Calor e energia combinados

Usina de energia de ciclo combinado ( bloco 3 da usina de Donaustadt ) com calor e energia combinados e uma eficiência geral de até mais de 86%; Comissionamento 2001
A usina de cogeração Berlin-Mitte também é usada além da produção de eletricidade para aquecimento urbano para o distrito governamental.

Calor e energia combinados ( CHP ) (na Alemanha e Áustria) ou calor e energia combinados ( WKK ) (na Suíça) é a geração simultânea de energia mecânica e calor utilizável que surge em um processo termodinâmico conjunto. A energia mecânica geralmente é convertida diretamente em corrente elétrica. O calor é utilizado para fins de aquecimento, como aquecimento local ou distrital ou para processos de produção como calor de processo , e. B. na indústria química, então é uma usina industrial . Na maioria dos casos, o calor é fornecido para aquecer edifícios públicos e privados, então é uma central térmica .

É, portanto, na geração de energia calor útil acoplado de combustíveis e garantir que o fornecimento de calor residual não utilizado reduz para o meio ambiente. Calor e energia combinados permitem economia de combustível de até um terço da energia primária em comparação com a geração separada de eletricidade e calor, mas ao mesmo tempo a eficiência elétrica da usina é um tanto reduzida. Sistemas CHP menores com uma potência elétrica de cerca de 100 kW são de grande importância para o fornecimento de empresas comerciais, piscinas internas e áreas residenciais ou edifícios de apartamentos individuais, as chamadas unidades combinadas de calor e energia (CHP). Sistemas menores são oferecidos no mercado, mas têm uma participação muito pequena na geração de eletricidade e calor.

A vantagem da CHP é a menor necessidade de combustível para o fornecimento simultâneo de eletricidade e calor, o que reduz bastante as emissões de poluentes. O financiamento da Lei Combinada de Calor e Energia (KWKG) e da Lei de Fontes de Energia Renovável (EEG) visa acelerar a expansão. Uma vez que os sistemas de CHP alimentados por combustíveis fósseis continuam a emitir dióxido de carbono , a proteção climática abrangente só pode ser garantida a longo prazo se eles forem alimentados com energias renováveis , como B. Biomassa e gás natural sintético de eletricidade excedente renovável.

introdução

O espectro de produção elétrica e térmica dos sistemas CHP varia de alguns quilowatts a várias centenas de megawatts. Há muito tempo, os chamados mini e micro sistemas combinados de calor e energia , do tamanho de uma máquina de lavar , estão no mercado para uso em casas unifamiliares, edifícios residenciais, pequenos negócios e hotéis. Isso significa que as soluções CHP agora estão disponíveis para todo o espectro de requisitos de calor.

As usinas termelétricas , que cobrem grande parte da demanda de eletricidade na Alemanha, normalmente só geram eletricidade com o calor liberado de um combustível. Se o calor residual z. B. usado para processar calor ou alimentar uma rede de aquecimento , são chamados de sistemas CHP; eles têm uma maior eficiência ou eficiência de combustível (não "eficiência"). Enquanto os sistemas puramente de geração de eletricidade alcançam eficiências (elétricas) entre 33% (sistemas mais antigos) e 61,5% ( usinas de ciclo combinado ), os sistemas CHP alcançam níveis de eficiência de até 85% e mais.

Em comparação com as melhores tecnologias atualmente para a geração separada de eletricidade e calor, os sistemas CHP alcançam economias de energia primária de até 30%, dependendo da situação de fornecimento . O facto de as poupanças não serem ainda maiores, em média, deve-se ao facto de a procura real de electricidade e calor estar sujeita a fortes oscilações. Especialmente quando as residências têm pouca demanda de calor no verão, isso significa que algumas usinas térmicas funcionam em modo de condensação e não podem produzir eletricidade CHP. Isso é remediado com a instalação de tanques de armazenamento de aquecimento urbano para armazenar temporariamente o calor CHP até que ele seja chamado pelos clientes de aquecimento.

O alto potencial de economia que ainda não foi realizado na Alemanha levou o legislador a promover a CHP a fim de superar as barreiras de mercado que existem devido às estruturas centrais de fornecimento na indústria de eletricidade que cresceram ao longo de 100 anos.

tecnologia

No caso da combinação de calor e energia, parte do vapor produzido é extraído em uma usina para fins de aquecimento. Como resultado, a eficiência da geração de energia elétrica diminui um pouco; No entanto, o grau total de utilização pode aumentar para cerca de 90% se o calor residual for totalmente utilizado.

Combustíveis

O princípio da CHP pode ser usado com qualquer combustível e qualquer fonte de calor com um nível de temperatura de aproximadamente 200 ° C. Além de energias fósseis, como carvão , linhita , gás natural e óleo para aquecimento , energias renováveis como biogás , gás de esgoto , óleo vegetal , madeira , pellets , bioetanol , energia solar térmica e geotérmica , bem como resíduos municipais ( incineração de resíduos e gás de aterro ), bem como a energia nuclear .

A operação com hidrogênio sintético ou metano do processo power-to-gas , com o qual excedentes de energias renováveis ​​podem ser armazenados em longo prazo, também é possível. Uma vez que este tipo de geração de calor é bastante intensivo em perdas e, portanto, requer significativamente mais energia em geral do que, por exemplo, geração de calor alternativo com aquecimento por bomba de calor , os sistemas CHP controlados por calor são vistos como tecnologia amplamente inadequada para um futuro sistema de energia renovável com setor acoplamento. Por outro lado, os sistemas de cogeração controlados por eletricidade são considerados uma técnica importante para manter baixa a demanda de energia para a reconversão em eletricidade em tal sistema.

Design e modo de operação

Armazenamento de aquecimento urbano, como compensação de carga térmica para o sistema de cogeração da central de Theiss , com uma capacidade de 50.000 m³, que alimenta a rede de aquecimento urbano Krems. Capacidade de armazenamento 2 GWh por processo de carregamento

É feita uma distinção entre projeto de eletricidade e aquecimento controlado de sistemas de cogeração, dependendo da variável de referência ou da prioridade atribuída a uma das duas formas de energia. Os sistemas controlados por corrente otimizam o rendimento de eletricidade, os sistemas controlados por calor otimizam o rendimento de calor. O mais alto grau de utilização é obtido com um design com controle de calor, porque isso resulta em menores perdas de energia. De um ponto de vista econômico, entretanto, a direção controlada por eletricidade é freqüentemente mais atraente, pois rendimentos significativamente maiores são alcançados por kWh de eletricidade do que por quilowatt-hora de calor. Freqüentemente, uma operação otimizada para eletricidade e com limite de calor é preferida para otimizar os rendimentos do lado da eletricidade, sem ter que dissipar o calor não utilizado por meio de um resfriador de emergência. Neste caso, o funcionamento é orientado para a procura de energia eléctrica, sendo a central de cogeração encerrada se não houver consumo de calor ou se o acumulador de calor estiver cheio. O armazenamento de calor pode ser realizado usando um sistema de armazenamento de aquecimento urbano .

O calor útil gerado é utilizado através de redes de aquecimento como água quente ou vapor de água através de tubos isolados para aquecimento de edifícios e / ou para fins industriais ( calor de processo ).

Com altas proporções de energias renováveis flutuantes no sistema elétrico, os sistemas de cogeração com controle de calor dificultam a integração do sistema de energia eólica e solar , pois geram energia elétrica para cobrir a demanda de calor, mesmo que já exista um excedente de energia eólica ou solar energia. Esses sistemas são chamados de usinas de energia "obrigatórias". Em termos de transição energética , a operação controlada por eletricidade é, portanto, muito mais produtiva. Para ser mais flexível na operação e aumentar a elasticidade de preço , vários componentes adicionais, como caldeiras de pico de carga, armazenamento de calor , sistemas de energia para aquecimento , como B. Caldeiras de eletrodo ou grandes bombas de calor centrais podem ser instaladas. Estes podem então assumir o fornecimento de calor durante os momentos em que apenas a energia térmica é necessária, mas não a energia elétrica, de modo que a usina de CHP pode ser desligada. As caldeiras elétricas e bombas de calor também podem usar qualquer excesso de eletricidade para gerar calor.

Usando grandes armazenamentos de calor, a produção simultânea de calor e eletricidade no processo CHP pode ser desacoplada novamente em termos de tempo, uma vez que a energia térmica pode ser armazenada de forma mais barata do que a energia elétrica. Desta forma, um sistema CHP pode ser operado com eletricidade e ainda garantir o fornecimento de calor. Em tempos de alta eletricidade e baixa demanda de calor, o sistema pode funcionar com carga total e carregar o excesso de calor no tanque de armazenamento. Em tempos de baixa demanda de eletricidade e alta demanda de calor, o sistema CHP pode ser operado em carga parcial ou totalmente desligado; o calor restante pode ser fornecido temporariamente pelo sistema de armazenamento de calor. Esta função de equilíbrio de um armazenamento de calor em um sistema CHP no setor elétrico também é conhecida como armazenamento de eletricidade funcional .

Variantes de planta

Diagrama de blocos de uma unidade CHP. Os números são valores de referência para a temperatura em ° C.

As chamadas unidades combinadas de calor e energia (BHKW) são uma variante cada vez mais difundida . São sistemas CHP de pequeno a médio porte baseados em motores de combustão interna ou turbinas a gás em design modular. Embora com esses sistemas o fornecimento de calor seja limitado a uma determinada propriedade ou à vizinhança imediata (por exemplo, um "bloco" residencial), as estações de energia térmica maiores são usadas para fornecer aquecimento urbano extensivo ou para gerar calor de processo na indústria. Em grandes sistemas de fornecimento de aquecimento urbano, as perdas na rede são maiores do que em centrais elétricas e térmicas integradas em edifícios, o que reduz a eficiência do uso de energia. Por outro lado, à medida que o desempenho dos sistemas aumenta, o valor-chave para eletricidade ( ou seja, a proporção de eletricidade para geração de calor) e, portanto, o rendimento de exergia aumenta , o que por sua vez aumenta a eficiência.

Os sistemas CHP podem incluir:

É feita uma distinção entre usinas CHP com um indicador de potência fixa e variável de acordo com a produção conjunta rígida e dirigível . Em sistemas com uma figura de potência fixa, a saída elétrica e térmica tem uma razão fixa σ. Esses sistemas CHP, como B. motores de combustão interna, turbinas a gás e turbinas de contrapressão só podem ser ligados ou desligados ou operados com carga parcial. Sistemas com um índice de potência variável, como B. turbinas a vapor de extração são mais flexíveis em operação, uma vez que a relação P / Q 'pode ser influenciada em uma ampla faixa, o que apresenta vantagens quando a demanda por energia elétrica e térmica muda. Além da operação de carga parcial, a ênfase pode ser colocada na produção de energia elétrica ou térmica.

Princípio da combinação de calor e energia com um sistema de condensação de extração

Nas centrais de aquecimento de abastecimento público que funcionam com água como material de trabalho - geralmente são turbinas a vapor de extração - a liberação de calor útil é acompanhada por uma redução na produção de eletricidade (menor eficiência elétrica ). O vapor deve ser extraído antes dos últimos estágios da turbina para que sua temperatura seja alta o suficiente para aquecimento, o que gera menos trabalho na seção de baixa pressão. A relação entre o rendimento elétrico mais baixo e o calor útil recuperado é chamada de indicador de perda de energia . A imagem à direita mostra o princípio de remoção de forma simplificada à esquerda. O vapor se ramificou após a seção de média pressão (MD) da turbina , ou seja, antes da seção de baixa pressão (LP), flui para o condensador de aquecimento (HK), onde se liquefaz liberando calor para o circuito de aquecimento urbano (temperatura nível em torno de 100 ° C). A partir daí, o condensado é alimentado no circuito de água de alimentação . O vapor restante trabalha na parte de baixa pressão e é então liquefeito no condensador (Ko) a aproximadamente 30 ° C (dependendo das condições ambientais) e alimentado para o tanque de água de alimentação (não mostrado aqui) através da bomba de condensado ( KoP) . O lado direito da imagem mostra o diagrama Ts idealizado associado (ver processo Clausius-Rankine ) para um estado operacional no qual metade do vapor é usado para fins de aquecimento. Toda a área vermelha corresponde ao calor utilizado, a parte superior hachurada desta área à perda de potência no estágio de baixa pressão.

De trigeração (CHPC) é quando o sistema pode ainda fornecer refrigeração. O calor útil do processo é usado para acionar um resfriador de absorção . Apesar do investimento significativamente maior em comparação com uma máquina de refrigeração por compressão , o sistema CHP pode ser operado economicamente porque o uso de calor para o ar condicionado aumenta a utilização do processo CHP no verão.

Medidas de apoio

Financiamento na Alemanha

Na Alemanha, a CHP é geralmente promovida pela Lei Combinada de Calor e Energia (KWKG). Os sistemas que usam energias renováveis em CHP (por exemplo, CHP de biogás com redes de aquecimento) também podem, opcionalmente, ser remunerados de acordo com a Lei de Fontes de Energia Renovável (EEG).

Lei CHP

Com a lei para a manutenção, modernização e expansão da combinação de calor e energia ( Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG)) na República Federal da Alemanha, a preservação, modernização e expansão de sistemas CHP que usam combustíveis gasosos ou líquidos e não são apoiado pela Lei de Fontes de Energia Renovável. Uma redução adicional nas emissões de dióxido de carbono e as metas de eficiência energética devem ser alcançadas por meio do aumento do uso de sistemas de cogeração .

A Lei CHP entrou em vigor em 1º de abril de 2002. Em 1º de janeiro de 2009, uma emenda à Lei CHP resultou em uma expansão significativa do financiamento. Outras alterações ocorreram em 19 de julho de 2012 e 1 de janeiro de 2016. Os objetivos do KWKG mudaram ao longo do tempo: de uma economia absoluta de gases de efeito estufa para uma participação relativa na geração de eletricidade na Alemanha para um valor absoluto da geração líquida de eletricidade CHP. Entre outras coisas, isso se deveu ao fato de ser mais fácil de medir.

Os operadores de sistemas CHP muito pequenos com uma produção elétrica de até 50 kW recebem uma sobretaxa CHP fixa como um prêmio de mercado por 60.000 horas completas de uso (Vbh); para sistemas CHP maiores, o período de financiamento é de 30.000 Vbh. A sobretaxa de CHP sobre a eletricidade alimentada depende do tamanho do sistema e está entre 3,1 e 8,0 ct / kWh. O consumo próprio ou CHP eletricidade utilizada nas redes locais não recebeu qualquer apoio desde a revisão de 2016, com exceção de pequenos sistemas CHP até 100 kW. No segmento de turbinas de 1 MW a 50 MW, foi lançado um concurso para 200 MW por ano para determinar o valor da adjudicação. Embora todas as propostas tenham apresentado um ligeiro excesso de inscrições desde a introdução do modelo de licitação em 2017, as quantidades licitadas e adjudicadas na ronda de licitações em dezembro de 2019 foram significativamente inferiores à quantidade licitada pela primeira vez.

Gasoduto de aquecimento urbano acima do solo via B36 em Mannheim

Uma vez que a combinação de sistemas de cogeração e sistemas de armazenamento de calor leva a um alto grau de flexibilidade com o uso eficiente de combustível ao mesmo tempo, a legislatura incluiu a promoção de sistemas de armazenamento de calor e frio (cf. calor, energia e resfriamento combinados ) no KWKG. Além disso, a nova construção e expansão das redes de aquecimento e refrigeração é financiada com 30% dos custos de investimento aplicáveis ​​(ou com pequenas larguras de tubo até 100 mm com 100 euros por metro corrido).

Os críticos objetam que o subsídio é muito baixo e que as condições a serem atendidas são muito altas para ajudar a CHP a alcançar um avanço. Outros reclamam que os regulamentos são muito complexos em interação com outras disposições da lei de energia, de modo que muitas partes interessadas são dissuadidas.

Lei de Fontes de Energia Renovável (EEG)

Com a alteração da Lei de Fontes de Energia Renovável ( § 27 Parágrafo 4 EEG 2009), que está em vigor desde 2009 , o uso de calor residual da geração de eletricidade a partir de biomassa (por exemplo, em usinas de biogás e usinas térmicas de biomassa ) recebeu um Bônus de CHP de 3 centavos / kWh eletricidade CHP (EEG 2004: 2 centavos / kWh) estimulado. Este bônus foi compensado com a remuneração básica no âmbito do EEG e era pago pela operadora da rede elétrica a montante. A quantidade de corrente capaz de bônus ( energia de cogeração ) foi calculada como o produto do calor útil (na verdade, calor residual usado) e a característica atual da planta (energia elétrica / Nutzwärmestrom, aqui está - diferente de acima - com calor útil significa a parte teoricamente utilizável; pela engenharia da planta, tal gerador e trocador de calor , a potência nominal de um sistema é especificada.). Um alto grau de eficiência elétrica e o uso intensivo de calor residual aumentaram, portanto, a proporção de eletricidade elegível para bônus. Várias condições tiveram que ser cumpridas a fim de receber o bônus CHP (Anexo 3 do EEG 2009).

Além disso, um outro bônus de tecnologia ( bônus de inovação) de até 2 centavos / kWh foi dado ao usar certas tecnologias CHP ( células de combustível , turbinas a gás, motores a vapor, sistemas orgânicos Rankine , sistemas de mistura multicombustível, em particular Sistemas de ciclo Kalina ou motores Stirling ) (Apêndice 1 do EEG 2009). Essas sobretaxas e pagamentos de bônus foram indiretamente repassados ​​a todos os consumidores finais.

A emenda EEG de 2012 aboliu tanto o bônus CHP quanto o bônus de tecnologia. O bônus CHP agora está integrado à remuneração básica EEG e adotado como um requisito mínimo para usinas de biomassa, em que uma utilização de calor de pelo menos 25 ou 60 por cento é prescrita se não mais do que 60 por cento em massa das frações de estrume líquido são usados. Em vez do bônus de tecnologia, o EEG agora previa um bônus de processamento de gás se menores emissões de metano e menor consumo de eletricidade pudessem ser demonstrados. Com a última reforma EEG em agosto de 2014, o bônus de processamento de gás também foi cancelado a fim de amortecer o desenvolvimento da sobretaxa EEG.

Incentivos fiscais

Para os combustíveis gás natural , óleo para aquecimento e gás liquefeito , o imposto sobre energia , anteriormente " imposto sobre óleo mineral ", foi totalmente reembolsado até 1º de abril de 2012 quando usado em sistemas de cogeração com eficiência anual de pelo menos 70% . Devido a um pedido das autoridades alemãs à Comissão da UE que era de prazo muito curto, o processamento dos pedidos de redução do imposto sobre a energia foi temporariamente suspenso em 2012. Devido a uma mudança na lei, a isenção total só será concedida com efeito retroativo a partir de 1º de abril de 2012 se o sistema ainda não tiver sido totalmente baixado de acordo com a legislação tributária, além do grau mínimo de utilização de 70 por cento e é altamente eficiente na aceção da Diretiva 2004/8 / CE do Parlamento Europeu.

Além disso, nenhum imposto sobre eletricidade (2,05 centavos / kWh) deve ser pago para energia elétrica proveniente de sistemas com até 2 MW de energia elétrica que é usada no “contexto espacial” . Esta isenção não se aplica apenas a sistemas CHP, mas a qualquer sistema com tamanho máximo de 2 MW.

Financiamento na Áustria

Na Áustria, existe um subsídio para centrais térmicas fósseis na forma de que os impostos sobre a energia da energia primária não têm de ser pagos se a eficiência eléctrica for superior a 30%. Isso significa que a geração de calor em sistemas CHP é de fato isenta de impostos ou subsidiada.

A cogeração fóssil foi apoiada na Áustria de 2004 a 2010 com um volume total de cerca de 500 milhões de euros sob a forma de sobretaxas de preço de mercado sobre o preço da eletricidade (tarifas de apoio); no entanto, essa forma de financiamento expirou. Em 2014, foi aprovada uma lei que prevê a promoção da produção de eletricidade a partir de sistemas de combustíveis fósseis através de pontos de cogeração, cujo volume, no entanto, é de apenas 38 milhões de euros por ano. Além disso, usinas de energia como a usina Simmering receberam subsídios de investimento de acordo com a Seção 24 ff da Lei de Eletricidade Verde de 2012 para o trabalho de adaptação.

Financiamento na Suíça

Na Suíça, o acoplamento de energia térmica em usinas de biomassa, tratamento de águas residuais e incineração de resíduos é financiado indiretamente pelo governo federal.

literatura

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Links da web

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