توليد مشترك للطاقة

المقالة الرئيسية: توليد الكهرباء

انظر أيضاً: كهربية

دورة توليد مشترك ثلاثي.

التوليد المشترك أو توليد الحرارة والطاقة Cogeneration (CHP)، هو استخدام محرك حراري أو محطة طاقة لتوليد مشترك للكهرباء والحرارة المفيدة. التوليد الثلاثي أو التبريد، الحرارة والطاقة المشتركة يشير إلى التوليد المشترك للكهرباء والحرارة المفقيدة والتبريد من احتراق وقود أو جامع حرارة شمسية. محطة توليد الكهرباء، الحرارة والبرودة يطل قعليها محطة توليد ثلاثي أو التوليد المتعدد.

التوليد المشترك هو الاستخدام الديناميكي الحراري الكفء للوقود. في الانتاج المنفصل للكهرباء، بعض الطاقة تهدر كحرارة مهدرة، لكن في التوليد المشترك تستخدم تلك الطاقة الحرارية. جميع محطات الطاقة الحرارية يخرج منها انبعاثات حرارية أثناء توليد الكهرباء، والتي يمكن أن تنطلق إلى البيئة الطبيعية عن طريق أبراج التبريد، المداخن، أو بوسائل أخرى. على النقيض فالحرارة التي تحبسها محطات التوليد المشترك، تكون قريبة جداً من المحطة، أو خاصة في سكانديناڤيا وشرق أوروپا - كمياه حارة تستخدم للتسخين المحلي بدرجات حرارة تتراوح من 80 إلى 130 °س. يسمى هذا أيضاً بالتسخين المحلي المشترك للطاقة والحرارة. محطات التوليد المشترك الصغيرة هي مثال على الطاقة اللامركزية. الحرارة المتولد كمنتج جانبي عند درجات معتدلة (100-180 °س، 212–356 °ف) يمكن استخدامها أيضاً في مبردات الامتصاص للتبريد.

الإمداد بدرجات حرارة مرتفعة يشغل في البداية المولدات التي تعمل عن طريق العنفة الغازية أو البخارية ويتسبب في فاقد بدرجات حرارة منخفضة تستخدم فيما بعد لتسخين المياه أو الهواء كما وصفت في التوليد المشترك. النطاقات الأصغر (عادة تحت 1 م.و.) قد تستخدم لتشغيل المحرك الغازي أو محرك الديزل. التوليد الثلاثي يختلف عن التوليد المشترك في أن الحرارة المهدرة تستخدم في التسخين والتبريد، عادة في مبرد الامتصاص. أنظمة محطات التوليد الثلاثي يمكن أن تحقق كفاءة أعلى من محطات التوليد المشترك أو محطات الطاقة التقليدية. في الولايات المتحدة، تطبيق التوليد الثلاثي في المباني يطلق عليه تبريد، تسخين وإمداد المباني بالطاقة. التدفئة والتبريد الناتج يمكن أن تعمل في وقت واحد أو بالتناوب حسب الحاجة وبناء المنظومة.

ويُهتم بتطبيق تلك الطريقة في محطات الكهرباء التي تعمل بالطاقة النووية. حيث تُرفع الكفاءة الإنتاجية للمحطة بإنتاج الماء الساخن إلى جانب الكهرباء وتوزيعهما والاستفادة منهما. وهي عملية استغلال جزء من الطاقة الحرارية بدلاً من رميها وفقدها.

ونظراً للتكاليف الباهظة لبناء شبكة أنابيب لتوزيع الماء الساخن على البيوت والمصانع، تتخاذل معظم محطات توليد القوى الكهربائية عن هذا التوليد المزدوج للكهرباء والماء الساخن، وتكتفي بتوليد الكهرباء فقط على حساب البيئة. لأن التخلص من مياه درجة حرارتها 30 درجة مئوية في الأنهار والبحار بغزارة كبيرة ليس من سبل المحافظة على البيئة.

بالمقارنة بالمحطات المنتجة للكهرباء فقط أو المنتجة للماء الساخن فقط، تستفيد محطات التعشيقة الكهربائية بنسبة أعلى من المصادر الأولية للطاقة حيث تصل كفاءتها الإجمالية (كهرباء + ماء ساخن) إلى نحو 90%.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التقنية

الفكرة الأساسية لطريقة عمل محطة تنتج الكهرباء والماء الساخن: MD توربين بخاري عالي الضغط //ND توربين يعمل بالضغط المنخفض // KoP مكثف ينتج ماءا عند 100 درجة مئوية ترسل إلى البيوت // G مولد كهربائي لتوليد التيار الكهربائي.

يوضح الرسم اعلاه طريقة عمل التعشيقة الكهربائية الحرارية . يسحب البخار الساخن MD بعد مروره وتشغيله التوربين، أي قبل مروره في توربين الضغط البخاري المنخفض ND، يسحب ويوجه إلى مكثف البخار الساخن HK حيث يفقد جزءا من حرارته وينتج ماءا ساخنا عند درجة 100 مئوية تقريبا. ومن هنا ينتج الماء الساخن ويوزع في شبكة أنابيب الماء الساخن لتموين البيوت والمصانع. أما بقية البخار فهو يعمل على تحريك توربين الضغط البخاري المنخفض ND الذي يدير المولد الكهربائي G ، ومنه إلى طلمبة المكثف KoP حيث تنخفض درجة حرارته إلى نحو 25 درجة مئوية، ويتجمع في خزان الغلاية التي تعمل بالفحم (ليست مصورة هنا) لإعادة تسخينه من جديد، ثم تتكرر العملية.

ويوضح الرسم البياني على اليمين العلاقة بين درجة الحرارة T والإنتروبية S، وذلك في حالة تشغيل التعشيقة بحيث تنتج 50 % من طاقتها الكهرباء و50 % ماء ساخن. تعطينا المساحة الصفراء كمية الحرارة التي تتحول إلى كهرباء. وتعطينا المساحة الحمراء في الرسم البياني كمية الحرارة المستغلة للماء الساخن، كما يبين الجزء الأعلى من ذلك المربع (البني اللون ) الجزء الصغير المفقود من الكهرباء بسبب السحب الجزئي للبخار قبل توربين الضغط المنخفض ND.

بذلك تعلو الكفاءة الإنتاجية الإجمالية للمحطة ـ وتقل كمية الحرارة المفقودة في الجو.

 نظرة عامة

Masnedø CHP power station in Denmark. This station burns straw as fuel. The adjacent greenhouses are heated by district heating from the plant.

A cogeneration plant in Metz, France. The 45MW boiler uses waste wood biomass as energy source, and provides electricity and heat for 30,000 dwellings.

 أنواع المحطات

 التبريد

يتبوأ التبريد في البلاد العربية بحكم موقعها مركزا هاما لتبريد جو المنازل والمكاتب وجعل جوها مناسبا لراحة القاطنين والعاملين. وليس من العجيب أنه توجد تعشيقات يمكنها إنتاج البرودة كما تنتج التيار الكهربائي والماء الساخن في نفس الوقت. وطبقا للقانون الأول للحرارة في الديناميكا الحرارية تنتقل الحرارة طبيعيا من الجسم الساخن إلى الجسم البارد. ولكن عملية التبريد التي يقوم بها الإنسان للتبريد إلى درجة حرارة تحت درجة حرارة الغرفة فهي عملية غير طبيعية. ولكنه يستطيع عمل ذلك، أي تبريد الساخن إلى درجة حرارة تحت درجة حرارة الغرفة، وذلك ببذل الشغل كما علـّّمنا القانون الثاني للديناميكا الحرارية (انظر تبريد).

 التكلفة

•  مقالة مفصلة: تكلفة الكهرباء حسب المصدر

عادة، بالنسبة لوحدات توليد الطاقة باستخدام الغاز تصل تكلفة الانتاج لكل ك.و. حوالي 400 جنيه إسترليني/ك.و، وهي متشابه مع محطات الطاقة المركزية الكبرى.

 التاريخ

 التوليد المشترك في أوروپا

محطة توليد مشترك للطاقة الحرارية في فريرا إربونيون پاڤيا، إيطاليا.

 التوليد المشترك في الولايات المتحدة

محطة توليد مشترك بقدرة 250 مـِگاواط في كمبردج، مساتشوستس، الولايات المتحدة.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 تطبيقات في أنظمة توليد الطاقة

 غير متجددة

أي من وحدات الطاقة التقليدية التالية يمكن تحويلها إلى نظام توليد مشترك:

• فحم
• عنفة مصغرة
• غاز طبيعي
• طاقة نووية
• نفط
• عنفة غازية صغيرة

 متجددة

• طاقة شمسية حرارية والألواح الضوئية
• كتلة حرارية

 انظر أيضاً

• فصل الهواء
• دورة كارنو
• CHP Directive
• تكلفة الكهرباء حسب المصدر
• توليد موزع
• District heating
• سياسة الطاقة في الاتحاد الأوروپي
• الأثر البيئي لتوليد الطاقة
• يوروهيت أند پاور
• غاز صناعي
• Micro combined heat and power
• نظام البخار في مدينة نيويورك
• دورة رانكين
• الطاقة المتجددة في أستراليا
• غاز إصطناعي

 قراءات إضافية

• Steam, its generation and use. Babcock & Wilcox. (Numerous editions). {{cite book}}: Check date values in: |year= (help); Cite has empty unknown parameter: |coauthors= (help) An engineering handbook widely used by those involved with various types of boilers. Contains numerous illustrations, graphs and useful formulas. (Not specific to cogeneration). The link leads to an entire free e-Book of an early edition. For current practice a more modern edition is recommended.