در شرایطی که بحران انرژی و آلودگی محیطزیست به دغدغهای جهانی تبدیل شده، فناوری «تولید همزمان برق و حرارت» یا CHP توانسته توجه بسیاری از کشورها را به خود جلب کند. این سامانهها با بهرهوری بالا، نقش مهمی در کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندههای زیستمحیطی ایفا میکنند.
تولید همزمان (Cogeneration) از نگاه ترمودینامیکی به معنای تولید دو یا چند شکل از انرژی با استفاده از یک منبع انرژی اولیه میباشد؛ نیروگاههای CHP (Combined Heat and Power) یا تولید همزمان برق و حرارت، سیستمهایی هستند که برخلاف نیروگاههای سنتی، فقط به تولید برق بسنده نمیکنند. در این سامانهها، گرمای تولیدشده در فرآیند تولید برق نیز بازیابی شده و برای گرمایش محیط، آب یا فرایندهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.
به گزارش روابط عمومی موسسه جهاد تحقیقات، تولید همزمان برق و حرارت (CHP) مفهومی جدید نیست، بلکه قدمتی بیش از یک قرن دارد. نخستین نمونههایCHP به اواخر قرن نوزدهم بازمیگردد؛ زمانی که توماس ادیسون در سال ۱۸۸۲ در نیروگاه پرل استریت در نیویورک، برق تولیدی را برای تأمین روشنایی و گرمای ساختمانهای اطراف بهکار برد. در واقع، این نخستین بار بود که از گرمای تولیدشده توسط موتورهای بخار برای گرمایش شهری استفاده شد.
در دهههای بعد، به ویژه در دوران جنگ جهانی دوم، استفاده از سیستمهای CHP در کارخانهها و تأسیسات نظامی گسترش یافت. اما با افزایش دسترسی به انرژی ارزان قیمت (مانند نفت) در دهههای ۵۰ و ۶۰ میلادی، توجه به بهرهوری انرژی کاهش یافت و به همین دلیل CHP تا حدی به فراموشی سپرده شد.
با شروع بحران نفت در دهه ۷۰ و افزایش آگاهی زیستمحیطی در دهههای بعد، این فناوری مجدداً مورد توجه قرار گرفت. در دهههای اخیر، به دلیل نگرانیهای زیستمحیطی، افزایش قیمت سوخت و تمرکز جهانی بر انرژی پایدار،CHP به عنوان یک گزینه کارآمد و سبز برای تولید انرژی مطرح شده است.
امروز کشورهای پیشرفتهای چون آلمان، دانمارک، ژاپن و ایالات متحده آمریکا از CHP بهعنوان یکی از پایههای سیاستهای انرژی خود بهره میبرند.
نحوه عملکرد نیروگاه CHP
در نیروگاههایCHP، از یک واحد اولیه برای تولید برق استفاده میشود و همزمان، گرمای تولیدشده در این فرایند نیز بازیابی و مورد استفاده قرار میگیرد. بهطور کلی، عملکرد این سیستم را میتوان در چند مرحله شرح داد:
1. تولید برق
در قلب سیستمCHP، یک دستگاه تولید برق قرار دارد که ممکن است شامل موارد زیر باشد:
- موتور احتراقی (مانند موتور دیزل یا گازسوز)
- توربین گازی یا بخار
- میکروتوربین یا پیل سوختی
این تجهیزات با استفاده از سوخت (مانند گاز طبیعی، بیوگاز، گازوئیل یا حتی انرژی تجدیدپذیر) برق تولید میکنند.
2. تولید و بازیافت حرارت
در حین تولید برق، گرمای زیادی در اجزایی مانند اگزوز، بدنه موتور و سامانههای خنککننده ایجاد میشود. در نیروگاههای سنتی این گرما هدر میرود، اما در سیستمCHP، این حرارت جمعآوری شده و بهوسیله مبدلهای حرارتی برای مصارف زیر استفاده میشود:
- گرمایش فضا (ساختمانها)
- گرم کردن آب (خانگی یا صنعتی)
- فرآیندهای صنعتی نیازمند گرما
- تولید سرمایش (از طریق دستگاههای چیلر جذبی)
** در صورت به کارگیری چیلر جذبی، جهت تولید برودت و استفاده از گرمای قابل بازیافت نیروگاه تولید برق، به منظور تأمین انرژی مورد نیاز ژنراتور چیلر، امکان تولید همزمان برق، گرما و سرما نیز وجود خواهد داشت که چنین سیستمی را CCHP مخفف عبارت Combined Cooling, Heat and Power می نامند.
3. سیستم کنترل و مدیریت انرژی
بخش کنترل در یک نیروگاه CHP، وظیفه مدیریت بهینه مصرف و تولید انرژی را بر عهده دارد. این سیستم به گونهای طراحی شده که بسته به نیازهای حرارتی و الکتریکی محیط، توزیع انرژی را تنظیم میکند تا حداکثر بازده حاصل شود.
مزایای استفاده از نیروگاه CHP
- افزایش بهرهوری انرژی: بازده کلی سیستم به ۷۵ تا ۹۰ درصد میرسد.
- کاهش هزینههای سوخت: بهعلت استفاده حداکثری از انرژی سوخت.
- کاهش آلایندهها: کاهش تولید گازهای گلخانهای.
- تأمین پایدار انرژی: بهویژه در مواقع بحران یا قطع برق.
چالشها و محدودیتها
نیروگاههای CHP نیاز به سرمایهگذاری اولیه نسبتاً بالا دارند. همچنین طراحی و نگهداری صحیح این سیستمها برای دستیابی به حداکثر بازده اهمیت زیادی دارد.
در برخی مناطق نیز محدودیتهای قانونی یا دسترسی به سوخت مناسب میتواند مانع اجرای این فناوری شود.
بهرهگیری از CHP میتواند تا حد زیادی وابستگی به سوختهای فسیلی را کاهش داده و انتشار گازهای گلخانهای را مهار کند. همچنین این سیستمها به دلیل توزیعشدگی و استقلال عملکرد، در مواقع بحران یا قطع برق، عملکرد پایدارتری دارند.
جمعبندی
به گزارش روابط عمومی موسسه جهاد تحقیقات، در جهانی که بهسوی بهرهوری بیشتر و کربن کمتر حرکت میکند، نیروگاههای CHP یکی از پاسخهای امیدوارکننده برای آینده انرژی پاک، اقتصادی و پایدار هستند. توسعه این فناوری نهتنها گامی در مسیر کاهش آلودگی، بلکه فرصتی برای تحول در زیرساختهای انرژی کشورها خواهد بود.
نیروگاههای CHP نمونهای از نوآوریهای موثر در حوزه انرژی هستند که با بهرهگیری از یک منبع سوخت، دو نوع انرژی مفید (برق و حرارت) را بهطور همزمان تأمین میکنند.
استفاده گستردهتر از این سیستمها میتواند گامی مؤثر در جهت کاهش مصرف انرژی، کاهش هزینهها و حفظ محیطزیست باشد.