Τεχνολογίες Διανεμημένης Παραγωγής Ισχύος

Οι παλινδρομικές μηχανές εσωτερικής καύσης – ΜΕΚ (εικόνα 1) είναι μια ευρέως διαδεδομένη και πολύ γνωστή τεχνολογία. Μόνο στη Βόρειο Αμερική η παραγωγή των μηχανών αυτών αγγίζει τα 35 εκατομμύρια ετησίως για εφαρμογές σε αυτοκίνητα, φορτηγά, κατασκευαστικό εξοπλισμό κλπ. Επίσης, όλοι οι τύποι των μηχανών παραγωγής ισχύος (λέγονται και απλά ντιζελογεννήτριες), από μικρές φορητές γεννήτριες μέχρι τεράστιες μηχανές αρκετών MW, χρησιμοποιούν τις μηχανές αυτές.

Οι μηχανές παραγωγής ισχύος, που επιτυγχάνουν ανάφλεξη με σπινθηριστή (ακολουθούν τον κύκλο Otto), χρησιμοποιούν συνήθως ως καύσιμο φυσικό αέριο, αν και μπορούν να λειτουργήσουν με προπάνιο ή βενζίνη. Οι μηχανές απευθείας έγχυσης (ακολουθούν τον κύκλο Diesel) μπορούν να λειτουργήσουν με πετρέλαιο, “βαρύ” έλαιο που προκύπτει από την κλασματική απόσταξη του πετρελαίου, ενώ κάποιες έχουν τη δυνατότητα να εναλλάσσουν το καύσιμό τους από φυσικό αέριο (με μικρή προσθήκη πετρελαίου) σε 100 % πετρέλαιο. 

Οι σημερινές ΜΕΚ προσφέρουν μικρό αρχικό επενδυτικό κόστος, εύκολη εγκατάσταση, αποδεδειγμένη αξιοπιστία όταν συντηρούνται σωστά, μπορούν να αντιμετωπίσουν τις διακυμάνσεις του φορτίου σχετικά καλά και έχουν τη δυνατότητα να ανακτούν θερμότητα. Οι ΜΕΚ που ανακτούν και θερμότητα είναι ίσως η πιο διαδεδομένη μορφή διανεμημένης παραγωγής ισχύος στην Ευρώπη.

Οι εκπομπές από τις ΜΕΚ έχουν μειωθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια λόγω της χρησιμοποίησης των καταλυτών και εξαιτίας της καλύτερης σχεδίασης και του ελέγχου της καύσης. Οι μηχανές αυτές είναι κατάλληλες για εφαρμογές αδιάλειπτης παραγωγής ισχύος, για κάλυψη αιχμών φορτίου, για συνδυασμένη παραγωγή ηλεκτρική ισχύος και θερμότητας, καθώς και για “ελαφριές” βιομηχανικές εφαρμογές μικρότερες των 10 MW.

2. Αεριοστρόβιλοι (Gas Turbines)

Οι αεριοστρόβιλοι (εικόνα 2) είναι μια αρκετά γνωστή τεχνολογία. Η ισχύς που δίνουν ποικίλει από μερικά KW μέχρι εκατοντάδες MW. Οι αεριοστρόβιλοι παρέχουν την απαραίτητη κινητήρια δύναμη σε αεροπλάνα, μεγάλα πλοία,  αεροσυμπιεστές, καθώς και σε γεννήτριες εταιριών κοινής ωφέλειας (πχ Δ.Ε.Η. στη χώρα μας) ή βιομηχανικής χρήσης.

    

Οι αεριοστρόβιλοι παράγουν υψηλής ποιότητας θερμότητα, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ατμού. Αυτός ο ατμός στη συνέχεια μπορεί να καταναλωθεί είτε για την παραγωγή επιπρόσθετης ισχύος (συνδυασμένος κύκλος) είτε για διάφορες βιομηχανικές χρήσεις, ακόμη και για τηλεθέρμανση. 

Για να λειτουργήσουν, τροφοδοτούνται με φυσικό αέριο, διάφορα παράγωγα του πετρελαίου, ακόμα και με δύο διαφορετικά καύσιμα, καθώς έχουν τη δυνατότητα εναλλαγής. Οι εκπομπές ρύπων από τους αεριοστροβίλους μπορούν να περιοριστούν σε πολύ χαμηλά επίπεδα, αν χρησιμοποιηθούν διάφορες τεχνικές, όπως η “ξηρή” καύση, η έγχυση νερού ή ατμού και η επεξεργασία των καυσαερίων (πχ με καταλύτες).
  

Το κόστος συντήρησης ανά μονάδα ισχύος εξόδου είναι μεταξύ των χαμηλότερων ανάμεσα στις διάφορες τεχνολογίες διανεμημένης παραγωγής ισχύος. Εξαιτίας αυτού και λόγω της υψηλής ποιότητας θερμότητας που παράγουν, οι αεριοστρόβιλοι αποτελούν μια ιδανική επιλογή για βιομηχανικές ή εμπορικές εφαρμογές συνδυασμένου κύκλου (Combined Heat and Power – CHP) μεγαλύτερες των 5 MW.

Οι μικροαεριοστρόβιλοι ή στροβιλογεννήτριες (εικόνα 3) είναι πολύ μικροί αεριοστρόβιλοι που αποδίδουν ισχύ από 30 KW μέχρι 200 KW. Είναι ξεχωριστές μονάδες, που μπορούν όμως και να “συγχωνευτούν” σε μία μεγαλύτερη για την αντιμετώπιση μεγαλύτερων φορτίων. Η τεχνολογία των στροβιλογεννητριών χρησιμοποιείται σε υπερσυμπιεστές αυτοκινήτων και φορτηγών, σε βοηθητικές μονάδες παραγωγής κινητήριας ισχύος για αεροπλάνα και σε μικρά στρατιωτικά αεροσκάφη που κατευθύνονται με τηλεχειρισμό. Η τελευταία εξέλιξη αυτών των μικροαεριοστροβίλων εστιάζεται στη χρησιμοποίησή τους ως υποκινητών υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων και ως μόνιμης πηγής ισχύος για τις διάφορες εφαρμογές διανεμημένης παραγωγής ισχύος. 

Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι άτρακτοι των μικροαεριοστροβίλων περιστρέφονται έως και 100.000 στροφές ανά λεπτό, ενώ είναι συζευγμένες με γεννήτριες υψηλής ταχύτητας. Λόγω της μεγάλης ταχύτητας που αναπτύσσεται στις ατράκτους των γεννητριών, παράγεται ρεύμα υψηλής συχνότητας, το οποίο στη συνέχεια ρυθμίζεται και υποβιβάζεται στα 50 Hz (ή 60 Hz στις Η.Π.Α.).

Τα συστήματα με μικροαεριοστροβίλους είναι ικανά να παράγουν ισχύ με απόδοση της τάξεως του 25 με 30 %, χρησιμοποιώντας έναν ανακυκλοφορητή, ο οποίος μεταφέρει θερμική ενέργεια από τα καυσαέρια πίσω στον εισερχόμενο ατμό. Όπως οι μεγάλοι αεριοστρόβιλοι, έτσι και αυτές οι μονάδες μπορούν να λειτουργήσουν με διάφορα καύσιμα. Τα συστήματα αυτά είναι αερόψυκτα και πολλές φορές, μάλιστα, και τα ρουλεμάν τους είναι αερόψυκτα, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για περίπλοκα συστήματα ψύξης με νερό ή λάδι.

Οι εκπομπές ρύπων των μικροαεριοστροβίλων είναι συγκρίσιμες με αυτές των μεγαλύτερων αεριοστροβίλων. Οι στροβιλογεννήτριες έχουν το κατάλληλο μέγεθος, για να χρησιμοποιηθούν σε εμπορικά κτίρια (καταστήματα, ξενοδοχεία κλπ) και σε “ελαφριές” βιομηχανικές εφαρμογές, είτε για συμπαραγωγή είτε μόνο για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος.

4. Κυψέλες Καυσίμου (Fuel Cells)

Οι κυψέλες καυσίμου (εικόνα 4) παράγουν ισχύ ηλεκτροχημικά σαν τις μπαταρίες και όχι σαν τα συμβατικά συστήματα που μετατρέπουν το καύσιμο σε θερμότητα, στη συνέχεια σε ισχύ στην άτρακτο και τελικά σε ηλεκτρισμό. Αντίθετα με τις μπαταρίες αποθήκευσης, που παράγουν ηλεκτρική ισχύ από αποθηκευμένα χημικά, οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ισχύ, όταν προσδίδεται στο θετικό τους πόλο (άνοδος) υδρογόνο και στον αρνητικό (κάθοδος) οξυγόνο (αέρας). Το υδρογόνο προέρχεται από διάφορες πηγές, με πιο οικονομικά συμφέρουσα την αναμόρφωση του φυσικού αερίου με ατμό.

Υπάρχουν διάφορα είδη κυψελών καυσίμου. Για την διανεμημένη παραγωγή ισχύος ενδιαφέρον παρουσιάζουν κυρίως οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cells – SOFC) και τηγμένου άνθρακα (Molten Carbonate Fuel Cells – MCFC).

Εικόνα 4: Σχηματική διάταξη υβριδικού συστήματος παραγωγής ισχύος συνδυασμένου κύκλου – κυψέλες καυσίμου μαζί με αεριοστρόβιλο (Fuel Cells – Gas Turbine).
   
Οι κυψέλες καυσίμου εκ φύσεως λειτουργούν χωρίς να παράγουν θόρυβο και ακαθαρσίες. Σαν τις μπαταρίες, οι κυψέλες καυσίμου παράγουν συνεχές ρεύμα (DC), το οποίο στη συνέχεια μέσω ενός αντιστροφέα (inverter), μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο (AC) των 50 ή 60 Hz. Αυτά τα στοιχεία των ηλεκτρονικών ισχύος (αντιστροφείς κλπ) μπορούν να συνενωθούν με άλλα στοιχεία, ως μέρος μιας στρατηγικής ελέγχου της ποιότητας της ισχύος, κάτι που είναι ιδανικό για “ευπαθείς” πελάτες – καταναλωτές.

Εξαιτίας του υψηλού τους κόστους, οι κυψέλες καυσίμου είναι ιδανικές για ευαίσθητες περιβαλλοντολογικά περιοχές και για πελάτες που ενδιαφέρονται για ”καθαρή” – ποιοτική ισχύ. Κάποια είδη κυψελών καυσίμου, λόγω του ό,τι είναι αρθρωτά (αποτελούνται από επιμέρους τμήματα που στη συνέχεια συναρμολογούνται), είναι ιδανικά για μικρές εμπορικές ή και για οικιακές εφαρμογές. Άλλα είδη κυψελών καυσίμου λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες (SOFC – MCFC) και είναι έτσι ιδανικά για βιομηχανικές εφαρμογές συμπαραγωγής (ηλεκτρική ισχύς και θερμότητα). 

Τα φωτοβολταϊκά κελιά (εικόνα 6) χρησιμοποιούν ηλιακή ενέργεια, για να παράγουν ισχύ. Μπορούν να τοποθετηθούν οπουδήποτε υπάρχει διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία. Η εφαρμογή αυτών των συστημάτων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε ευαίσθητες περιβαλλοντολογικά περιοχές, καθώς και σε απομονωμένες (εκτός δικτύου) περιοχές. Λόγω όμως του υψηλού τους κόστους, τα οφέλη από τα φωτοβολταϊκά είναι περισσότερο περιβαλλοντολογικά παρά οικονομικά.

Πηγή:

Samaras C., “Simulation of a hybrid Solid Oxide Fuel Cell/micro Gas Turbine power generation system”, Diploma Thesis in the Department of Mechanical Engineering, Aristotle University of Thessaloniki, Greece, May 2007.