سیستم‌های CHP به‌طور همزمان برق و حرارت تولید می‌کنند و سوخت را به شکل بهینه استفاده می‌کنند. در نیروگاه‌های معمولی فقط حدود یک سوم انرژی سوخت به برق تبدیل می‌شود و بقیه به صورت حرارت هدر می‌رود، اما سیستم‌های CHP این حرارت را جمع‌آوری کرده و به انرژی تبدیل می‌کنند. با استفاده از این سیستم‌ها می‌توان همان میزان برق و حرارت را با حدود ۳۵ درصد سوخت کمتر تولید کرد، که علاوه بر صرفه‌جویی در منابع فسیلی، به کاهش آلودگی محیط زیست هم کمک می‌کند.
در ادامه این مقاله، به‌صورت جامع بررسی می‌کنیم نیروگاه CHP چیست، چگونه کار می‌کند، چه انواعی دارد، مزایا و معایب آن چیست و قیمت دستگاه CHP در ایران چقدر است؟
عبارت CHP مخفف Combined Heat and Power به معنی تولید همزمان برق و حرارت از یک منبع انرژی است. برخلاف نیروگاه‌های معمولی که بخش زیادی از حرارت تولیدشده هدر می‌رود، در CHP این حرارت بازیافت شده و برای گرمایش ساختمان‌ها، کارخانه‌ها یا سایر مصارف صنعتی استفاده می‌شود.
این نیروگاه‌ها می‌توانند از توربین گازی، توربین بخار یا موتورهای احتراقی برای تولید انرژی استفاده کنند و سوخت آن‌ها می‌تواند شامل گاز طبیعی، سوخت‌های فسیلی، انرژی خورشیدی، زیست‌توده یا حتی انرژی زمین‌گرمایی باشد. معمولا گاز طبیعی رایج‌ترین سوخت است.
اگر سیستم مجهز به چیلر جذبی باشد، می‌تواند علاوه بر برق و حرارت، سرمایش هم تولید کند. چنین سیستمی به نام CCHP شناخته می‌شود و برای کارخانجات، فروشگاه‌های بزرگ و ساختمان‌های بلند بسیار کاربرد دارد.
در صورت نیاز به دریافت مشاوره طراحی و اجرای پروژه های تاسیساتی صنعتی و ساختمانی همین الان با متخصصین ما تماس حاصل فرمایید.
یک سیستم تولید همزمان برق و حرارت (CHP) از چند بخش اصلی تشکیل شده است که شامل موارد زیر می‌باشد:
موتور یا توربین اولیه: این بخش انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. انواع آن شامل موتورهای احتراق داخلی گازسوز یا دیزلی، توربین‌های گازی، توربین‌های بخار و حتی پیل‌های سوختی است.
ژنراتور: ژنراتور انرژی مکانیکی تولیدشده توسط موتور یا توربین را به انرژی برق تبدیل می‌کند.
مبدل حرارتی بازیاب گرما (Heat Recovery Unit): حرارت خروجی از موتور یا گازهای داغ اگزوز جمع‌آوری شده و به آب گرم، بخار یا هوای گرم قابل استفاده تبدیل می‌شود.
سیستم کنترل و توزیع: این سیستم وظیفه مدیریت و بهینه‌سازی تولید و توزیع برق و حرارت را بر عهده دارد.
سیستم‌های CHP به دلیل راندمان بالا و قابلیت تولید همزمان برق و حرارت، در صنایع و مکان‌هایی که مصرف انرژی قابل توجه است، کاربرد دارند، از جمله:
• بیمارستان‌ها
• دانشگاه‌ها و مجتمع‌های آموزشی
• کارخانه‌ها و صنایع بزرگ
• هتل‌ها و مراکز تجاری
• مناطق مسکونی بزرگ و شهرک‌ها
• گلخانه‌ها و مراکز کشاورزی صنعتی
برای اطلاعات بیشتر درباره راه‌های صرفه‌جویی انرژی در سیستم‌های هوای فشرده صنعتی، به مقاله ۱۱ راهکار صرفه‌جویی انرژی در سیستم‌های هوای فشرده صنعتی مراجعه کنید.
نیروگاه CHP یا تولید همزمان برق و حرارت، سیستمی است که هم برق و هم حرارت مفید از یک منبع انرژی تولید می‌کند. فرآیند کار این نیروگاه به شکل زیر است:
مرحله اول: تامین سوخت و هوا
گاز طبیعی از طریق لوله اصلی وارد نیروگاه می‌شود و فشار آن توسط ایستگاه کاهش فشار تنظیم می‌شود. همزمان هوا از طریق فن و فیلترهای مخصوص وارد موتور می‌شود تا مخلوط مناسبی از گاز و هوا برای احتراق فراهم شود.
مرحله دوم: احتراق و تولید انرژی مکانیکی
موتور، که معمولا از نوع چهارزمانه است، گاز و هوا را می‌سوزاند و انرژی شیمیایی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. این انرژی مکانیکی توسط پیستون‌ها و میل‌لنگ به حرکت دورانی تبدیل شده و به ژنراتور منتقل می‌شود.
مرحله سوم: تولید برق
ژنراتور انرژی مکانیکی دورانی را به برق تبدیل می‌کند. سپس برق تولیدشده با استفاده از ترانسفورماتورها به ولتاژ مناسب رسانده شده و پس از کنترل و حفاظت، به شبکه برق سراسری منتقل می‌شود.
مرحله چهارم: بازیافت حرارت
حرارت تولیدشده در موتور از طریق سیستم‌های خنک‌کننده (آب و روغن) جمع‌آوری می‌شود. آب گرم یا بخار حاصل از این فرآیند، پیش از خنک‌سازی نهایی موتور، به مبدل‌های حرارتی (Heat Exchanger) یا بویلر منتقل می‌شود تا برای گرمایش ساختمان‌ها، فرآیندهای صنعتی یا تولید برودت استفاده شود.
مرحله پنجم: تولید سرمایش (در صورت نیاز)
در سیستم‌های CCHP، حرارت جمع‌آوری‌شده می‌تواند به چیلرهای جذبی منتقل شود تا سرمایش تولید شود. این کار باعث می‌شود یک نیروگاه بتواند همزمان برق، گرما و سرما ارائه دهد.
به طور خلاصه، نیروگاه CHP از یک سوخت، چند نوع انرژی مفید تولید می‌کند:
• برق برای شبکه یا مصرف داخلی
• حرارت برای گرمایش یا فرآیند صنعتی
• در سیستم‌های پیشرفته، برودت نیز تولید می‌شود
این فرآیند باعث افزایش راندمان کل نیروگاه و کاهش هدررفت انرژی می‌شود و امکان تامین همزمان نیازهای برق و حرارت یک ساختمان یا کارخانه را فراهم می‌کند.
سیستم‌های تولید همزمان برق و حرارت (CHP) بر اساس نوع تجهیزات تولید انرژی و نحوه استفاده از سوخت و حرارت، به چند دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
در سیستم توربین گازی، گازهای داغ خروجی از محفظه احتراق با دمای بین ۹۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد وارد توربین می‌شوند و با دمای ۴۵۰ تا ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد از آن خارج می‌شوند. این گازهای داغ منبع مناسبی برای تأمین انرژی حرارتی مجموعه هستند. توربین گازی CHP معمولاً در صنایع بزرگ و مجتمع‌های صنعتی برای تولید برق و گرمایش استفاده می‌شود.
موتورهای رفت و برگشتی بر اساس نوع احتراق به دو دسته تقسیم می‌شوند:
• موتورهای احتراقی تراکمی: ظرفیت حدود ۱۵ مگاوات و راندمان بین ۳۵ تا ۴۵٪
• موتورهای احتراقی جرقه‌ای: ظرفیت تا ۴ مگاوات و راندمان حدود ۳۵٪
گازهای حاصل از احتراق در این موتورها دمایی حدود ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد دارند و می‌توان با استفاده از آن آب گرم تا ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد برای گرمایش تأمین کرد. این سیستم‌ها معمولا در بیمارستان‌ها، هتل‌ها و ساختمان‌های بزرگ کاربرد دارند.
در سیستم توربین بخار، بخار تولیدشده در بویلر قبل از استفاده در فرآیند صنعتی، وارد توربین می‌شود و انبساط پیدا می‌کند. این عمل تولید برق را به همراه دارد و بخار خروجی از توربین نیز همچنان برای گرمایش یا فرآیندهای صنعتی قابل استفاده است. توربین بخار CHP برای صنایع بخارمحور و پالایشگاه‌ها مناسب است.
در این بخش می‌خواهیم مزایا و معایب سیستم CHP آشنا سازیم:
• هزینه اولیه بالا: سرمایه‌گذاری اولیه قابل توجه است.
• نیاز به نگهداری تخصصی: سیستم‌های CHP به سرویس و مانیتورینگ دقیق نیاز دارند.
• وابستگی به نوع سوخت: عملکرد بهینه معمولا با گاز طبیعی حاصل می‌شود.
• کاهش صرفه اقتصادی در مصرف متغیر: در مکان‌هایی که تقاضای حرارت یا برق فصلی است.
• راندمان بسیار بالا: تا ۸۵٪ انرژی سوخت قابل استفاده است.
• صرفه‌جویی در مصرف سوخت: کاهش مصرف تا حدود ۳۵٪ نسبت به سیستم‌های جداگانه.
• کاهش آلودگی و انتشار CO₂: به دلیل مصرف کمتر سوخت فسیلی.
• تأمین همزمان برق و حرارت در محل مصرف: بدون تلفات شبکه انتقال.
• افزایش پایداری تأمین انرژی: مناسب برای صنایع حساس مانند بیمارستان‌ها و مراکز داده.
قیمت دستگاه CHP به عوامل متعددی مانند
• ظرفیت
• نوع موتور یا توربین
• برند سازنده
• تجهیزات جانبی
بستگی دارد. در مقیاس‌های کوچک (زیر یک مگاوات)، قیمت یک نیروگاه CHP ممکن است از چند میلیارد تومان آغاز شود. اما باید توجه داشت که این سیستم‌ها معمولا در مدت ۳ تا ۵ سال بازگشت سرمایه دارند و پس از آن، صرفه‌جویی قابل‌توجهی در هزینه‌های انرژی ایجاد می‌کنند.
برای پروژه‌های صنعتی بزرگ، امکان طراحی سفارشی و محاسبه دقیق طرح توجیهی نیروگاه CHP وجود دارد تا بازده اقتصادی آن به حداکثر برسد.
جمع بندی
استفاده از نیروگاه‌های CHP به دلیل راندمان بالای آن‌ها و قابلیت تولید همزمان برق و حرارت، نقش مهمی در کاهش مصرف انرژی و صرفه‌جویی در سوخت‌های فسیلی دارد. این سیستم‌ها علاوه بر کاهش هزینه‌های انرژی، انتشار آلاینده‌های زیست‌محیطی مانند دی‌اکسیدکربن، اکسیدهای نیتروژن و گوگرد را نیز کاهش می‌دهند و به کنترل بهتر آلودگی کمک می‌کنند. در کشورهایی مانند ایران که مصرف انرژی در صنایع بالا است و به تدریج قیمت سوخت‌ها به سطح بین‌المللی نزدیک می‌شود، به‌کارگیری CHP می‌تواند به بهینه‌سازی مصرف انرژی، کاهش هدررفت منابع ملی و حفاظت از محیط زیست کمک کند و یک راهکار کارآمد برای مقابله با بحران انرژی در آینده به شمار می‌رود.
CHP برق و حرارت تولید می‌کند و CCHP علاوه بر آن، سرمایش هم تولید می‌کند.
سوخت در موتور یا توربین می‌سوزد، برق تولید می‌شود و گرما برای گرمایش یا فرآیند صنعتی بازیافت می‌شود.
هر دو برق و حرارت تولید می‌کنند، اما CHP اصطلاحی تخصصی‌تر برای کاربردهای صنعتی است.
CHP برق و حرارت تولید می‌کند، ولی CCGT فقط برق با سیکل ترکیبی توربین گازی و بخار تولید می‌کند.
HRSG دستگاهی است که گرمای خروجی توربین گازی را به بخار تبدیل می‌کند؛ ولی CCGT کل سیستم تولید برق با سیکل ترکیبی است که از توربین گازی و HRSG برای بازده بالاتر استفاده می‌کند.
هزینه اولیه بالا، نیاز به سوخت مستمر و تعمیرات پیچیده از معایب اصلی هستند.
خیر، CHP برق تولید می‌کند و گرما را بازیافت می‌کند، دیگ بخار فقط بخار تولید می‌کند.
OCGT توربین گازی با سیکل باز است که سریع روشن می‌شود اما بازده پایینی دارد اما CCGT توربین گازی با سیکل ترکیبی است که هم برق بیشتری تولید می‌کند و هم بازده بالاتری دارد.
معمولا Cogen برای مصارف صنعتی و تجاری مناسب است و برای خانه‌ها اقتصادی نیست.