Σύγχρονες τεχνολογίες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας

Abstract

Με τον όρο "ενέργεια" συνήθως εννοούμε το ηλεκτρικό ρεύμα που καταναλώνουμε, τη θέρμανση των σπιτιών και την κίνηση του αυτοκινήτου μας και δευτερευόντως την παραγωγή και διακίνηση προϊόντων και γενικότερα το σύνολο παραγωγικών και οικονομικών δραστηριοτήτων της περιοχής μας, της χώρας και του πλανήτη. Αποτελεί αδιαμφισβήτητο γεγονός ότι η ενέργεια αποτελεί σημαντική παράμετρο οικονομικής ανάπτυξης και βελτίωσης των συνθηκών διαβίωσης. Σήμερα, σε παγκόσμιο επίπεδο η ενέργεια παράγεται, κατά κύριο λόγο, από την καύση των ορυκτών καυσίμων. Ωστόσο, το ενεργειακό μοντέλο που ξεκίνησε από τις αρχές του 20ου αιώνα και συνεχίζεται μέχρι σήμερα, δημιουργεί δύο σημαντικά προβλήματα: • Επάρκειας εφοδιασμού: οι παγκόσμιες απαιτήσεις για ενέργεια αυξάνουν συνεχώς, ενώ τα ορυκτά καύσιμα εξαντλούνται με ταχείς ρυθμούς, χωρίς να υπάρχει η δυνατότητα ανανέωσή τους. • Περιβαλλοντικής επιβάρυνσης: η χρήση των ορυκτών καυσίμων δημιουργεί καυσαέρια, οδηγώντας σε έναν φαύλο κύκλο: o η ανάπτυξη απαιτεί ενέργεια, o η ενέργεια δημιουργεί προβλήματα στο περιβάλλον, o το περιβάλλον υποβαθμίζεται και o δημιουργούνται προβλήματα που δυσκολεύουν τις συνθήκες διαβίωσης και αναστέλλουν την ανάπτυξη. Τα περιβαλλοντικά προβλήματα εκδηλώνονται με τη διαφαινόμενη κλιματική αλλαγή, που έχει αναδειχθεί σε μείζον θέμα πολιτικής, επιστημονικής, οικονομικής και αναπτυξιακής αντιπαράθεσης. Αιτία της κλιματικής αλλαγής είναι το φαινόμενο του θερμοκηπίου που οφείλεται κατά κύριο λόγο στην ανθρώπινη δραστηριότητα και ειδικότερα στις ανεξέλεγκτες εκπομπές αερίων από την παραγωγή, μεταφορά, διανομή και χρήση της ενέργειας, καθώς το μεγαλύτερο ποσοστό της προέρχεται από ορυκτά καύσιμα. Αφού, λοιπόν, μεγάλο μέρος των περιβαλλοντικών προβλημάτων προέρχεται από τον τομέα της ενέργειας, στόχος είναι: • η παραγωγή καθαρής ενέργειας, για τον περιορισμό των εκπομπών καυσαερίων από τους συμβατικούς θερμικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, και • η βέλτιστη αξιοποίηση των καυσίμων και της διατιθέμενης ενέργειας, με τη μείωση των απωλειών: Ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται με: • Την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), με τις οποίες παράγεται χρήσιμη (αξιοποιήσιμη) ενέργεια χωρίς τη χρήση ορυκτών καυσίμων, • Τη βέλτιστη αξιοποίηση των καυσίμων, χρησιμοποιώντας διαδικασίες παραγωγής ενέργειας με υψηλή απόδοση, ώστε να αξιοποιείται πληρέστερα η χημική ενέργεια που εμπεριέχουν τα ορυκτά ή άλλα καύσιμα. Τις απαιτήσεις της βέλτιστης αξιοποίησης των διατιθέμενων καυσίμων τις καλύπτουν τα συστήματα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ). • Τη μείωση των απωλειών κατά τη μεταφορά, διανομή και, κυρίως, κατά την τελική χρήση της ενέργειας, με τη χρήση ενεργειακά αποδοτικών εγκαταστάσεων και εξοπλισμού και φυσικά με την αύξηση της εξοικονόμησης ενέργειας, αποφεύγοντας τη χρήση ενεργοβόρων συσκευών ή λειτουργώντας τις συσκευές όποτε και όσο είναι απαραίτητο (αναμμένα φώτα την ημέρα, ανοιχτός κλιματισμός και ανοιχτά παράθυρα για εξαερισμό, κ.λπ.). Με τον τρόπο αυτό αξιοποιούνται: • οι φυσικά ανανεώσιμοι πόροι (ΑΠΕ: ήλιος, άνεμος, νερά, βιομάζα, γεωθερμία), περιορίζοντας τα εισαγόμενα ορυκτά καύσιμα, • τα ορυκτά καύσιμα, συμβάλλοντας στην παράταση του χρόνου χρήσης τους, αλλά κυρίως βελτιστοποιώντας το ενεργειακό μίγμα των επιχειρήσεων και της χώρας, που σημαίνει μεγαλύτερη ασφάλεια εφοδιασμού με ενεργειακούς πόρους, και • η διατιθέμενη ενέργεια, μειώνοντας αφ' ενός το κόστος χρήσης της, με συνέπεια την εκλογίκευση της μεταφοράς του κόστους αυτού στα παραγόμενα προϊόντα και υπηρεσίες, και αφ' ετέρου τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την παραγωγή, μεταφορά και αξιοποίησή της. Ο συνήθης (συμβατικός) τρόπος για την κάλυψη των αναγκών σε ηλεκτρισμό και θερμότητα είναι η αγορά του ηλεκτρισμού από το δίκτυο και η παραγωγή της θερμότητας από την επιτόπου καύση καυσίμου σε έναν λέβητα, έναν φούρνο, κ.λπ. Ωστόσο, μπορεί να επιτευχθεί σημαντική μείωση στην κατανάλωση καυσίμου, εάν χρησιμοποιηθεί ένα σύστημα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας (ΣΗΘ). Συμπαραγωγή είναι η ταυτόχρονη παραγωγή οικονομικά εκμεταλλεύσιμης ή αξιοποιήσιμης ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, από την ίδια ενεργειακή πηγή. Τα συστήματα Συμπαραγωγής μπορούν να τροφοδοτηθούν, ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη τεχνολογία, με διάφορα καύσιμα: • ορυκτά καύσιμα, όπως φυσικό αέριο και άνθρακας • βιοαέριο, από οργανικά απορρίμματα ή από εγκαταστάσεις βιολογικών καθαρισμών • βιομάζα, όπως αγροτικά και δασικά υπολείμματα ή από ενεργειακές καλλιέργειες Το καύσιμο, όμως, που σήμερα κυριαρχεί, για οικονομικούς αλλά και περιβαλλοντικούς λόγους, είναι το Φυσικό Αέριο. Στις κυψέλες καυσίμου τα καύσιμα δεν καίγονται, αλλά αναμορφώνονται για να παραχθεί ενέργεια, μέσω της συντελούμενης χημικής αντίδρασης. Στην παρούσα εργασία, στο πρώτο κεφάλαιο αναλύονται τα συστήματα συμπαραγωγής που χρησιμοποιούνται ευρέως στις μέρες μας, όπως ατμοστρόβιλοι, αεριοστρόβιλοι, συστήματα συνδυασμένου κύκλου, μηχανές Stirling κλπ. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται ο τρόπος σύνδεσης των συστημάτων συμπαραγωγής με το δίκτυο της χαμηλής και της μέσης τάσης. Ακολουθεί το τρίτο κεφάλαιο στο οποίο αναλύονται οι ιδιότητες του φυσικού αερίου και αναδεικνύεται η σπουδαιότητα της συμπαραγωγής με το φυσικό αέριο. Τέλος στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται εφαρμογές συμπαραγωγής στην Ελλάδα με φυσικό αέριο. Στο κεφάλαιο αυτό καθίσταται αντιληπτή η σπουδαιότητα της χρήσης του φυσικού αερίου.