Переработка энергии

Переработка энергии — это процесс восстановления энергии, при котором энергия, которая обычно тратится впустую, обычно преобразуется в электричество или тепловую энергию . Осуществляемый на производственных предприятиях, электростанциях и крупных учреждениях, таких как больницы и университеты, он значительно повышает эффективность, тем самым одновременно снижая затраты на электроэнергию и выбросы парниковых газов . Этот процесс известен своим потенциалом для смягчения глобального потепления с выгодой. ^{[1] [2]} Эта работа обычно выполняется в форме комбинированного производства тепла и электроэнергии (также называемого когенерацией ) или рекуперации отработанного тепла .

Рекуперация отработанного тепла — это процесс, который улавливает избыточное тепло, которое обычно выбрасывается на производственных объектах, и преобразует его в электричество и пар или возвращает энергию в производственный процесс в виде нагретого воздуха, воды, гликоля или масла. «Котел-утилизатор отработанного тепла» содержит ряд заполненных водой труб, размещенных по всей области, где выделяется тепло. Когда высокотемпературное тепло встречается с котлом, образуется пар, который, в свою очередь, приводит в действие турбину, которая вырабатывает электричество. Этот процесс похож на процесс других котлов с огневым обогревом, но в этом случае отработанное тепло заменяет традиционное пламя. В этом процессе не используется ископаемое топливо. Металлургические, стекольные, целлюлозно-бумажные, кремниевые и другие производственные предприятия являются типичными местами, где рекуперация отработанного тепла может быть эффективной. ^[1]

Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ), также называемое когенерацией , является, по данным Агентства по охране окружающей среды США , «эффективным, чистым и надежным подходом к производству электроэнергии и тепловой энергии из одного источника топлива. Установив систему ТЭЦ, разработанную для удовлетворения тепловой и электрической базовых нагрузок объекта, ТЭЦ может значительно повысить эксплуатационную эффективность объекта и снизить затраты на электроэнергию. В то же время ТЭЦ сокращает выбросы парниковых газов, которые способствуют глобальному изменению климата». Когда электроэнергия производится на месте с помощью ТЭЦ, избыточное тепло перерабатывается для производства как обработанного тепла, так и дополнительной энергии. ^{[3] [4]}

Утилизация отработанного тепла от кондиционирования воздуха также используется в качестве альтернативы сбросу тепла в атмосферу от холодильных установок. Тепло, утилизированное летом от холодильных установок, хранится в Thermalbanks ^[5] в земле и возвращается обратно в то же здание зимой с помощью теплового насоса для обеспечения отопления без сжигания ископаемого топлива. Этот элегантный подход экономит энергию и углерод в оба сезона за счет утилизации летнего тепла для зимнего использования.

Некоторые компании предлагают продукцию для установки на конденсаторный блок HVAC, для сбора отработанного тепла, которое конденсатор должен отводить в воздух, для нагрева теплопроизводящих устройств, таких как водонагреватели. Эти устройства называются блоками рекуперации тепла (HRU). Для жилых помещений доступны следующие блоки: блок рекуперации тепла HotSpot Energy ^[6] или блоки рекуперации тепла LG ^[7]

Для промышленного применения такие установки обычно называют установками утилизации отходящего тепла (WHRU).

Тепловые насосы и тепловые накопители энергии — это классы технологий, которые могут обеспечить переработку энергии, которая в противном случае была бы недоступна из-за слишком низкой для использования температуры или временного интервала между тем, когда энергия доступна, и тем, когда она нужна. Повышая температуру доступной возобновляемой тепловой энергии, тепловые насосы обладают дополнительным свойством использования электрической энергии (или в некоторых случаях механической или тепловой энергии) путем использования ее для извлечения дополнительной энергии из источника низкого качества (такого как морская вода, вода озера, земля, воздух или отработанное тепло от процесса). В настоящее время ведутся инновационные усилия по полной электрификации промышленности, в том числе с помощью промышленных тепловых насосов ^[8] с уровнями эффективности между COP 5 и 9, использующих многоступенчатую термическую переработку с помощью настроенных на хладагент модулей тепловых насосов.

Технологии хранения тепла позволяют хранить тепло или холод в течение периодов времени от нескольких часов или ночи до межсезонья и могут включать хранение ощутимой энергии (например, путем изменения температуры среды) или скрытой энергии (например, путем фазовых изменений среды, например, между водой и слякотью или льдом). Краткосрочные тепловые накопители могут использоваться для сглаживания пиков в системах централизованного теплоснабжения или распределения электроэнергии. Виды возобновляемых или альтернативных источников энергии, которые могут быть задействованы, включают природную энергию (например, собранную с помощью солнечных тепловых коллекторов или сухих градирен, используемых для сбора зимнего холода), отработанную энергию (например, от оборудования HVAC, промышленных процессов или электростанций) или избыточную энергию (например, сезонно от гидроэнергетических проектов или периодически от ветровых электростанций). Примером может служить Drake Landing Solar Community (Альберта, Канада). Хранение тепловой энергии в скважинах позволяет сообществу получать 97% своего круглогодичного тепла от солнечных коллекторов на крышах гаражей, причем большая часть тепла собирается летом. ^{[9] [10]} Типы хранилищ для разумной энергии включают изолированные резервуары, скважинные кластеры в субстратах от гравия до коренной породы, глубокие водоносные горизонты или неглубокие облицованные ямы, которые изолированы сверху. Некоторые типы хранилищ способны хранить тепло или холод между противоположными сезонами (особенно если они очень большие), а некоторые приложения для хранения требуют включения теплового насоса . Скрытое тепло обычно хранится в ледяных резервуарах или так называемых материалах с изменяющейся фазой (PCM).

Как рекуперация отработанного тепла, так и ТЭЦ представляют собой «децентрализованное» производство энергии, которое отличается от традиционной «централизованной» электроэнергии, вырабатываемой на крупных электростанциях, находящихся в ведении региональных коммунальных служб. ^[4] «Централизованная» система имеет среднюю эффективность 34 процента, требуя около трех единиц топлива для производства одной единицы энергии. ^[11] Благодаря улавливанию как тепла, так и электроэнергии, проекты ТЭЦ и рекуперации отработанного тепла имеют более высокую эффективность.

Исследование Министерства энергетики 2007 года выявило потенциал для 135 000 мегаватт ТЭЦ в США, ^[12] а исследование Национальной лаборатории Лоуренса Беркли выявило около 64 000 мегаватт, которые можно было бы получить из энергии промышленных отходов, не считая ТЭЦ. ^[13] Эти исследования предполагают, что около 200 000 мегаватт — или 20% — от общей мощности электроэнергии может быть получено за счет переработки энергии в США. Таким образом, широкое использование переработки энергии может сократить выбросы, связанные с глобальным потеплением, примерно на 20 процентов. ^[14] Действительно, по состоянию на 2005 год около 42 процентов загрязнения парниковых газов в США приходилось на производство электроэнергии и 27 процентов — на производство тепла. ^{[15] [16]}

Сторонники утверждают, что переработанная энергия стоит дешевле и имеет меньшие выбросы, чем большинство других вариантов энергии, используемых в настоящее время. ^[17]

В настоящее время компания RecyclingEnergy Int. Corp. использует преимущества вторичной энергии в системах вентиляции с рекуперацией тепла , теплового насоса и CHCP. ^[18]

Возможно, первое современное использование переработки энергии было осуществлено Томасом Эдисоном . Его станция Pearl Street Station 1882 года, первая в мире коммерческая электростанция, была ТЭЦ, производившей как электроэнергию, так и тепловую энергию, а также использовавшей отработанное тепло для обогрева соседних зданий. ^[19] Переработка позволила заводу Эдисона достичь примерно 50-процентной эффективности.

К началу 1900-х годов появились правила, способствующие сельской электрификации посредством строительства централизованных заводов, управляемых региональными коммунальными службами. Эти правила не только способствовали электрификации всей сельской местности, но и препятствовали децентрализованному производству электроэнергии, такому как ТЭЦ. Они даже зашли так далеко, что сделали незаконным продажу электроэнергии для не коммунальных служб. ^[20]

К 1978 году Конгресс признал, что эффективность на центральных электростанциях стагнирует, и стремился стимулировать повышение эффективности с помощью Закона о политике регулирования коммунальных услуг (PURPA), который поощрял коммунальные предприятия покупать электроэнергию у других производителей энергии. Количество ТЭЦ росло, и вскоре они стали производить около 8 процентов всей энергии в США ^[21]. Однако законопроект оставил реализацию и обеспечение соблюдения закона на усмотрение отдельных штатов, в результате чего во многих частях страны делалось мало или вообще ничего.

В 2008 году Том Кастен , председатель Recycled Energy Development , заявил: « Мы думаем, что могли бы производить около 19–20 процентов электроэнергии в США с помощью тепла, которое в настоящее время выбрасывается промышленностью » . ^[22]

За пределами США переработка энергии более распространена. Дания, вероятно, является самым активным переработчиком энергии, получая около 55% своей энергии от ТЭЦ и утилизации отработанного тепла. Другие крупные страны, включая Германию, Россию и Индию, также получают гораздо большую долю своей энергии из децентрализованных источников. ^{[21] [22]}

• Энергосбережение
• Возобновляемая энергия
• Устойчивая энергетика
• Установка рекуперации отработанного тепла
• Рециркуляция тепла воды