έχει εκκινήσει η εφαρμογή της σε μικρότερης κλίμακας βιομηχανίες και σε άλλες εγκαταστάσεις, όπως σε νοσοκομειακά συγκροτήματα, ενιαία τετράγωνα, κέντρα διαχείρισης κλπ., όπου παράγεται και ψύξη κατά τη θερινή (αλλά και τη χειμερινή) περίοδο.

Σημειώνεται ότι για λόγους βελτίωσης της ενεργειακής διαχείρισης είναι δυνατή και η εφαρμογή μικρών μονάδων συμπαραγωγής σε κτίρια ή συγκροτήματα κτιρίων που καλύπτουν ανάγκες ετήσιου κλιματισμού με σκοπό τη βελτίωση του ενεργειακού βαθμού απόδοσης και για καλύτερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα.

Ο σχεδιασμός της εγκατάστασης των μονάδων συμπαραγωγής ορίζεται μετά από αναλυτική μελέτη α) των απαιτήσεων σε ηλεκτρισμό και θερμότητα της μονάδας, β) της δυνατότητας προώθησης της ηλεκτρικής και της θερμικής ενέργειας προς τρίτους (αν αυτό είναι δυνατό), και γ) του κατά πόσο τα προβλεπόμενα χρονοδιαγράμματα αποπληρωμής οδηγούν σε συμφέρουσα οικονομική λύση. Η συνηθισμένη αναμενόμενη αποπληρωμή ορίζεται σε χρονική περίοδο μικρότερη ή ίση των επτά ετών.

Σημειώνεται ότι συνήθως η συμπαραγωγή σχεδιάζεται στη βάση της κάλυψης θερμικών και ψυκτικών αναγκών (θερινού κλιματισμού και αναγκών ψύξης), και τούτο διότι με βάση τη νομοθεσία, για να οριστεί μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού ως μονάδα συμπαραγωγής, απαιτείται να παρουσιάζει σε ετήσια βάση βαθμό ενεργειακής εκμετάλλευσης τέτοιο που να υπερβαίνει τα ελάχιστα από το νόμο καθοριζόμενα όρια. Τα όρια αυτά είναι διαφορετικά, αναλόγως του μεγέθους των μονάδων συμπαραγωγής.

Οφέλη

Με λίγα λόγια, τα οικονομικά οφέλη είναι τα εξής:

  • Το κόστος προμήθειας του καυσίμου (φυσικού αερίου) είναι λιγότερο από το κόστος προμήθειας πετρελαίου ή άμεσης παροχής ηλεκτρικής ενέργειας.
  • Το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι μικρότερο ή το πολύ ίσο με το κόστος προμήθειάς της από τις επιχειρήσεις ηλεκτρισμού.
  • Η παραγωγή θερμικής ενέργειας είναι περίπου 50% περισσότερη από την αντίστοιχη ηλεκτρική, και μάλιστα «δωρεάν». Η ενέργεια αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί διαδοχικά σε διάφορα θερμοκρασιακά επίπεδα, από 120οC μέχρι 40οC.

Σε μεγάλες μονάδες, όπου τα καυσαέρια εξέρχονται σε υψηλότερη θερμοκρασία και σε σημαντικές ποσότητες, οι μονάδες αυτές μπορούν να συνδυαστούν και με μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού σε χαμηλότερα επίπεδα θερμοκρασιών (μέσω λ.χ. μονάδων οργανικών στροβίλων), με αποτέλεσμα την επιπλέον αύξηση του ηλεκτρικού βαθμού απόδοσης και την ελαστικότητα στην κάλυψη των αναγκών θερμότητας.

Περιβαλλοντικές επιπτώσεις

Η χρήση του φυσικού αέριου οδηγεί σε χαρακτηριστική μείωση των ρύπων που εκλύονται προς το περιβάλλον από τα άλλα καύσιμα (πετρέλαιο, βενζίνη κλπ.), και ειδικά αποκλείει πλήρως την επιβάρυνση της ατμόσφαιρας από καύση θείου και αζώτου, από ατελή καύση άνθρακα και από παραγωγή αιθάλης (που ορίζονται ως τα πλέον επικίνδυνα παράγωγα της καύσης).

Η θερμική επιβάρυνση του περιβάλλοντος μειώνεται χαρακτηριστικά, εφόσον η αποβαλλόμενη από τον κινητήρα θερμότητα αξιοποιείται για την κάλυψη θερμικών αναγκών και αναγκών θερινού κλιματισμού και ψύξης και δεν αποβάλλεται στο ήδη βεβαρημένο περιβάλλον.

Η επιτόπου παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής (ψυκτικής) ενέργειας οδηγεί σε πιο «καθαρές» εγκαταστάσεις.

Συνδυασμένος κύκλος ψύξης

Στην τεχνική της ψύξης μέχρι σήμερα είναι ευρέως διαδεδομένη η μηχανική συμπίεση ατμών ψυκτικού μέσου. Η πλειονότητα των εγκαταστάσεων λειτουργεί με μονοβάθμια ή πολυβάθμια συστήματα μηχανικής συμπίεσης ατμών. Η τεχνική αυτή, καθ’ όλα αξιόπιστη, λειτουργεί με σημαντική κατανάλωση ηλεκτρισμού και συμμετέχει στην παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα.

Ο βαθμός απόδοσης των εγκαταστάσεων μηχανικής συμπίεσης ατμών, αν και ικανοποιητικός, μπορεί να υπερνικηθεί με τη χρήση νέων τεχνολογιών ψύξης. Συγκεκριμένα, είναι πλέον βασικός στόχος της παγκόσμιας κοινότητας η λειτουργία συσκευών μηχανικής συμπίεσης ατμών με ψυκτικό μέσο το CO2, το οποίο στην ουσία αξιοποιείται ως χρήσιμη ύλη το ίδιο το απόβλητο των θερμικών μηχανών, ενώ παράλληλα δημιουργεί ικανοποιητικό, εάν όχι καλύτερο, βαθμό απόδοσης.

Σημειώνεται ότι σε όλη τη βόρεια Ευρώπη –αλλά και στην νότια– η χρήση μονάδων διοξειδίου του άνθρακα έχει προτεραιότητα στην παραγωγή ψύξης σε υπεραγορές και στη βιομηχανική ψύξη, παράλληλα βεβαίως με τις μονάδες αμμωνίας. Μάλιστα, λόγω της επικινδυνότητας της τελευταίας, αλλά και της δυνατότητας συνδυασμένων διατάξεων, ο συνδυασμός μονάδας απορρόφησης ή προσρόφησης με μονάδα διοξειδίου οδηγεί σε ιδιαίτερα υψηλούς βαθμούς απόδοσης.

Με το τρόπο αυτό προκύπτει σημαντική βελτίωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος, βελτίωση του βαθμού εκμετάλλευσης της χρησιμοποιούμενης ενέργειας, ασφάλεια στη λειτουργία των συστημάτων και εξοικονόμηση χρημάτων από τη λειτουργία των διατάξεων.

Ψύξη με απορρόφηση

Οι ψύκτες απορρόφησης χρησιμοποιούν τις διεργασίες της συμπύκνωσης – εξάτμισης, για την παραγωγή ψύξης. Διαθέτουν εξατμιστή και συμπυκνωτή, όπου εκτονώνεται το ψυκτικό μέσο. Ωστόσο, αντί για μηχανικό συμπιεστή, οι ψύκτες απορρόφησης χρησιμοποιούν περίπου αποκλειστικά θερμότητα σαν ενεργειακή πηγή. Η θερμότητα αυτή παράγεται είτε με άμεση καύση, με χρήση καυστήρα, είτε με έμμεση καύση, με χρήση ατμού, ζεστού νερού ή από περίσσεια / ανάκτηση θερμότητας.

Οι μηχανές απορρόφησης που είναι διαθέσιμες τροφοδοτούνται με ατμό, ζεστό νερό ή τα αέρια καύσης, που μπορούν να παράγονται και από συστήματα ΣΗΘ. Επίσης, μονάδες απορρόφησης υψηλών θερμοκρασιών (επίπεδα θερινού κλιματισμού και συντήρησης ψυκτικών διατάξεων) λειτουργούν με είσοδο θερμότητας σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, οι οποίες μπορεί να τροφοδοτούνται ακόμα και από ηλιακά συστήματα ή από συστήματα ψύξης μονάδων συμπαραγωγής.

Στην πιο απλή σχεδίασή της, η μηχανή απορρόφησης αποτελείται από εξατμιστή, συμπυκνωτή, απορροφητή, μια γεννήτρια και μια αντλία διαλύματος. Στον κύκλο απορρόφησης, η συμπίεση ατμού του ψυκτικού μέσου πραγματοποιείται με συνδυασμό του απορροφητή και της αντλίας διαλύματος, καθώς και της ατμογεννήτριας.

Ψύξη με προσρόφηση

Η περίπτωση των ψυκτών προσρόφησης είναι αυτή στην οποία αντί υγρού διαλύματος χρησιμοποιούνται στερεά πορώδη ροφητικά υλικά. Τα διαθέσιμα σήμερα συστήματα χρησιμοποιούν νερό ως ψυκτικό μέσο και silica gel ως ροφητικό υλικό. Οι ψύκτες αποτελούνται από δύο χώρους ροφητικού υλικού, έναν εξατμιστή και ένα συμπυκνωτή. Ενώ το ροφητικό υλικό στο πρώτο διαμέρισμα αναγεννάται χρησιμοποιώντας ζεστό νερό από εξωτερική πηγή θερμότητας π.χ. από μονάδα συμπαραγωγής, το προσροφητικό υλικό στο άλλο διαμέρισμα προσροφά τους υδρατμούς που εισάγονται από τον εξατμιστή. Το νερό στον εξατμιστή περνά από την αέρια φάση, θερμαινόμενο από ένα εξωτερικό κύκλωμα νερού, όπου παράγεται η χρήσιμη ψυκτική ισχύς.

Η ψυκτική ικανότητα των ψυκτών προσρόφησης κυμαίνεται σήμερα από 10kW έως και άνω των 500kW. Η απλότητα κατασκευής των ψυκτών προσρόφησης και η αναμενόμενη μηχανική αντοχή τους είναι σημαντικά πλεονεκτήματα. Επίσης, δεν υπάρχει εσωτερική αντλία διαλύματος, και –ως εκ τούτου– η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται είναι ελάχιστη.

Μειονεκτήματα αυτού του τύπου των ψυκτών είναι ο συγκριτικά μεγάλος όγκος και το βάρος τους, αλλά και η τιμή τους, λόγω της μικρής παραγωγής τέτοιων συστημάτων.

Μονάδες συμπαραγωγής σε οικισμούς

Το μοντέλο της ενεργειακής διαχείρισης στην Ευρώπη οδηγεί συνεχώς σε χρήση εφαρμογών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και εξοικονόμησης ενέργειας σε ομάδες πληθυσμών και εκτός από τις διαδικασίες παραγωγής. Δηλαδή προωθούνται συστήματα κυκλικής οικονομίας σε γειτονιές, πολυκατοικίες και μικρές κοινότητας με σκοπό την ελαχιστοποίηση των απορριμμάτων σε ύλη αλλά και ενέργεια.

Έτσι, οι μονάδες συμπαραγωγής και ο συνδυασμός τους με μονάδες ΑΠΕ –αλλά και με τη χρήση των διατάξεων παραγωγής ηλεκτρισμού από χαμηλές σχετικά θερμοκρασίες– μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντική ενεργειακή διαχείριση και προστασία του περιβάλλοντος από τον τομέα της κατοικίας. Σημειώνεται ότι το ποσοστό της ενεργειακής κατανάλωσης σε παγκόσμιο επίπεδο από την ενέργεια για κατοίκιση πλησιάζει –εάν δεν υπερβαίνει– το 40%.

Τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρισμού από χαμηλές θερμοκρασίες

Οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού από χαμηλές θερμοκρασίες είναι μια τεχνολογία η οποία ξεκίνησε από τις αρχές του 20ού αιώνα αλλά δεν βρήκε εύφορο πεδίο, λόγω του διεθνούς ανταγωνισμού και της αρχικής αδιαφορίας για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τις μονάδες παραγωγής ενέργειας.

Μετά την οικονομική και περιβαλλοντική κρίση, όμως, οι τεχνολογίες αυτές επανήλθαν στο προσκήνιο και οι ερευνητές ανά τον κόσμο αφοσιώθηκαν στην ανάπτυξη και εξέλιξη αυτών των τεχνολογιών, επιφέροντας και πολλαπλές βελτιώσεις. Έτσι, σήμερα είναι δυνατή η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τάξης μεγέθους ακόμα και κάτω των 60οC, με χρησιμοποίηση είτε οργανικών μέσων (λ.χ. ψυκτικών μέσων) είτε διοξειδίου του άνθρακα.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ακόμα μεγαλύτερη αναγκαιότητα για χρήση μονάδων συμπαραγωγής και ΑΠΕ, και τούτο λόγω της δυνατότητας παραγωγής χρήσιμης ηλεκτρικής ενέργειας ακόμα και από επίπεδα θερμοκρασιών που κατά το παρελθόν είχαν θεωρηθεί ως κάτω του ορίου της δυνατότητας εκμετάλλευσης.

Εάν επίσης συνδυαστεί και με τη μεθοδολογία επιφανειακών θερμάνσεων και δροσισμού κτιρίων και χώρων παραγωγής (όπως είναι βιομηχανικοί χώροι, θερμοκήπια κλπ.), αναμένεται πεδίο λαμπρό για την ανάπτυξη τέτοιων συνδυαστικών μοντέλων. Και από την πλευρά τους οι επαγγελματικοί κλάδοι πρέπει να προσανατολιστούν στην εκπαίδευση, εξειδίκευση και πιστοποίηση της δυνατότητας δημιουργίας τέτοιου είδους εγκαταστάσεων.

 

Η εφαρμογή και ανάπτυξη των συστημάτων συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας βελτιώνει την παροχή ενέργειας προς όλους τους καταναλωτές, ενώ ταυτόχρονα ωφελεί την εθνική οικονομία, διότι παρουσιάζει:

– Αυξημένη απόδοση μετατροπής και χρήσης της ενέργειας. Η συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ) είναι η πλέον αποτελεσματική και αποδοτική μορφή ηλεκτροπαραγωγής, με την ταυτόχρονη παραγωγή θερμικής ενέργειας.

– Μικρότερες εκπομπές προς το περιβάλλον, ιδιαίτερα του CO2, του αερίου στο οποίο οφείλεται κυρίως η κλιματική αλλαγή.

– Σημαντική εξοικονόμηση πόρων, παρέχοντας πρόσθετη ανταγωνιστικότητα στη βιομηχανία και στις εμπορικές επιχειρήσεις, καθώς η ηλεκτρική ενέργεια και η θερμότητα παρέχονται σε προσιτές τιμές.

– Σημαντική ευκαιρία ώστε να προωθηθούν αποκεντρωμένες λύσεις ηλεκτροπαραγωγής, με τους σταθμούς ΣΗΘ να ανταποκρίνονται στις ανάγκες των τοπικών καταναλωτών παρέχοντας υψηλή απόδοση, αποτρέποντας τις απώλειες μεταφοράς και αυξάνοντας την ευελιξία στη χρήση του συστήματος.

– Βελτιωμένη ασφάλεια παροχής ενέργειας, που μειώνει τις πιθανότητες οι καταναλωτές να μείνουν χωρίς ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια.

– Μειωμένη ανάγκη καυσίμων σε σχέση με τη χωριστή παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, μειώνοντας την εξάρτηση από εισαγωγές.

– Αυξημένη απασχόληση, αφού η ανάπτυξη συστημάτων ΣΗΘ δημιουργεί νέες και αποκεντρωμένες θέσεις εργασίας. Παράλληλα, αναπτύσσεται η γνώση των τεχνικών για την τεχνολογία αυτή η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλούς κάδους της οικονομίας.

*Ο κ. Μιχάλης Γρ. Βραχόπουλος είναι διδάκτορας μηχανολόγος μηχανικός ΕΜΠ και καθηγητής στο Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών σε θέματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, διευθυντής του Εργαστήριου Ενεργειακών και Περιβαλλοντικών Ερευνών και επιστημονικός υπεύθυνος της εταιρείας μελετών «Κραββαρίτης και Συνεργάτες Α.Ε.» (που σχεδιάζει ηλεκτρομηχανολογικές εγκαταστάσεις και εγκαταστάσεις εξοικονόμησης ενέργειας και ανανεώσιμων πηγών ε

Ελέγξτε επίσης

LG: Οι HVAC λύσεις λαμβάνουν διεθνείς πιστοποιήσεις για την εξασφάλιση καθαρού αέρα σε εσωτερικούς χώρους

Οι επαγγελματικές λύσεις κλιματισμού του τμήματος Business Solutions της LG Electronics (LG) έχουν αναγνωριστεί από …

Τα Περιοδικά μας