열병합발전

Cogeneration
기존 발전 대 열병합 발전 손실 비교 다이어그램
시리즈의 일부
지속 가능한 에너지
A car drives past 4 wind turbines in a field, with more on the horizon
에너지 절약
재생 에너지
지속 가능한 수송

열병합발전(CHP)은 열엔진[1] 또는 발전소를 사용하여 전기와 유용한 열을 동시에 발생시키는 것입니다.

열병합은 연료 또는 열을 보다 효율적으로 사용하는데, 그렇지 않으면 발전에서 발생하는 열이 생산적으로 사용되기 때문입니다.CHP(Combined Heat and Power) 플랜트는 난방을 위해 낭비되는 열에너지를 회수합니다.이를 열과 전력 지역 난방이라고도 합니다.소형 CHP 발전소는 분산형 에너지의 [2]한 예입니다.적당한 온도(100–180°C, 212–356°F)에서의 부산물 열은 냉각을 위한 흡수 냉장고에 사용될 수도 있습니다.

고온열 공급은 먼저 가스 또는 증기 터빈으로 구동되는 발전기를 구동합니다.그 결과 발생하는 저온 폐열은 물이나 공간 난방에 사용됩니다.더 작은 규모(일반적으로 1MW 미만)에서는 가스 엔진 또는 디젤 엔진을 사용할 수 있습니다.열병합 발전소는 지열 발전소에서 비교적 낮은 등급의 열을 생성하는 경우가 많기 때문에 일반적이다.바이너리 사이클은 전력생산의 허용 열효율에 도달하기 위해 필요할 수 있습니다.열병합 발전은 NIMBY와 안전 고려 사항으로 인해 종종 유사한 화학 발전소보다 인구 중심에서 멀리 떨어져 있고, 지역 난방은 전송 손실로 인해 낮은 인구 밀도 영역에서 덜 효율적이기 때문에 원자력 발전소에서 덜 일반적으로 사용된다.

열병합 발전은 초기 발전 설비 중 일부에서 실행되었습니다.중앙 스테이션이 전력을 분배하기 전에는 자체 전력을 생산하는 산업계가 프로세스 난방에 배기 증기를 사용했습니다.대형 사무실과 아파트, 호텔, 상점들은 일반적으로 자체적으로 전력을 생산하고 폐증기를 건물 난방에 사용했다.초기에 구입한 전력의 고비용 때문에, 이러한 CHP 운영은 전력 공급이 [3]가능해진 후에도 수년간 계속되었습니다.

개요

덴마크에 있는 Masnedö CHP 발전소.이 역은 짚을 연료로 태운다.인접한 온실들은 발전소에서 나오는 지역 난방으로 난방된다.

화학 공장, 정유 공장, 펄프 및 제지 공장 등 많은 공정 산업에서는 화학 반응기, 증류 컬럼, 증기 건조기 및 기타 용도로 대량의 공정 열이 필요합니다.보통 증기의 형태로 사용되는 이 열은 가열에 사용되는 전형적인 저압에서 생성될 수 있으며, 훨씬 높은 압력에서 생성되어 터빈을 먼저 통과하여 전기를 발생시킬 수 있습니다.터빈에서는 증기의 내부 에너지가 작동으로 전환됨에 따라 증기 압력과 온도가 낮아집니다.터빈에서 나오는 저압 증기는 프로세스 열로 사용될 수 있습니다.

화력발전소의 증기터빈은 보통 고압증기를 공급받도록 설계되어 있으며, 이 고압증기는 주변온도보다 몇 도 높고 수은 절대압력이 몇 밀리미터 높은 응축기로 터빈을 빠져나간다. (이를 응축터빈이라고 한다.)모든 실용적인 목적을 위해 이 증기는 응축되기 전에 무시해도 될 정도의 유용한 에너지를 가지고 있다.열병합 발전용 증기 터빈은 터빈이 여러 터빈 단계를 거친 후 낮은 압력에서 증기를 추출하도록 설계되어 있으며, 추출되지 않은 증기는 터빈을 통해 응축기로 흐릅니다.이 경우, 추출된 증기는 터빈의 하류 단계에서 기계적 동력 손실을 일으킨다.또는 배압에서의 최종 배기([4][5]결로하지 말 것)를 위해 추출 여부를 불문하고 설계됩니다.추출된 증기 또는 배기 증기는 프로세스 가열에 사용됩니다.일반적인 프로세스 가열 조건의 증기에는 여전히 발전에 사용될 수 있는 상당한 양의 엔탈피가 있으므로 열병합 발전에는 기회 비용이 있습니다.

제지 공장의 일반적인 발전 터빈은 160psig(1.103MPa) 및 60psig(0.41MPa)의 추출 압력을 가질 수 있습니다.일반적인 배압은 60psig(0.41MPa)입니다.실제로 이러한 압력은 각 시설에 맞게 맞춤 설계되어 있습니다.반대로, 상단에서 전력을 생산할 수 있을 만큼 높은 압력 대신 산업용 프로세스 증기를 단순히 생성하는 것에도 기회 비용이 발생합니다(증기 공급 및 배기 조건 참조).고압 보일러, 터빈 및 발전기의 자본 및 운영 비용은 상당합니다.이 장비는 일반적으로 지속적으로 작동하며, 일반적으로 자체 발전 전력을 대규모 작동으로 제한합니다.

프랑스 메츠에 있는 열병합발전소입니다.45MW 보일러는 폐목재 바이오매스를 에너지원으로 사용하여 3만 가구의 주택에 전기와 난방을 제공합니다.

복합 사이클(여러 열역학적 사이클이 전기를 생산함)은 발전소 바닥화 사이클의 응축기로 가열 시스템을 사용하여 열을 추출하는 데 사용될 수도 있습니다.예를 들어, 모스크바의 RU-25 MHD 발전기는 기존 증기 발전소의 보일러를 가열했으며, 그 응축수는 우주 열에 사용되었습니다.보다 현대적인 시스템은 천연 가스로 구동되는 가스 터빈을 사용할 수 있습니다. 가스 터빈의 배기는 증기 플랜트에 전력을 공급하고, 응축수는 열을 제공합니다.복합 사이클 동력 장치에 기반한 열병합 발전소는 열효율이 80%를 초과할 수 있습니다.

특히 소규모 CHP 설비에서 CHP(이용률이라고도 함)의 실행가능성은 현장(또는 현장 부근)의 전력 수요와 열 수요 측면에서 양호한 운영 기준치에 달려 있다.실제로 열과 전기 수요의 정확한 일치가 존재하는 경우는 거의 없습니다.CHP 발전소는 열의 필요성(열 구동 운전)을 충족하거나 폐열을 일부 사용하여 발전소로 가동될 수 있다. 폐열 발전소는 이용 계수 및 전체 효율성 측면에서 덜 유리하다.트리거링의 기회가 존재하는 경우 생존력이 크게 향상될 수 있습니다.이 경우 CHP 플랜트의 열은 흡수 냉각기를 통해 냉각을 제공하기 위한 일차 에너지원으로도 사용됩니다.

CHP는 현장에서 또는 매우 가까운 곳에서 열을 사용할 수 있을 때 가장 효율적입니다.열을 더 먼 거리로 운반해야 할 경우 전체적인 효율이 저하됩니다.이를 위해서는 고가의 비효율적인 절연 파이프가 필요합니다. 반면 전기는 비교적 단순한 와이어를 통해 전달될 수 있으며 동일한 에너지 손실을 위해 훨씬 더 먼 거리에 걸쳐 전달될 수 있습니다.

차량 엔진은 리젝트 열이 차량 내부를 따뜻하게 하는 데 유용한 겨울에 CHP 플랜트가 됩니다.이 예에서는 CHP의 전개가 열 엔진 주변의 열 사용에 좌우된다는 점을 보여 줍니다.

서멀 인핸스드 오일 회수(TEOR) 플랜트는 많은 경우 대량의 잉여 전력을 생산합니다.발전 후, 이 공장들은 기름이 더 쉽게 흐를 수 있도록 중유정에 남은 증기를 퍼올려 생산량을 증가시킨다.

열병합 발전소는 도시의 지역 난방 시스템, 대형 건물의 중앙 난방 시스템(예: 병원, 호텔, 교도소)에서 흔히 볼 수 있으며, 산업계에서 프로세스 용수, 냉각, 증기 생산 또는 CO2 비료를 위한 열 생산 프로세스에서 일반적으로 사용됩니다.

트리거레이션 또는 복합 냉각, 열 및 전력(CCHP)은 연료 또는 태양열 집열기의 연소로 인한 전기와 유용한 난방 및 냉방을 동시에 발생시키는 것을 말합니다.열병합과 트리거링이라는 용어는 전기, 열 및 산업용 화학 물질(예: singas)을 동시에 생성하는 전력 시스템에도 적용될 수 있다.트리거레이션은 폐열이 냉난방(일반적으로 흡수식 냉장고)에 사용된다는 점에서 열병합발전과 다릅니다.냉각, 열 및 전력 시스템을 조합하면 열병합발전소나 기존 발전소보다 전체적인 효율성이 향상됩니다.미국에서는 건물에 트리거링을 적용하는 것을 빌딩 냉방, 난방, 전력이라고 부릅니다.난방 및 냉방 출력은 필요성과 시스템 구조에 따라 동시에 또는 번갈아 작동할 수 있습니다.

식물의 종류

핀란드 헬싱키에 있는 석탄 화력 열병합발전소인 하나사리 발전소

토핑 사이클 플랜트는 주로 증기 터빈에서 전기를 생산합니다.그런 다음 부분적으로 팽창된 증기는 지역 난방 또는 물 담수화 등과 같이 적합한 온도 수준에서 가열 응축기에 응축됩니다.

바닥화 사이클 플랜트는 산업 공정에서 고온의 열을 발생시키고, 폐열 회수 보일러는 전기 플랜트에 전력을 공급합니다.바닥화 사이클 플랜트는 유리 및 금속 제조를 위한 용해로와 같이 매우 높은 온도를 필요로 하는 산업 공정에만 사용되므로 일반적이지 않습니다.

대형 열병합발전 시스템은 산업 현장 또는 도시 전체에 난방 용수와 전력을 공급합니다.일반적인 CHP 플랜트 유형은 다음과 같습니다.

  • 가스터빈의 연도 가스의 폐열을 사용하는 가스터빈 CHP 플랜트.사용되는 연료는 일반적으로 천연가스입니다.
  • 가스 엔진 CHP 플랜트는 왕복식 가스 엔진을 사용하며, 일반적으로 최대 5MW의 가스 터빈보다 경쟁력이 있습니다. 사용되는 가스 연료는 일반적으로 천연 가스입니다.이러한 발전소는 일반적으로 플랜트룸 또는 외부 플랜트 컴파운드 내에 설치할 수 있는 완전 포장 유닛으로 제조되며 현장의 가스 공급, 배전망 및 난방 시스템에 간단하게 연결됩니다.일반적인 출력과 효율은 일반적인 대규모 예를 참조하십시오.
  • 바이오 연료 엔진 CHP 플랜트는 사용되는 바이오 연료에 따라 적응된 왕복 가스 엔진 또는 디젤 엔진을 사용하며, 그 외에는 가스 엔진 CHP 플랜트와 설계가 매우 유사합니다.바이오 연료의 장점은 화석 연료 소비 감소와 탄소 배출 감소이다.이러한 발전소는 일반적으로 플랜트룸 또는 외부 플랜트 컴파운드 내에 설치될 수 있는 완전 포장 유닛으로 제조되며 현장의 전기 분배 및 난방 시스템에 대한 간단한 연결로 제조된다.또 다른 변종은 목재 가스화기 CHP 플랜트로, 목재 펠릿 또는 목재 칩 바이오 연료를 산소 제로 고온 환경에서 가스화한 후 가스 엔진에 동력을 공급하기 위해 사용됩니다.
  • CHP에 적합한 복합 사이클 발전소
  • 용융 탄소산 연료 전지 및 고체 산화물 연료 전지는 가열에 매우 적합한 뜨거운 배기가스를 가지고 있습니다.
  • 증기 터빈의 증기 응축기로서 가열 시스템을 사용하는 증기 터빈 CHP 플랜트
  • 다른 증기 터빈 발전소와 마찬가지로 원자력 발전소는 부분적으로 팽창된 증기를 가열 시스템으로 블리딩하기 위해 터빈에 추출 장치를 장착할 수 있다.95°C의 난방 시스템 온도에서는 MW 전기가 손실될 때마다 약 10MW의 열을 추출할 수 있습니다.130°C의 온도에서 이득은 약간 작아지며, MWe가 [8]손실될 때마다 약 7MW가 됩니다.열병합발전 옵션에 대한 검토는 체코 연구팀이 주거용 [10]난방을 위해 사용후 핵연료봉의 열을 회수하는 "테플레이터" 시스템을 제안했다.

소형 열병합 발전 장치는 왕복 엔진 또는 스털링 엔진을 사용할 수 있습니다.배기 및 라디에이터에서 열이 제거됩니다.이 시스템은 소형 가스 및 디젤 엔진이 소형 가스 또는 석유 연소식 증기 발전소에 비해 가격이 저렴하기 때문에 소형으로 인기가 있다.

일부 열병합 발전소는 바이오매스 [11]또는 산업 및 도시 고체 폐기물에 의해 연소됩니다(소각 참조).일부 CHP 발전소는 폐가스를 전기와 발열을 위한 연료로 사용한다.폐가스는 동물의 배설물에서 나오는 가스, 매립 가스, 탄광에서 나오는 가스, 하수 가스, 가연성 산업 폐기물 [12]가스일 수 있습니다.

일부 열병합 발전소는 가스와 태양광 발전을 결합하여 기술 [13]및 환경 성능을 더욱 향상시킵니다.이러한 하이브리드 시스템은 건물 수준[14], 심지어 개별 [15]주택까지 축소될 수 있습니다.

마이크로CHP

마이크로 복합 열과 전력 또는 '마이크로 열병합'은 이른바 분산 에너지 자원(DER)입니다.가정이나 소규모 기업에서의 설치 전력은e 보통 5kW 미만입니다.연료는 단순히 공간이나 물을 가열하기 위해 태우는 대신, 일부 에너지는 열 이외에 전기로 전환된다.이 전기는 가정이나 회사 내에서 사용하거나 그리드 관리에 의해 허용된 경우 전력망에 되팔 수 있습니다.

델타의 컨설턴트는 2013년에 전 세계 판매량의 64%를 차지하는 연료전지의 마이크로 콤비네이션 발열과 [16]전력이 2012년에 종래의 시스템을 웃돌고 있다고 발표했습니다.일본에서는 2012년에 Ene Farm 프로젝트 전체로 20,000대가 판매되었습니다.약 60,000시간의 라이프 타임을 수반합니다.야간에 정지하는 PEM 연료전지 유닛의 경우 이는 10년에서 15년 [17]사이의 예상 수명에 해당합니다.설치 [18]전 가격은 22,600달러입니다.2013년에는 50,000대에 대한 국가 보조금이 [17]시행되고 있다.

MicroCHP 설치는 마이크로터빈, 내연기관, 스털링엔진, 폐쇄사이클 증기엔진, 연료전지 등 5가지 기술을 사용합니다.한 저자는 2008년 스털링 엔진에 기반한 MicroCHP가 탄소 [19]배출량을 줄이는 이른바 마이크로제너레이션 기술 중 가장 비용 효율적이라고 지적했습니다.Equity Consulting의 2013년 영국 보고서에 따르면 MCHP는 가스를 사용하여 국내 [20][21]수준의 에너지를 생성하는 가장 비용 효율적인 방법이라고 합니다.그러나 왕복 엔진 기술의 진보는 CHP 플랜트, 특히 바이오 가스 [22]분야의 효율성을 높이고 있습니다.MiniCHP와 CHP 모두 배출량을 줄이는 것으로 나타났기 때문에 건물 [24]내 배출량의 14% 이상을 절약할 수 있는 건물 CO 절감 분야에서2 큰 역할을 할 수 있다.케임브리지 대학교는 2017년에 비용 효율적인 증기 엔진 MicroCHP 프로토타입을 보고했으며, 이는 향후 수십 [25]년 이내에 상업적으로 경쟁력을 갖출 가능성이 있습니다.최근 일부 개인 주택에서는 수소나 천연가스나 [26][27]LPG와 같은 다른 연료로 작동할 수 있는 연료전지 마이크로-CHP 공장을 찾을 수 있다.천연가스로 주행할 때는 천연가스를 연료전지에 사용하기 전에 수소로 변환하기 위해 천연가스의 증기 개질에만 의존합니다.따라서 여전히 CO를 방출하지만(반응2 참조), (일시적으로) 이 상태에서 작동하는 것은 수소가 (천연가스) 배관 시스템을 통해 분배되기 시작하는 시점까지 좋은 해결책이 될 수 있습니다.

트리거레이션

트리거링 사이클

전기, 열, 냉기를 생산하는 식물은 트리거레이션[28] 플랜트 또는 다세대 플랜트라고 불립니다.흡수 냉각기 또는 흡착 냉각기와 연결된 열병합 시스템은 냉동에 폐열을 사용합니다.[29]

열과 전력의 조합 지역 난방

다음 항목도 참조하십시오.지역난방

미국에서 Consolidated Edison은 7개의 열병합 발전소를 통해 매년 660억 킬로그램의 350°F(180°C) 증기를 미국에서 가장 큰 증기 구역인 맨해튼의 100,000개 건물에 공급하고 있습니다.최대 공급량은 시간당 1,000만파운드(약 2.5GW)[30][31]입니다.

산업용 CHP

열병합은 펄프 및 제지 공장, 정유 공장 및 화학 공장에서 여전히 일반적입니다.이 "산업용 열병합발전/CHP"에서 열은 일반적으로 더 높은 온도(100°C 이상)에서 회수되며 프로세스 증기 또는 건조 작업에 사용됩니다.이는 낮은 등급의 폐열보다 더 가치 있고 유연하지만 약간의 발전 손실이 있습니다.지속가능성에 대한 관심이 높아짐에 따라 산업용 CHP는 현장에서 증기를 발생시키거나 연료를 연소시키고 배전망에서 전력을 수입하는 것에 비해 탄소 배출량이 크게 줄어들기 때문에 더욱 매력적으로 다가왔다.

소규모 산업용 공동 발전 장치는 5 MW ~ 25 MW의 출력 용량을 가지며 탄소 [32]배출을 줄이기 위한 다양한 원격 애플리케이션에 대한 실행 가능한 오프 그리드 옵션을 나타냅니다.

전력 공급 압력과 자가 발전 산업용

산업용 열병합 발전소는 일반적으로 유틸리티보다 훨씬 낮은 보일러 압력으로 작동합니다.그 이유로는 1) 열병합 발전소는 반환된 응축수의 오염 가능성에 직면한다.열병합 발전소의 보일러 급수는 100% 응축 발전소보다 회수율이 훨씬 낮기 때문에, 업계는 일반적으로 그에 비례하여 더 많은 보일러 구성수를 처리해야 합니다.보일러 급수는 산소가 전혀 없고 탈염이 되어야 하며, 압력이 높을수록 [5]급수의 순도가 매우 중요합니다.2) 전력회사는 일반적으로 산업계보다 규모가 큰 전력회사이기 때문에 고압으로 인한 높은 자본비용을 상쇄할 수 있습니다.3) 전력회사는 증기 또는 전력 수요의 상당 부분을 차지할 수 있는 장치의 셧다운 또는 시동을 다루는 산업 운영보다 부하 변동이 심하지 않습니다.

열회수증기발생기

열회수증기발생기(HRSG)는 CHP 플랜트의 가스터빈 또는 왕복 엔진에서 나오는 뜨거운 배기가스를 사용하여 물을 가열하고 증기를 발생시키는 증기 보일러입니다.증기는 차례로 증기 터빈을 구동하거나 열을 필요로 하는 산업 공정에서 사용됩니다.

CHP 산업에 사용되는 HRSG는 다음과 같은 주요 특징으로 기존의 증기 발생기와 구별됩니다.

  • HRSG는 결합될 가스터빈 또는 왕복 엔진의 특정 특성을 기반으로 설계되었습니다.
  • 배기가스 온도가 비교적 낮기 때문에 주로 대류를 통해 열전달이 이루어진다.
  • 배기 가스 속도는 헤드 손실을 줄여야 하는 필요성에 의해 제한됩니다.따라서 투과계수가 낮기 때문에 가열 표면적이 커야 합니다.
  • 가열되는 가스와 가열되는 유체(증기 또는 물)의 온도차가 낮고 열전달계수도 낮기 때문에 증발기 및 이코노마이저는 플레이트핀 열교환기로 설계된다.

바이오매스를 이용한 열병합 발전

바이오매스는 사탕수수, 식물성 기름, 목재, 유기 폐기물 및 식품이나 농업의 잔류물과 같이 열이나 전기의 원천으로 재사용될 수 있는 식물 또는 동물 물질을 말한다.브라질은 현재 [33]바이오매스에 의한 에너지 생성에 관해 세계적으로 참고가 되고 있다.

발전용 바이오매스 사용의 성장 부문은 설탕과 알코올 부문으로, 사탕수수 바가세스를 주로 화력 발전의 연료로 사용하고 있다.

설탕 및 알코올 분야의 전력 열병합 발전

사탕수수 산업에서 열병합은 설탕 정제에서 나오는 바가스 잔류물에 의해 추진되며, 바가스 잔류물은 증기를 생성하기 위해 연소된다.일부 증기는 발전기를 돌리는 터빈을 통해 보내져 [35]전력을 생산할 수 있다.

브라질에 소재한 사탕수수 산업의 에너지 열병합은 최근 몇 년간 증가하고 있는 관행이다.설탕과 알코올 부문에서 에너지 열병합이 채택됨에 따라 사탕수수 산업은 운영에 필요한 전기 에너지 수요를 공급하고 상용화할 [36][37]수 있는 잉여를 창출할 수 있게 되었다.

사탕수수 바가세스를 이용한 열병합 발전의 장점

천연가스 등 화석연료 열전 발전소에 의한 발전보다 사탕수수 바가스 등을 이용한 에너지 발전은 CO 배출 [38]감소에2 따른 환경적 이점이 있다.

환경상의 이점 외에, 사탕수수 바가세스를 이용한 열병합은, 생산되는 에너지의 최종 목적지를 통해서, 열전 발전 대비 효율의 면에서 이점을 나타낸다.열전 발전 중에는 발생하는 열의 일부가 손실되며, 열병합 발전에서는 이 열이 생산 공정에서 사용될 가능성이 있으므로 [38]공정의 전반적인 효율이 높아집니다.

사탕수수 바가스 사용 열병합 발전의 단점

사탕수수 재배에서는 보통 염화칼륨(KCl)과 같은 고농도의 염소를 함유한 칼륨 소스를 사용합니다.KCl이 대량으로 도포되는 것을 감안하면 사탕수수는 고농도의 [39]염소를 흡수하게 된다.

이 흡수에 의해 전력 열병합으로 사탕수수 바가세가 연소되면 다이옥신이나 염화메틸이 방출된다.다이옥신의 경우, 이 물질들은 매우 독성이 있고 [41][42][43]암으로 간주됩니다.

염화메틸의 경우 이 물질이 방출돼 성층권에 도달하면 오존 분자와 결합하면 촉매반응이 일어나 오존 [40]고리가 파괴되기 때문에 오존층에 매우 해롭다.

각 반응 후에, 염소는 다른 오존 분자와 함께 파괴적인 사이클을 시작합니다.이런 식으로, 하나의 염소 원자는 수천 개의 오존 분자를 파괴할 수 있다.이 분자들은 분해되기 때문에 자외선을 흡수할 수 없다.그 결과, 자외선은 지구에서 더 강렬하고 지구 [40]온난화의 악화가 있다.

히트 펌프와의 비교

히트 펌프는 다음과 같이 CHP 유닛과 비교할 수 있습니다.열에너지를 공급하기 위해 터보 제너레이터의 배기 증기를 시스템이 대부분의 전기를 생산하는 온도보다 높은 온도에서 공급해야 하는 경우, 열 펌프가 낮은 출력 온도와 높은 효율로 작동하는 제너레이터에서 전력을 공급하여 동일한 열을 공급하기 위해 사용된 것과 같은 열 생성 손실이 발생합니다.ncy.[44] 일반적으로 모든 전기 장치 손실 시 약 90°C(194°F)에서 약 6단위의 열을 사용할 수 있습니다.따라서 CHP는 [45]6의 히트 펌프에 비해 효과적인 성능 계수(COP)를 가집니다.그러나 원격으로 작동하는 열 펌프의 경우, 배전망의 손실은 6% 정도로 고려해야 합니다.손실은 전류의 제곱에 비례하기 때문에 피크 기간 동안 손실은 이것보다 훨씬 높으며, 실질적으로 보강되지 않는 한 광범위한(즉, 열 펌프의 도시 전체에 적용) 배전 및 전송 그리드의 과부하가 발생할 수 있다.

또한 열 펌프와 결합된 열 구동 작동을 실행할 수도 있습니다. 열 요구량이 열[clarification needed] 펌프를 구동하는 데 과도한 전기가 사용됩니다.열 수요가 증가함에 따라 열 펌프를 구동하기 위해 더 많은 전기가 생성되고 폐열도 가열 오일을 가열합니다.

열 펌프의 효율은 열단과 냉단의 온도 차이(차이가 감소함에 따라 효율이 상승)에 따라 달라지기 때문에 가정 난방에 적합하지 않은 비교적 낮은 등급의 폐열이라도 열 펌프와 결합하는 것이 가치 있을 수 있습니다.예를 들어, 15°C(59°F)에서 충분히 많은 양의 냉각수를 저장하면 -20°C(-4°F) 밤 동안 냉기에서 흡입하는 공기 소스 열 펌프에 비해 이러한 저장소에서 흡입하는 열 펌프의 효율성을 크게 개선할 수 있습니다.에어컨과 온수에 대한 수요가 모두 있는 여름에는 동일한 물이 에어컨 장치에 의해 거부되는 폐열의 "덤프"와 온수를 공급하는 열 펌프의 "공급원" 역할을 모두 할 수도 있습니다.이러한 고려사항은 온도가 보통 [46]지역난방에 사용되는 온도보다 훨씬 낮은 "열원"을 사용하는 "냉간 지역난방"의 배후에 있습니다.

분산 생성

대부분의 선진국은 전력 수요의 대부분을 대규모 전력 출력 용량을 갖춘 대규모 중앙 집중식 시설에서 생산한다.이러한 발전소는 규모의 경제로부터 이익을 얻지만, 송전 손실을 초래하는 먼 거리에 걸쳐 전기를 전송해야 할 수 있습니다.열병합 또는 트리거링 생산은 현지 수요의 제약을 받기 때문에 때로는 감소가 필요할 수 있다(예: 수요에 맞는 열 또는 냉각 생산).주요 도시에서 트리거링 응용 프로그램을 사용하는 열병합 발전의 예는 뉴욕 시 증기 시스템입니다.

열효율

모든 열 엔진은 증기 터빈 발전소의 경우 카르노 사이클 또는 서브셋 랭킨 사이클의 이론적 효율성 한계 또는 증기 터빈 플랜트가 있는 가스터빈의 브레이튼 사이클의 적용을 받는다.증기 발전으로 인한 효율성 손실의 대부분은 터빈이 저온 및 압력 증기를 콘덴서로 소진할 때 회수되지 않는 증기의 기화 잠열과 관련이 있습니다.(콘덴서에 대한 일반적인 증기는 콘덴서 용량에 따라 냉각수 온도보다 약 5°C/11°F 더 뜨거운 절대 압력과 약 몇 밀리미터입니다.열병합 발전에서 이 증기는 프로세스 열, 건물 열 또는 흡수 냉각기를 통한 냉각에 사용될 수 있는 더 높은 온도의 터빈에서 나옵니다.이러한 열의 대부분은 증기가 응축될 때 발생하는 기화 잠열에서 비롯됩니다.

열병합발전 시스템의 열효율은 다음과 같이 정의됩니다.

장소:

  • t \ \_ } =
  • \ = 모든 시스템의 총 작업 출력
  • - \ _ { } = 시스템에 대한 총 열 입력

흡열 냉각기 덕분에 (여름 등) 냉각에도 열 출력을 사용할 수 있습니다.동시에 냉각이 이루어지는 경우 트리거링 시스템의 열 효율은 다음과 같이 정의됩니다.

장소:

  • t \ \_ } =
  • \ = 모든 시스템의 총 작업 출력
  • - \ _ { } = 시스템에 대한 총 열 입력

일반적인 열병합발전 모델에는 다른 시스템과 마찬가지로 손실이 있습니다.아래의 에너지 분포는 총 입력 [47]에너지의 백분율로 표시됩니다.

  • 전력 = 45 %
  • 열 + 냉각 = 40%
  • 열손실 = 13%
  • 전선 손실 = 2%

기존의 중앙 석탄 또는 원자력 발전소는 입력 열의 약 33-45%를 [48][5]전기로 변환한다.브레이튼 사이클 발전소는 최대 60%의 효율로 가동됩니다.기존 발전소의 경우, 이러한 열의 약 10-15%가 보일러 스택에서 손실됩니다.나머지 열의 대부분은 터빈에서 발생하는 저급 폐열로 국지적으로 크게 사용되지 않으므로 일반적으로 응축기를 [5]통과하는 냉각수로 인해 환경에 거부됩니다.터빈 배기가스는 일반적으로 주위 온도 바로 위에 있기 때문에, 열병합 [49]발전을 위해 터빈으로부터 고온 증기를 제거하는 과정에서 일부 잠재적 발전량이 희생됩니다.

열병합 발전이 실용적이고 열의 최종 사용이 비교적 근접해야 한다(일반적으로 2km 미만).소규모 분산형 전기 발전기의 효율은 대형 중앙 발전소보다 낮을 수 있지만, 폐열을 국지적 냉난방 용도로 사용하면 전체 1차 연료 공급량의 80%[48]까지 사용할 수 있습니다.이는 상당한 재정적, 환경적 이점을 제공합니다.

비용.

다음 항목도 참조하십시오.전원별 전기요금

일반적으로 가스 화력발전소의 경우 kW당 전체 설치 비용은 약 £400/kW(577달러)로 대형 중앙 발전소와 [50]견줄 만하다.

역사

유럽의 열병합 발전

이탈리아 페레라 에르보그논(PV)에 있는 열병합발전소

EU는 CHP 지령을 통해 에너지 정책에 열병합 발전을 적극적으로 도입하고 있다.2008년 9월, 유럽의회 도시 하숙집단의 청문회에서, 에너지 커미셔너 Andris Piebalgs는 「공급의 안전은 에너지 [51]효율로부터 시작된다」라고 말했다.에너지 효율과 열병합은 유럽연합의 열병합 발전 지침 2004/08/EC의 첫 단락에서 인정된다.이 지시는 열병합 발전을 지원하고 국가별로 열병합 발전 능력을 계산하는 방법을 확립하는 것을 목적으로 한다.열병합 발전의 발전은 지난 수십 년 동안 매우 고르지 못했으며 국가적인 상황에 의해 지배되어 왔다.

유럽연합은 전력의 11%를 열병합발전으로 [52]생산한다.그러나 에너지 절약량의 편차가 2%에서 60% 사이에 있는 회원국 간에는 큰 차이가 있다.유럽에는 세계에서 가장 열병합형 발전 경제가 높은 세 나라가 있습니다.덴마크, 네덜란드, 핀란드.[53]2012년 핀란드의 기존 화력발전소에서 발생한 전력 28.46TWh 중 81.80%가 열병합 [54]발전이었다.

다른 유럽 국가들도 효율성을 높이기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.독일은 현재 총 전력 수요의 50% 이상이 열병합 발전을 통해 제공될 수 있다고 보고했다.지금까지 독일은 2020년까지 전력의 12.5%에서 25%로 전력 열병합 발전량을 두 배로 늘리겠다는 목표를 세우고 이에 [55]따른 지원 법안을 통과시켰다.영국 또한 열과 전력을 합친 것을 적극적으로 지원하고 있다.2050년까지 이산화탄소 배출량을 60% 줄이겠다는 영국의 목표를 고려하여 정부는 [56]2010년까지 정부 전력 사용량의 최소 15%를 CHP에서 조달하는 것을 목표로 설정했습니다.CHP 성장을 촉진하는 다른 영국의 조치는 재정적 인센티브, 보조금 지원, 더 큰 규제 프레임워크, 그리고 정부의 리더십과 파트너십이다.

G8 국가의 열병합 발전 확장에 대한 IEA 2008 모델링에 따르면, 프랑스, 독일, 이탈리아 및 영국의 열병합 발전 확대만으로도 2030년까지 기존 1차 연료 절감액의 두 배가 될 것이다.이로 인해 유럽의 절약량은 현재의 155.69Twh에서 2030년에는 465Twh로 증가할 것이다.또한 2030년까지 각국의 총 공동 발전 전력이 16%에서 29% 증가할 것이다.

각국 정부는 COGEN Europe와 같은 조직에 의해 CHP 노력에 도움을 받고 있으며, COGEN Europe는 유럽의 에너지 정책 내에서 가장 최근의 업데이트를 위한 정보 허브 역할을 하고 있습니다.COGEN은 열병합 발전 산업의 이익을 대표하는 유럽의 주요 조직입니다.

유럽 공공-민간 파트너십 Fuel Cells and Hydrogen Joint Consigning 7번째 프레임워크 프로그램 프로젝트 en.field는 2017년에[57] 12개 주에 1,000개의 가정용 연료전지 복합 열 및 전력(micro-CHP) 설비를 구축한다.2012년에는 처음 2개의 설치가 실시되었습니다.[58][59][60]

영국의 열병합발전

영국에서는 열과 전력의 결합 품질 보증 제도가 열과 전력의 결합 생산을 규제하고 있습니다.그것은 1996년에 도입되었다.입력 및 출력 계산을 통해 기존의 개별 열 및 전기 생성에 대한 1차 에너지 절약 달성 측면에서 "우량 품질 CHP"를 정의합니다.열병합 발전 설비가 정부 보조금 및 세금 [61]우대 혜택을 받을 수 있도록 열 및 전력 결합 품질 보증 준수가 요구된다.

미국의 열병합발전

매사추세츠주 캠브리지에 있는 250MWendall 열병합발전소 공장

아마도 현대 에너지 재활용의 첫 번째 사용은 토마스 에디슨에 의해 이루어졌을 것이다.1882년 세계 최초의 상업용 발전소인 펄 스트리트 스테이션은 열과 발전소가 결합된 발전소로 폐열을 사용하여 주변 [62]건물을 따뜻하게 하는 동시에 전기와 열에너지를 생산했습니다.재활용을 통해 에디슨의 공장은 약 50%의 효율을 달성할 수 있었다.

1900년대 초, 지역 전력회사가 관리하는 중앙집중식 발전소의 건설을 통해 농촌의 전기화를 촉진하는 규제가 나타났다.이러한 규제는 시골 전역에 전기화를 촉진했을 뿐만 아니라 열병합발전과 같은 분산형 발전도 저해했다.

1978년까지 의회는 중앙 발전소의 효율이 정체되었음을 인식하고 공공 사업 규제 정책법(PURPA)을 통해 효율 개선을 장려하고자 했다. 이 법은 공공 사업자가 다른 에너지 생산자로부터 전력을 구매하도록 장려했다.

열병합 발전소가 증식하여 곧 미국 [63]전체 에너지의 약 8%를 생산하였다.그러나 이 법안은 시행과 집행을 개별 주(州)에 맡겼으며,[citation needed] 결과적으로 미국의 많은 지역에서 거의 또는 전혀 행해지지 않았다.

미국 에너지부는 [citation needed]2030년까지 CHP가 발전 용량의 20%를 차지하도록 하는 공격적인 목표를 가지고 있다.전국에 8개의 클린 에너지 응용[64] 센터가 설립되었습니다.이들의 사명은 '청정에너지'(열과 전력, 폐열 회수, 지역 에너지) 기술을 실행 가능한 에너지 옵션으로 선도하기 위해 필요한 기술 응용 지식 및 교육 인프라를 개발하고 구현과 관련된 인식된 위험을 줄이는 것입니다.애플리케이션 센터의 초점은 최종 사용자, 정책 입안자, 유틸리티 및 업계 이해관계자에게 아웃리치 및 테크놀로지 도입 프로그램을 제공하는 것입니다.

뉴잉글랜드와 중대서양의 높은 전기 요금은 미국의 이러한 지역을 열병합 [65][66]발전소에 가장 유리하게 만든다.

발전 시스템의 응용 프로그램

화석

다음 중 하나의 기존 발전소는 냉각,[67] 열 및 전력 시스템의 복합 시스템으로 전환할 수 있다.

핵

갱신 가능

「 」를 참조해 주세요.

추가 정보

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