דברי פתיחה

תמליל

1 מדינת ישראל משרד התשתיות הלאומיות מדריך למשקיע במפעל קוגנרציה נערך בנובמבר 1993 ע"י: אנוש - מערכות פרויקטים וניהול זיאד נאסר - מהנדס יועץ יאני - הנדסת חשמל אדי בית הזבדי - עריכה חדשה (ממוחשבת מאי 1998, דצמבר (2005 1

2 דברי פתיחה מערכת קוגנרציה הינה מערכת המפיקה יותר מאשר מוצר אנרגטי אחד, בדרך כלל חשמל ואנרגיה תרמית, אותה ניתן לנצל לשימושים שונים, ללא שימוש בדלק נוסף; לעומת ייצור מקובל של חשמל ואנרגיה תרמית המבוצע באמצעים נפרדים הצורכים, לאותו היקף תפוקה של מוצרים, דלק רב יותר. בכך מתקבלים גם יתרונות תפעוליים כלכליים וגם צמצום של פליטת מזהמי האוויר שבדלק, לרבות דו-תחמוצת הפחמן, מזהם בעייתי נעדר פתרון לטווח הקרוב. מאידך, נדרשות נסיבות מתאימות וטיפול מקצועי מושכל על מנת להצדיק את ההשקעה הניכרת במפעל קוגנרציה שפירותיה הכלכליים מצטברים על פני תקופה ארוכה. מפעלי קוגנרציה רבים ומגוונים פועלים בארצות רבות ברחבי תבל, בד"כ כחלק או בצמוד לתעשייה הזקוקה למוצריהם, הן לחשמל והן לאנרגיה תרמית למתקני הייצור שלה, בשילוב עם רשת חשמל והסדרים דו-כיווניים עם חברת החשמל המקומית, לקיום אמינות אספקה וגיבוי בעת תקלה. גם בישראל מצויים מספר מפעלי קוגנרציה פעילים, חלקם אף מוכרים עודפי חשמל לחברת החשמל לישראל בע"מ (יצרני חשמל פרטיים), בתוקף הסכם בין הצדדים. מפעלים אלה מצויים ב-בית הזיקוק לנפט חיפה, מפעלי נייר חדרה, מפעלי ים המלח, נילית, רותם דשנים ולאחרונה במפעל ק.א.ן. ייצור חשמל ואנרגיה תרמית במפעל קוגנרציה עשוי לספק באורח כלכלי את צרכי החשמל (חלקו, כולו או מכירת עודפים לחח"י) ואת האנרגיה התרמית המשמשת לייצור קיטור, מים חמים, קירור ומיזוג אויר - בעיקר בתעשיה הכימית/הפטרוכימית, מפעלי טכסטיל, מפעלי מזון, מחלבות, מלט וזכוכית ואף התפלת מים, אך ראוי לבדוק ישימותם גם בבתי חולים, בתי מלון וקניונים ואף בשיכונים גדולים, מרובי-דירות. גם המלצות ועדת ורדי, שפורסמו לאחרונה לשינוי חוק הזיכיון של חברת החשמל לישראל העומד לפוג ב , לפתוח את שוק החשמל לתחרות שיעוגנו בסופו של דבר בחוק, יביאו לעידוד התפוצה של מפעלי קוגנרציה בישראל. בהקשר זה, תפתח כנראה בקרוב האפשרות גם להקמת מפעל קוגנרציה ע"י משקיע המוכר חשמל ואנרגיה תרמית למפעל שכן עם או בלי עודפים הנמכרים לחברת החשמל ואפילו לאחרים, כמקובל כיום במקומות רבים בארצות המערב. גם ההסדרים ליצרני חשמל פרטיים שעודכנו לאחרונה, מסירים את ההגבלה שהייתה קיימת קודם לכן על היקף הספק החשמל שעל חברת החשמל לרכוש מהיצרן. בנוסף לסיוע בפיתוח הניצול של מקורות אנרגיה חלופיים, כגון: שמש, רוח, מים, שריפת פסולת עירונית וחקלאית, פצלי שמן וטיפול בשפכים עירוניים תעשייתיים ופעילות מגוונת לשימור אנרגיה, רואה משרד האנרגיה חשיבות רבה בהרחבת היישום של מפעלי קוגנרציה ותרומתם הכלכלית "ללקוח" הבודד, לאיכות הסביבה ולהתייעלות משק החשמל בישראל, גם ב"צד הצרכנים". 2

3 אנו מקווים כי מדריך זה יסייע לאיתור פוטנציאל למפעלי קוגנרציה, לבחינת ישימותם הטכנולוגית והכלכלית ולקבלת החלטות על ביצועם - הן לצרכנים השונים הנוגעים לעניין, והן ליועצים הנדסיים ולמשקיעים. גדעון כרמל משרד האנרגיה והתשתית 3

4 תוכן עניינים ע מ ו ד פרק 1 סקירה כללית מבוא הפקת חשמל בתחנת כח מרכזית הגדרות ומושגי יסוד 1.4 יתרונות הטכנולוגיה 1.5 רשימות הטכנולוגיה וכדאיותה 1.6 נסיבות מיוחדות המעודדות קוגנרציה 1.7 ייצור חשמל קבלת החלטות - שיקולים וחסמים פרק 2 שיטות קוגנרציה טורבינת קיטור במחזור עליון 2.2 טורבינת גז במחזור עליון 2.3 מנוע בוכנתי במחזור עליון 2.4 מחזור עליון משולב טורבינת קיטור במחזור תחתון 2.6 חבילות קוגנרציה 2.7 יישומים בקירור ומיזוג אויר 2.8 שילוב קוגנרציה והתפלת מים פרק 3 רכיבים עיקריים במערכת קוגנרציה 4

5 מנוע בוכנתי טורבינת גז 3.3 טורבינת קיטור 3.4 דודי חום שיורי 3.5 גנרטורים 3.6 מערכות עזר ובקרה פרק 4 בעיות אפייניות ופתרונן בעיות טכנולוגיות פרק 5 קוגנרציה ואיכות הסביבה כללי 5.2 פליטה לסביבה וטכנולוגית בקרה 5.3 השוואה בין סוגי הדלק השונים 5.4 מטרדי רעש 5.5 תקני איכות האוויר בישראל פרק 6 תהליך פיתוח פרויקט קוגנרציה שלבי הפיתוח 6.2 בדיקה טכנו-כלכלית ראשונית 6.3 בדיקה הנדסית, טכנו-כלכלית מפורטת 6.4 היתרים הסכמים והסדרים 6.5 תכנון מפורט ופעילויות הקמה 6.6 בדיקת נתוני הצרכן בחירת שיטת הקוגנרציה 5

6 בחירת גודל המערכת 6.9 בחירת משטר הפעלת המערכת 6.10 תכנון ראשוני פרק 7 ניתוח טכנו כלכלי כללי 7.2 תחשיבי אנרגיה במערכות המשלבות מנוע דיזל 7.3 תחשיבי אנרגיה במערכות המשלבות טורבינת קיטור 7.4 תחשיבי אנרגיה במערכות המשלבות טורבינת גז 7.5 תפוקת חשמל 7.6 תפוקת חום 7.7 הוצאות תפעול ותחזוקה 7.8 ההשקעה 7.9 בדיקת ישימות כלכלית פרק 8 יישום הטכנולוגיה בישראל צרכני האנרגיה הפוטנציאליים במשק הישראלי 8.2 יישום הטכנולוגיה בענפי המשק השונים 8.3 מרכזי כח וחום 8.4 מסגרות ארגוניות לעידוד וקידום פרויקטים 8.5 מדיניות חברת החשמל פרק 9 דוגמאות מייצגות 6

7 קורסאו 9.2 בית חולים 146 נספחים נספח 1: עיקרי המלצות ועדת ברובנדר נספח 2: ספרות נספח 3: הסבר הפעלת התכנית לניתוח ישימות כלכלית 7

8 1.1 מבוא צרכני האנרגיה בתעשיה ובמוסדות רוכשים את האנרגיה הנדרשת להם בשתי צורות: חשמל שמיוצר בתחנות כח מרכזיות ומסופק לצרכנים ע"י חברת החשמל. הצרכן, במקרה זה, משלם עבור כל האנרגיה שבדלק הנשרף בתחנת הכח ובתמורה מקבל כשליש מאנרגיה זו בצורת חשמל. דלק המשמש להפקת אנרגיה תרמית ע"י שריפתו במתקנים הנמצאים ברשות הצרכן. האנרגטית עבור הדלק, גם במקרה זה, חלקית. התמורה שני התהליכים, להפקת חשמל ואנרגיה תרמית, באיבודי אנרגיה משמעותיים. מתבצעים, בדרך כלל, בנפרד ושניהם כרוכים קוגנרציה הינה, למעשה, טכנולוגיה המציעה אינטגרציה בין שני התהליכים הנ"ל. בתהליך אחד דו-תכליתי מאפשר ניצול עודפי חום שאחרת, היו נפלטים לאיבוד. מיזוגם בתהליך קוגנרציה, אם כן, האנרגיה של הדלק עוברת מיצוי בשני שלבים - בשלב אחד להפקת כח ובשלב שני להפקת חום. הייצור המשולב של כח וחום בשיטה זו מאפשר לצרכן הפרטי ניצול אפקטיבי ומירבי של אנרגיית הדלק והדבר בא לידי ביטוי ע"י: נצילות כללית גבוהה הנצילות הכללית המתקבלת בתהליך קוגנרציה נעה בתחום 65-85%, חד תכליתי לייצור חשמל. לעומת 20-40% בתהליך עלות אנרגיה נמוכה העלות הכוללת להפקת כח וחום במערכת קוגנרציה נמוכה מסכום עלויות הייצור של אותן כמויות אנרגיה בשני תהליכים נפרדים. השימוש בקוגנרציה אינו חדש והחל עוד בתחילת המאה הנוכחית בעיקר באמצעות טורבינות קיטור. מאז, ידעה טכנולוגיה זו עליות וירידות והתפתחותה היתה מוגבלת. בשנות השבעים המאוחרות (1978) קיבלה טכנולוגיה זו תנופה מחודשת, בארה"ב ובאירופה, ומאז התפתחה ונצבר בה נסיון רב. בארץ, היא עדיין בשלבי התפתחות ראשונים. הטכנולוגיה משלבת תהליכים תרמודינמיים בסיסיים ומתקנים מוכרים להפקת כח וחום ומתבססת, בעיקרון, על שתי הנחות יסוד: כל מתקן לייצור כח מדלק, פולט חום שניתן, בתנאים מסויימים, לנצלו. בכל מקום בו מיוצר קיטור, קיים פוטנציאל גם לייצור כח. 8

9 הצגת הטכנולוגיה למשקיע הפרטי כאלטרנטיבה יעילה יותר להפקת חשמל מעוררת שתי שאלות. אם שיטה זו יעילה יותר, מדוע אינה מיושמת בתחנות כח מרכזיות. איך יכול הצרכן הממוצע לייצר חשמל בצורה יותר יעילה וזולה מחברת החשמל בהתחשב באמצעים וביתרונות הטכנולוגיים העומדים לרשותה. כדי להבין זאת נתאר בקצרה את תהליך ייצור החשמל בתחנת כח קונבנציונלית מס. 1). (ראה תרשים 1.2 הפקת חשמל בתחנת כח מרכזית תחנות הכח המרכזיות פועלות לרוב במחזור קיטור. הדלקים הנפוצים המשמשים להפעלתן הם מזוט, פחם או דלק גרעיני. היכולת הנקובה של תחנות הכח המרכזיות של חברת החשמל בארץ, נעה בתחום 1, מגוו"ט. הקיטור מיוצר בדוד הקיטור בלחץ גבוה ומוזרם לטורבינה המניעה גנרטור חשמלי. מהטורבינה נפלט הקיטור בתנאי וואקום למעבה. מי העיבוי של הקיטור מוזרמים מהמעבה בחזרה לדוד הקיטור. תנאי הוואקום ביציאה מהטורבינה ועיבוי הקיטור הם שלבים הכרחיים לביצוע התהליך ביעילות מירבית. תהליך זה מלווה לכל אורכו בהפסדי אנרגיה: כ- 10% מהאנרגיה המופקת מהדלק נפלטת כבר בתחילת התהליך דרך ארובת דוד הקיטור. החלק הגדול של הפסדי האנרגיה, כ- 54% הקירור. מאנרגיית הדלק, נפלט ע"י המעבה לים דרך מי לא כל האנרגיה המכנית המופקת על ציר הטורבינה מוסבת לחשמל ולא כל החשמל המופק מגיע לצרכן וזאת כתוצאה מאיבודי רשת, טרנספורמציה וצריכה עצמית. הפסדים אלה מסתכמים בכ- 3% מאנרגית הדלק. יוצא אם כן, שרק 33% בממוצע מהאנרגיה הנרכשת ע"י תחנת הכח כ- דלק מסופקת לצרכן כ- חשמל. השאר הולך לאיבוד. הנצילות הנמוכה אינה אופיינית רק לתהליך הנ"ל. לייצור חשמל. (ע"י טורבינת גז או ע"י מנוע בוכנתי). נצילות זו אופיינית גם לשיטות אחרות 9

10 היקף ההפסדים בתחנת כח אינו מעיד על תכנון לקוי או על רשלנות. אדרבא, תחנת כח מרכזית הינה גוף עסקי לכל דבר השואף לשפר את הנצילות ולצמצם את עלויות התפעול שלו. תחנת הכח מתוכננת להפקה מרבית של חשמל בלבד מכמות דלק נתונה תוך ניצול היתרון לגודל. הפתרון היחידי לצמצום ההפסדים הנ"ל ולשיפור הנצילות הכללית הוא ניצול עודפי החום הנפלטים מהתהליך. פתרון זה אינו אפשרי, עבור תחנות הכח בארץ ומרבית תחנות הכח בעולם מהסיבות הבאות: איכות נמוכה של עודפי החום מתחנת הכח. (טמפרטורות נמוכות). העדר צרכני חום וביקוש בהיקף מתאים ובקרבת מקום. מחייב שינויים בתהליך, בנצילות, בתפוקה ובתזמון. העדר כדאיות כלכלית בהעברת קיטור ומים חמים למרחקים. הפתרון זמין וכלכלי בכל זאת, חשמלית ולאנרגיה תרמית. במערכות קטנות יותר אשר בהן קיים ביקוש בו- זמני לאנרגיה מכאן יתרונם של מפעלי תעשיה ומוסדות המפעילים צרכני חשמל וצרכני חום באותה חצר. 10

11 תרשים

12 תרשים

13 1.3 הגדרות ומונחי יסוד הגדרה כללית קוגנרציה, היא ייצור משולב של אנרגיה תרמית שימושית וכח חשמלי, ברצף, מאותו מקור אנרגיה ראשוני. מכני או מקור אנרגיה ראשוני הוא בדרך כלל הדלק המשמש להפקת האנרגיה. הדלקים המקובלים במערכות קוגנרציה: פחם - בצורה ישירה או ע"י גזפקציה. דלק נוזלי - סולר, מזוט קל, מזוט כבד. גז - טבעי, גפ"מ,(LPG) או גז המופק מפסולת או שפכים. פסולת מוצקה - עירונית, תעשייתית או חקלאית. הכח המופק במערכת קוגנרציה יכול להיות חשמל או אנרגיה מכאנית ישירה. החשמל המיוצר במערכת קוגנרציה משמש לכיסוי הצריכה העצמית של הצרכן, כולה או חלקה, ו/או לצורך אספקה לרשת הארצית ומכירה לחברת החשמל. האנרגיה המכאנית המופקת כתחליף לחשמל מנוצלת להנעה ישירה של ציוד מכני תעשייתי שניתן לחבר למערכת במקום גנראטור חשמלי. את האנרגיה המכאנית ניתן לנצל להפעלת מתקנים המופעלים בתנועה סיבובית כגון: מדחסי קירור, מדחסי אויר ומפוחים. משאבות, האנרגיה התרמית המופקת ממערכת קוגנרציה משמשת בדרך כלל לייצור קיטור ומים חמים. עם זאת, ניתן לנצל את החום השיורי הנפלט ממערכת קונגרציה לחימום ישיר של אויר או מוצרי תעשיה ולחימום שמן תרמי. השימושים הנפוצים בקיטור ובמים חמים המופקים ע"י מערכת קונגרציה: שימוש ישיר בתהליך - חימום, ייבוש, תהליכים כימיים. הפעלת מערכת ספיגה לקירור ומיזוג אויר. הפעלת מתקן התפלה למים. יש להדגיש כי מערכת אנרגיה תוגדר כמערכת קוגנרציה רק אם יתקיימו בה שלושת התנאים הבאים: 13

14 הפקת שתי צורות אנרגיה שונות - כח וחום. ניצול שתי צורות האנרגיה המיוצרות. שימוש במקור אנרגיה יחיד להפקת שתי צורות האנרגיה. 14

15 תרשים

16 1.3.2 הרכיבים העיקריים במערכת קוגנרציה בתהליכי הקוגנרציה משולב מגוון של ציוד בסיסי וידוע כמפורט להלן: מתקן הנעה ראשי גנראטור חשמלי מחליפי חום מערכת בקרה דוד קיטור חיבורים ומערכות תמסורת מכאניות, תרמיות וחשמליות דוד חום שיורי מתקני הנעה ראשיים PRIME MOVERS זהו הרכיב המרכזי במערכת קוגנרציה ותפקידו הסבת האנרגיה של הדלק או הקיטור לאנרגיה מכאנית צירית. במערכות קוגנרציה נפוצים שלושה סוגים עיקריים של מתקני הנעה ראשיים. טורבינת קיטור טורבינת גז מנוע בוכנתי מערכת קוגנרציה יכולה לשלב יותר מסוג אחד של מתקן הנעה ראשי. בהרחבה בהמשך. מתקני ההנעה יתוארו סוג מחזור הקוגנרציה קיימים שני סוגי מחזור שמוגדרים לפי סדר ביצוע שלבי הפקת האנרגיה: מחזור עליון - CYCLE TOPPING הכח מיוצר בתחילת התהליך והאנרגיה התרמית מופקת, הנפלטים מהתהליך. כמוצר לוואי, מעודפי החום מחזור תחתון - CYCLE BOTTOMING האנרגיה של הדלק מנוצלת תחילה לכיסוי צריכת החום של מתקן תרמי ואילו עודפי החום הנפלטים ממתקן זה מנוצלים לייצור כח שיטות הקוגנרציה שיטת הקוגנרציה נקבעת עפ"י סוג מתקן ההנעה הראשי וסוג מחזור הקוגנרציה. להגדרה זו, ניתן לקבוע חמש שיטות בסיסיות ליישום הטכנולוגיה: בהתאם 16

17 טורבינת קיטור במחזור עליון מחזור עליון משולב טורבינת גז במחזור עליון מנוע בוכנתי במחזור עליון טורבינת קיטור במחזור תחתון השיטות הנ"ל יתוארו בהרחבה בהמשך הביצועים של מערכת קוגנרציה הפרמטרים העיקריים המאפיינים את ביצועי מערכת קוגנרציה הם: הספק המערכת מהווה אינדיקציה לגודל מערכת הקוגנרציה. הספק נקוב מתייחס בד"כ להספק המנוע כפי שמופיע בשלטית היצרן הראשי ומבוטא ביחידות כ"ס (HP) או קילו-ואט.(KW) הספק מינימום ratio) (turndown הוא ההספק המינימאלי מבוטא ב( KW ) או באחוזים מההספק המקסימאלי. שבו ניתן להפעיל את המערכת. הספק תרמי מבטא את התפוקה התרמית על המערכת והוא מבוטא ביחידות (KCAL/Hr) או בהתאם לסוג האנרגיה התרמית המופקת, כגון טון/שעה במקרה של קיטור. משטר הפעלה מתייחס למספר שעות ההפעלה היומי, והשנתי של המערכת. זמינות availability הוא פרמטר שמבטא את היחס בין מספר השעות שבהן המערכת תעבוד בפועל ובין סה"כ השעות האפשריות להפעלתה. פרמטר זה מבוטא באחוזים או בשעות והוא לוקח בחשבון את מספר שעות השבתת המערכת לצורכי תחזוקה מתוכננת ובלתי מתוכננת. זמינות המערכת מהווה אינדיקציה גם לאמינותה והיא תלויה בין היתר באיכות הציוד וברמת תחזוקתו ותפעולו ובזמינות חלקי חילוף וכח אדם מקצועי. במערכת מתוכננת ומתוחזקת היטב ניתן להשיג רמת זמינות של 90% ויותר. צריכת הדלק הפרמטרים המגדירים את צריכת הדלק של מערכת קוגנרציה. סוג הדלק ערך היסק תחתון (KCAL/Hr) צריכה נומינלית (Kg/Hr) 17

18 צריכה סגולית (Gr/KWh) הצריכה הסגולית מבטאת את כמות הדלק הנדרשת להפקת זה מספק גם אינדיקציה לנצילות המערכת. 1 קוט"ש חשמל במערכת. פרמטר נצילות נצילות חשמלית: היחס בין תפוקת החשמל ובין האנרגיה שהושקעה במערכת בצורת דלק. נצילות תרמית: דלק. היחס בין תפוקת החום השימושי ובין האנרגיה שהושקעה במערכת בצורת נצילות כללית: היחס בין סה"כ תפוקת האנרגיה, חשמל וחום שימושי, ובין האנרגיה שהושקעה במערכת בצורת דלק. סוג הקשר עם רשת החשמל הארצית קיימות מספר אפשרויות לקשר בין מערכת הקוגנרציה ובין רשת החשמל הארצית. מבודד ISOLATED המשתמש אינו מחובר לרשת כלל או שמערכת הקוגנרציה משרתת מתקן או קבוצת מתקנים שאינם מחוברים לרשת החשמל הארצית. מקביל PARALLEL מערכת הקוגנרציה מחוברת לרשת החשמל הארצית והקשר המסחרי בין המשתמש וחברת החשמל הוא אחד משלושת הבאים: קניה בלבד מכירה בלבד קניה ומכירה נדגיש כאן שתעריפי המכירה לחברת החשמל שונים מתעריפי הרכישה ממנה. תעריפי המכירה מבוססים על העלות הנמנעת cost) (Avoided של חברת החשמל. נקודה זו תידון בהרחבה בהמשך. 18

19 תרשים

20 1.4 יתרונות הטכנולוגיה קוגנרציה מציעה יתרונות רבים ומרחב יישום גדול למשתמש הפרטי ואם תיושם בארץ בקנה מידה נרחב, כמו בארה"ב ובאירופה למשל, תביא תועלת רבה למשק הלאומי יתרונות ותועלת למשתמש הפרטי צמצום משמעותי בעלויות האנרגיה משהתקיימו התנאים לישימות הטכנית ולכדאיות הכלכלית, קוגנרציה מספקת לצרכן הזדמנות לצמצום עלויות האנרגיה שלו בהיקף שיכול להסתכם בעשרות אחוזים. הגברת אמינות אספקת האנרגיה מערכת קוגנרציה מספקת רזרבה למקורות האנרגיה האחרים של המשתמש ומצמצמת את התלות המוחלטת באספקת חשמל מהרשת הארצית. מבחר אפשרויות לניצול האנרגיה המופקת הכח המיוצר יכול להיות חשמל או אנרגיה להנעה ישירה. האנרגיה התרמית יכולה לשמש למטרות רבות, לחימום ולקירור כאחד. מכאנית גודל המערכת אינו מוגבל מערכת קוגנרציה יכולה להיות בהספק של עשרות (קילו-ווט) או של מאות (מגה-ווט) בהתאם לצורכי המשקיע ושיקולי הכדאיות שלו. האפשרות למכירת חשמל לחברת החשמל מהווה אחד הגורמים העיקריים המעודדים קוגנרציה. הזדמנות פתוחה בפני יזמים פרטיים ההשקעה במערכת קוגנרציה והבעלות על מערכת זו אינן מוגבלות לצרכני אנרגיה בלבד. כל יזם פרטי יכול, בעיקרון, להקים מערכת קוגנרציה, כפרויקט כלכלי ולמכור אנרגיה לצרכנים ולחברת החשמל התועלת למשק הלאומי בנוסף לאמור לעיל, מספקת הטכנולוגיה יתרונות נוספים שבראיה כוללת, תורמים רבות למשק הלאומי. חסכון בדלק צריכת הדלק במערכות קוגנרציה להפקת כח וחום נמוכה מזו הנדרשת להפקת אותן כמויות אנרגיה בשני תהליכים נפרדים. צמצום היקף ההשקעות הנדרשות להגדלת תפוקת החשמל ההשקעות במערכות להפקת חום נדרשות בתעשייה בכל מקרה. תוספת השקעה עבור הקמת מפעלי קוגנרציה נמוכה מההשקעה בתוספת הספק בתחנות כח מרכזיות. וויסות קצב הגידול הטבעי בצריכת החשמל הרחבת השימוש בקוגנרציה תבלום במידה מסוימת את קצב הגידול הטבעי בביקוש מחברת החשמל והצורך בתחנות כח מרכזיות חדשות. 20

21 תוספת הספק ע"י קוגנרציה תצמצם גם את הצורך בהפעלה יקרה של יחידות גיבוי גז) שחברת החשמל נאלצת להשתמש בהן בשעות השיא. (טורבינת צמצום מפגעים סביבתיים עולה בהקשר אחד עם צמצום צריכת הדלק. 1.5 ישימות הטכנולוגיה וכדאיותה כמו כל טכנולוגיה אחרת, קוגנרציה אינה מתאימה לכל צרכן אנרגיה וכמו בכל נתיב השקעה אחר, הכדאיות הכלכלית אינה מובטחת בכל מקרה. ההשקעה במערכת קוגנרציה הינה השקעה נבונה וכדאית רק אם התקיימו התנאים הבסיסיים ליישומה והפקת מרב התועלת ממנה. להלן מפורטים הגורמים העיקריים המשפיעים על ישימות המערכת וכדאיותה. בחלקם הגדול, ידונו בהרחבה בפרקים הבאים. גורמים אלה, יכולת הצרכן לניצול אפקטיבי של החום משהוגדר מתקן הנעה ראשי נקבעה כמות החום שהוא פולט. ככל שמנצלים יותר את החום הזה כך גדלה הנצילות הכללית של המערכת היכולת להשיג ערך כלכלי גבוה עבור הכח והחום כדאי לזכור שהנצילות הינה אמצעי בלבד. המטרה הסופית היא קבלת ערך כלכלי גבוה עבור תוצרי מערכת הקוגנרציה. תנאי זה מושפע במידה רבה מ: סוגי הדלק, זמינותם ומחירם. מחירי החשמל (רכישה/מכירה). אופן ניצול האנרגיה פרופיל הצריכה של המשתמש היקף הצריכה. גודל צריכת האנרגיה של המשתמש קובע את גודל מערכת הקוגנרציה. בטכנולוגיה זו משמעותי מאד בכל הנוגע לנצילות, להשקעה ולהוצאות התפעול. יתרון הגודל סוג צריכת החום ואיכותו. קובעים את היקף האפשרויות לניצול החום של מערכת קוגנרציה. 21

22 רמת יציבות הצריכה. ככל שצריכת האנרגיה יציבה יותר, גדל התחום שניתן לכסות ע"י התפוקה של מערכת הקוגנרציה. מצד שני, הדבר תורם לצמצום ההשפעה השלילית של התנודות בצריכה על ביצועי המערכת. יחס צריכה אופטימלי של חשמל וחום. לכל מתקן הנעה ראשי מוגדר יחס תפוקה חשמלי\תרמי (E/T) קבוע. ככל שיחס הצריכה של המשתמש קרוב ליחס התפוקה של מתקן ההנעה יעילות המערכת גבוהה יותר בחירת מערכת הקוגנרציה לא כל שיטת קוגנרציה מתאימה לכל צרכן. בחירה נכונה של השיטה ובהמשך קביעת התהליך ובחירת הציוד המתאים לפי נתוני הצרכן, הינם תנאי הכרחי לכדאיות ההשקעה. הפרמטרים של הטכנולוגיה המשפיעים על הישימות והכדאיות הכלכלית: גודל המערכת יחס תפוקה חשמלי\תרמי סוג הדלק נצילות ביצועים בהספק חלקי מספר שעות הפעלה וזמינות המערכת מגבלות יישום יכולת מימון זמינות ציוד ואמינותו זמינות מקום להתקנת המערכת השפעה על תהליך הייצור של המשתמש השפעה על איכות הסביבה התחברות לרשת הארצית 22

23 תרשים

24 1.6 נסיבות מיוחדות המעודדות קוגנרציה קיימות נסיבות והזדמנויות בהן ההשקעה בקוגנרציה הופכת לאטרקטיבית במיוחד. להלן מס' דוגמאות לנסיבות שכאלו קיום משטר צריכת אנרגיה אופטימלי במערכות בהן צריכת החום קבועה ויציבה, ובמערכות בהן קיים הפרש לחצים מתאים בין הקיטור המיוצר והקיטור הנצרך, פוטנציאל היישום של הטכנולוגיה וכדאיותה הכלכלית גבוהים וזאת בשל היכולת להפיק כח בעלות שולית נמוכה הקמת מפעלי תעשיה ומוסדות חדשים או הרחבתם בנסיבות אלו, כאשר ההשקעה בציוד קונבנציונאלי מתחייבת בכל מקרה, ניתן ע"י תוספת השקעה קטנה יחסית, לשלב מערכת קוגנרציה שתספק למשקיע את צורכי האנרגיה שלו בעלות נמוכה יותר החלפת דודי קיטור ישנים במקרה זה מומלץ לשקול רכישת דוד קיטור עם לחץ עבודה גבוה יותר יחד עם טורבינת קיטור להפקת כח או לחליפין, "חבילת קוגנרציה" אחרת שתספק את כמות הקיטור הנדרשת בתוספת אנרגיה חשמלית. במקרה זה ההשקעה בקוגנרציה היא שולית יחסית להשקעה הכללית הנדרשת הזדמנויות למכירת אנרגיה בנסיבות בהן קיימת אפשרות למכירת מוצרי אנרגיה (מכירת חשמל לחברת חשמל וקיטור או מוצר לוואי אחר כגון מים מותפלים או קירור בספיגה) קיימת האפשרות להקמת מערכות קוגנרציה כפרויקטים כלכליים, גם ע"י יזמים פרטיים ניצול חום שיורי מתהליכים תרמיים בתהליכים תעשייתיים שפולטים גזי שריפה בטמפרטורות גבוהות, החום השיורי יכול לשמש לייצור כח (במחזור תחתון). במקרים אלה מרכיב עלות הדלק נמוך מאד ובאחדים מהם אף לא קיים. 24

25 1.7 ייצור חשמל תאור עקרוני של מערכת חשמלית מערכת חשמלית הינה מערכת בה מחוברים יצרנים וצרכנים של אנרגיה חשמלית. יצרן חשמל ממיר אנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית צירית ע"י טורבינות למשל ולאנרגיה חשמלית באמצעות גנרטורים. האנרגיה חשמלית, בצורה של זרם חשמל, מועברת לצרכנים באמצעות מוליכי חשמל. מכיוון שעדיין לא קיים בשימוש פעיל אוגר של אנרגיה חשמלית, חייב להיות תמיד איזון בין דרישות הצרכן וכמות הייצור של היצרן. במילים אחרות, מייצרים בדיוק את כמות האנרגיה החשמלית שהצרכן דורש (בתוספת הפסדי הולכה) מושגים בסיסיים תדר הזרם החשמלי הינו חילופי, משנה כיוון. התדר מגדיר את מספר הפעמים בהן הזרם משנה כיוון בשניה אחת והוא קשור למהירות הגנרטור. התדר בישראל וברוב הארצות הינו 50 הרץ,(Hz) למעט ארה"ב ומדינות אחרות.(60Hz) קיימות מגבלות מסויימות במקרה של שימוש בציוד הבנוי ל- 60Hz ברשת של,50Hz ובכל מקרה יש לבדוק נושא זה. אנרגיה אקטיבית וראקטיבית - מקדם הספק "אנרגיה" ראקטיבית איננה כלל אנרגיה. האנרגיה החשמלית במתקן המוזן בזרם חילופין הינה מכפלה של וקטור זרם ווקטור מתח. מכיוון ששני הוקטורים הנ"ל אינם בפזה, קיימים שני מרכיבים למכפלה זו: המרכיב האקטיבי המרכיב הראקטיבי זרם * מתח * ϕ Cos זרם * מתח * ϕ Sin כאשר ϕ הינו הזווית שבין וקטור הזרם ווקטור המתח. Cos ϕ נקרא מקדם ההספק. המושגים המשמשים להגדרת ההספק: (Apparent Power) VA * Cosϕ = W VA * Sin ϕ = Var (V A) (W) (VAr) הספק מדומה (וולטאמפר) הספק פעיל (ווט אקטיבי) הספק עיוור (וולט אמפר ראקטיבי) כאשר מדובר על קשר היצרן לצרכן, יש להתייחס לא רק להספק או לאנרגיה אקטיבית, אלא להספק מדומה שכולל גם "אנרגיה" ראקטיבית. במילים אחרות, צרכן חשמל דורש אנרגיה מדומה עם מקדם הספק מסוים, זאת אומרת - כמות מסוימת של (קווט) וכמות מסוימת של (קוואר). היצרן צריך לספק את שניהם. גנרטור סינכרוני מסוגל לספק במגבלות מסוימות את שניהם. 25

26 1.7.3 חיבור יצרן פרטי לרשת חברת החשמל כל הצרכנים בארץ וכל היצרנים (חברת החשמל ויצרנים פרטיים) מחוברים במקביל למערכת החשמל הארצית. כולם מסונכרנים או מחוברים במקביל. כל היצרנים מספקים אנרגיה חשמלית לרשת הארצית וכל הצרכנים מוזנים ממנה. צרכנים יכולים להיות, בו-זמנית, גם יצרנים. במקרה זה הם מספקים לרשת או מקבלים ממנה את ההפרש שבין כמות החשמל שהם מייצרים ובין כמות החשמל שהם צורכים. תרשים 1-7 מתאר, ברמה עקרונית, את מהלך החיבורים בין מפעל בינוני טיפוסי שהוא גם יצרן פרטי, ובין רשת חברת החשמל. התרשים מדגיש את הנקודות שבהן ניתן לחבר את מערכת הקוגנרציה לרשת המפעלית. חברת החשמל מכתיבה תנאים טכניים לאישור חיבור של יצרן. העיקרון הינו שמירה על חיי אדם, מניעת נזק לציוד של ח"ח ושל היצרן, ומניעת הפרעות לצרכנים אחרים. מבחינה טכנית אין דרישות אלה מהוות בעיה. חברת החשמל מתנה את מתח החיבור כדלקמן: מתח הגדרה מתח נמוך (מ.נ.) מתח גבוה שימוש טיפוסי ביתי, צרכנים קטנים, מנועים עד 300kW מנועים גדולים, מפעלים בינוניים 400/230V 3.3/6.6kV מתח גבוה חלוקה מתח חלוקה והובלה אזורי או מפעלי 12/22,33kV 110/161/400kV מתח עליון בשימוש חברת החשמל להובלה. מחוברים במתח זה. מפעלים גדולים מפעל קוגנרציה יחובר לרשת בהתאם לגודל אספקתו לרשת: יצרן שיספק עד 200 קוו"ט יחובר לרשת מתח נמוך. יצרן שיספק עד 5000 קוו"ט יחובר לרשת מתח גבוה. יצרן שיספק מעל 5001 קוו"ט יחובר לרשת מתח עליון. תרשים 1-8, להלן, מתאר, לרשת חברת החשמל. מההיבט העסקי, שלושה מצבים טיפוסיים לחיבור צרכן פרטי צרכן שמייצר, החשמל. באופן עצמי, חלק מהצריכה שלו, משלים את היתרה ע"י רכישה מחברת 26

27 במקרה של הפסקת הייצור העצמי, מחברת החשמל. מסיבה כלשהי, יקבל אוטומטית את מלוא הצריכה צרכן שבאפשרותו כושר ייצור של חשמל מעל הצריכה העצמית, מוכר לחברת החשמל את העודף. במקרה של הפסקת הייצור העצמי ומכיוון שהוא מחובר לרשת, יקבל את כל הצריכה מחברת החשמל מבלי להרגיש כל הפרעה. המצב של צרכן שהוא גם יצרן לא חייב להיות סטטי. יכול להיווצר מצב שבזמן מסויים קונים ובזמן אחר מוכרים חשמל. בדרך כלל, חברת החשמל מסוגלת לספק את כל העומס הדרוש, באם הייצור העצמי הופסק. צרכנים אשר רוכשים ומוכרים יתקינו שתי מערכות מניה, האחת לאנרגיה הנרכשת והשניה לאנרגיה הנמכרת. תרשים 1-7 קבלת החלטות - שיקולים וחסמים

28 תהליך ההחלטה על כדאיות יישום שיטת מפעל קוגנרציה מושפע ממגוון שיקולים טכניים כלכליים כספיים, סביבתיים וסטטוטוריים כגון: הישימות הטכנית בהתאמת המתקנים (כולל עומסים). המשאבים הכלכליים הזמינים וניתוחי הכדאיות. העמדות והדעות של מקבלי ההחלטות בארגון. רמת המודעות לנושא השימוש בקוגנרציה משתנה באופן ניכר בין מגזרי השוק השונים (מסחריים, תעשיתיים וכו'). למרות הפוטנציאל הרב הגלום בטכנולוגיה והפרסום הרב במשך השנים אחרונות מקבלי החלטות רבים בארגונים אשר הם עתירי צריכת אנרגיה מהססים בנוגע להשקעה בקוגנרציה וזאת בעיקר מהסיבות הבאות: - החלטות יותר - בארגונים רבים אשר בהם המשאבים להשקעה מוגבלים מעדיפים מקבלי להשקיע בנושאים הקשורים ישירות לפעילות הארגון. - במקרים רבים קיימות חלופות השקעה המבטיחות שיעורי תשואה גבוהים בעיקר בטווח הקצר. חסמים פסיכולוגיים הנובעים מחוסר מידע וגישות של מקבלי ההחלטות וכן מהעובדה כי ההשקעה במפעל קוגנרציה היא בד"כ עתירת הון יחסית ויוצרת עובדות שיש לחיות עימן לטווח זמן ארוך. - לכן - מחירי אנרגיה נמוכים (כולל תחזיות לטווח הקרוב) יוצרים תחושה כי הוצאות האנרגיה אינם מהוות נטל המחייב התיחסות מעמיקה. 28

29 תרשים

30 תרשים

31 פרק 2 31

32 2.1 שיטת קוגנרציה: טורבינת קיטור במחזור עליון תחום הספקים אפייני:( MW ) 1-100* תאור השיטה הקיטור מיוצר בלחץ גבוה בדוד הקיטור ומוזרם, כולו או חלקו, לטורבינה. הפרש הלחצים בין הקיטור המיוצר בדוד והקיטור הנדרש לתהליך מנוצל ליצור כח בטורבינה. בטורבינת לחץ נגדי כל הקיטור הנפלט מהטורבינה מיועד לשימוש הצרכן. הלחץ הנדרש לתהליך הייצור קובע את הלחץ ביציאה מהטורבינה. תפוקת הכח בטורבינה פרופורציונלית באופן ישיר לצריכת הקיטור של המשתמש ולתנודות בצריכה. בטורבינת הקזה, חלק מהקיטור מופרש בלחץ הנדרש לצרכי התהליך באחד או יותר משלבי הביניים של הטורבינה. יתרת הקיטור נפלטת למעבה בתנאי ואקום. כמות הקיטור המופרשת לצרכי התהליך מטורבינת הקזה ניתנת לוויסות ביחס לכמות המוזרמת למעבה. בצורה זו ניתן לייצר כח בתפוקה קבועה למרות התנודות בצריכת הקיטור, או לחליפין, לספק את כל צריכת הקיטור במידה והביקוש לחשמל משתנה. סוגי דלקים כל סוגי הדלקים. מתקן הנעה ראשי טורבינת קיטור הקזה. - טורבינת קיטור לחץ נגדי. - ייצור כח חשמל הנעה ישירה של ציוד מכני. הפקת חום - קיטור לתהליך (צריכה). ביצועים אפיניים *1, , הספק (KW) נצילות חשמלית (%) נצילות תרמית (%) נצילות כללית (%) לחץ קיטור גבוה (bar) לחץ קיטור נמוך (bar) 32

33 * תחום אפייני לקוגנרציה. טורבינות קיטור זמינות בתחום הספקים החל מ-עשרות (KW) ועד.1,000 (MW) יתרונות אורך חיים גבוה בהשוואה עם מתקני הנעה אחרים. אפשרות שימוש בכל סוגי הדלקים לרבות דלקים כבדים, שמחירם נמוך יחסית. פחם, פצלי שמן ופסולת מוצקה גמישות ביחס התפוקה החשמלי\תרמי ועמידות בפני תנודות בצריכה כאשר השיטה מיושמת עם טורבינת הקזה. חסרונות נצילות חשמלית נמוכה. יעילות כלכלית נמוכה בהספקים קטנים. 33

34 תרשים שיטת קוגנרציה: טורבינת גז במחזור עליון תחום הספקים אפייני: (MW) תיאור השיטה הטורבינה מפיקה אנרגיה מכאנית מגזי השריפה המתפשטים דרכה. משמשת לייצור חשמל וגם להנעת מדחס הטורבינה. האנרגיה המכאנית גזי השריפה הנפלטים מהטורבינה מוזרמים, בדרך כלל, אך ניתן עם זאת, לנצלם באופן ישיר לחימום מוצרים. לדוד חום שיורי לייצור קיטור, בדוד החום השיורי ניתן לבצע תוספת חום ע"י מבער גיבוי כדי לשפר את איכות האנרגיה התרמית ללא פגיעה בתפוקת החשמל. 34

35 סוגי דלקים מתקן הנעה ראשי דלקים נוזליים קלים וגז - טורבינת גז - Turbine Combustion ייצור כח חשמל הפקת חום קיטור חימום - נוזלים - חימום או ייבוש מוצרים באופן ישיר - ביצועים אפיניים 1, , הספק (KW) נצילות חשמלית (%) נצילות תרמית (%) נצילות כללית (%) טמפרטורת גזי הפליטה (C) יתרונות נצילות חשמלית גבוהה יחסית לטורבינת קיטור ובהמשך גם יחס תפוקה חשמלי תרמי גבוה. אנרגיה תרמית באיכות גבוהה (טמפרטורות ולחצים גבוהים). יעילות כלכלית טובה בהספקים בינוניים. חסרונות השיטה מוגבלת לדלקים נוזליים נקיים במיוחד וגזים. נצילות כללית נמוכה (בהפרש 51%) בהשוואה עם טורבינת קיטור. הערות ניתן להשתמש בפחם בצורה עקיפה להפעלת טורבינת גז וזאת ע"י גזפקציה הפחם לגז). הדבר כרוך, כמובן, בתוספת עלויות. (הסבת תרשים

36 שיטת קוגנרציה: מנוע בוכנתי במחזור עליון 2.3 תחום הספקים אפייני: 50-50,000* KW תאור השיטה שיטה זו הינה הנפוצה ביותר מאחר והיא מכסה גם את תחום ההספקים הנמוכים. חום גזי הפליטה של המנוע הבוכנתי מנוצל לייצור קיטור או לחימום מים ונוזלים. גזי הפליטה החמים יכולים לשמש גם לחימום או ייבוש מוצרים באופן ישיר. החום הנפלט ממערכות הקירור השונות של המנוע מנוצל לחימום מים, אויר. נוזלים או לחימום סוגי דלקים מתקן הנעה ראשי דלקים נוזליים וגזים - מנוע שריפה פנימית בוכנתי 36

37 Internal Combustion Reciprocating Engine ייצור כח הפקת חום חשמל הנעה ישירה של ציוד מכני קיטור חימום מים ונוזלים חימום אויר חימום וייבוש מוצרים באופן ישיר ביצועים אפיניים 50-50, הספק (KW) נצילות חשמלית (%) נצילות תרמית (%) נצילות כללית (%) טמפרטורת גזי הפליטה (C ( 0 יתרונות יעילות כלכלית טובה גם בהספקים קטנים. נצילות גבוהה (תרמית, חשמלית, כללית). חסרונות החום מופק בטמפרטורות נמוכות יחסית. הגבלה לדלקים נוזליים וגזים. 37

38 תרשים

39 שיטת קוגנרציה: מחזור עליון משולב 2.4 תחום הספקים אפייני: (MW) תאור השיטה שיטה זו משלבת טורבינת גז או מנוע דיזל וגם טורבינת קיטור. גזי הפליטה של טורבינת גז או המנוע מנוצלים לייצור קיטור בדוד חום שיורי. הקיטור המיוצר מוזרם, כולו או חלקו, לטורבינת קיטור להפקת חשמל. קיטור לצרכי המשתמש מופרש מהמחזור לפני ו/או אחרי טורבינת הקיטור. בשיטה זו תפוקת החשמל אינה מושפעת ישירות מתנודות בצריכת הקיטור. סוגי דלקים מתקן הנעה ראשי דלקים נוזליים וגזים מנוע דיזל טורבינת גז טורבינת קיטור: הקזה, לחץ נגדי או עיבוי ייצור כח הפקת חום - חשמל קיטור ביצועים אופיניים 5, , הספק (KW) נצילות חשמלית (%) נצילות תרמית (%) נצילות כללית (%) טמפ' גזי הפליטה (C) יתרונות נצילות חשמלית גבוהה. גמישות לתנודות בצריכת הקיטור או החשמל ונצילות טובה בהספקים חלקיים. 39

40 חסרונות דלקים נוזליים וגזים בלבד. השקעה גבוהה יחסית. הכדאיות הכלכלית מוגבלת למערכות בינוניות עד גדולות. תרשים

41 תרשים שיטת קוגנרציה: טורבינת קיטור במחזור תחתון תחום הספקים אפייני: תאור השיטה תלוי בגודל מקור החום השיורי. שיטה זו מבוססת על ניצול החום הנפלט ממתקנים תרמיים תעשיתיים כגון תנורים וכבשנים או החום הנפלט מראקציות בתהליכים כימיים. גזי הפליטה החמים משמשים להפקת קיטור בדוד חום שיורי ובהמשך לייצור כח בטורבינת קיטור. בדוד החום השיורי ניתן לבצע תוספת חום ע"י מבער גיבוי. 41

42 מתקן הנעה ראשי טורבינת קיטור: עיבוי, הקזה או לחץ נגדי הפקת חום - - סוגי דלקים אין הגבלה ייצור כח - - חשמל הנעה ישירה של ציוד חימום ישיר קיטור יתרונות ייצור החשמל בשיטה זו אינו כרוך, לרוב, בתוספת צריכת דלק. ייצור החשמל נמוכה מאד בהשוואה עם השיטות הקודמות. עלות מכאן, חסרונות נצילות חשמלית נמוכה יחסית. תפוקת הכח תלויה במידה רבה בטמפרטורות גזי הפליטה ובמשטר ההפעלה של התהליך התרמי. תרשים

43 2.6 חבילות קוגנרציה PACKAGED COGENERATION SYSTEMS הוצאות ההקמה הקבועות הנלוות לכל פרויקט קוגנרציה, מהוות מרכיב משמעותי בהשקעה כאשר מדובר במערכת קטנה (עד.(1,000KW הרעיון של חבילות קוגנרציה התפתח בשנות השמונים המוקדמות כשמטרתו צמצום עלויות ההקמה הקבועות לעידוד יישום הטכנולוגיה במערכות קטנות. חבילת קוגנרציה הינה למעשה מערכת קוגנרציה שלמה המורכבת ונבדקת במפעל ומסופקת לאתר כיחידה אינטגרלית אחת. תחום ההספקים האופייני לחבילות קוגנרציה:.30-1,000KW יתרונות השקעה נמוכה יחסית כתוצאה מצמצום עלויות הקמה כגון: תכנון, הנדסה והרכבה ובמידה מסוימת, גם מחירי הציוד. צמצום בעיות ההרצה כתוצאה מבדיקת המערכת עוד לפני אספקתה. תקופת הקמה קצרה - הפעלה תוך חודש עד חודשיים מההספקה. האחריות על המערכת וביצועיה כלפי המזמין היא של גוף אחד בלבד. צמצום נפח המערכת והשטח הנדרש להתקנתה. שיפור הנצילות הכללית כתוצאה מהמבנה האינטגראלי של היחידה. מרכיבים מתקן הנעה ראשי: מנוע דיזל לרב אך קיימות חבילות קוגנרציה המשלבות טורבינות קיטור או טורבינות גז. גנראטור: אסינכרוני ביחידות קטנות עד 100KW וסינכרוני ביחידות גדולות יותר. מעבר ל- 500KW משתמשים לרוב בגנרטור סינכרוני. ציוד החלפת חום: לחימום מים ו/או להפקת קיטור. רדיאטורים לסילוק עודפי חום למקרה של ירידה בצריכה, ביחידות מעל.100KW מוצעים בדרך כלל יחידות קירור ספיגה מוצעות כחלק אינטגרלי בחלק מחבילות הקוגנרציה. 43

44 מערכות פיקוד ובקרה. עלויות מחיר היחידה הממוצע של חבילות קוגנרציה הינו סביב.1,000$/KW במרכיבי היחידה ובמורכבותה. המחיר תלוי כמובן עלויות ההתקנה תלויות במספר גורמים כולל זמינות מקום להתקנה, סוג הדלק וסוג ההתחברויות באתר. במערכות קטנות ופשוטות המשלבות גנרטור אסינכרוני עלות ההתקנה עשויה להסתכם בכ- $20,000. ביחידות גדולות ומורכבות יותר המשלבות גנרטור סינכרוני והתחברות במקביל לרשת, עלות ההתקנה עלולה להגיע ל- $100,000 ביחידה של.500KW 2.7 יישום הטכנולוגיה בקירור ומיזוג אויר מערכות קירור ומיזוג אויר הן אחד מתחומי היישום החשובים של הטכנולוגיה. מערכת קוגנרציה משמשת במקרה זה כספק אנרגיה, כח ו/או חום, להפעלת יחידת הקירור. שיטת יישום זו נפוצה במוסדות ומבנים אך מקובלת גם בתעשייה. בארץ מקובל להשתמש בשתי שיטות קירור-עיקריות: דחיסת אדים - הנעה מכאנית. ספיגה - הפעלה בחום. שתי השיטות מתוארות בתרשים מס. 2-7 להלן כשהן משולבות במערכת קוגנרציה. נדגיש כאן שניתן לשלב בין שתי השיטות כך שהחום הנפלט מהמנוע בדחיסה מכאנית ישמש להפעלת מחזור קירור ספיגה. מעבר לשתי השיטות הנ"ל קיימות שיטות קירור נוספות, כגון קירור ע"י אידוי, שאין מקום להתייחס אליהן במסגרת פרק זה. במערכת קירור המופעלת מכאנית, ניתן ומקובל ליישם את הטכנולוגיה ע"י הנעה ישירה של מדחס הקירור באמצעות טורבינה או מנוע בוכנתי. יחידות ספיגה, לעומת זאת, מופעלות ע"י החום המופק במערכת קוגנרציה. במקרה זה יכול להיות קיטור, מים חמים או גזי שריפה. מוביל החום השילוב של יחידת קירור ספיגה במערכת קוגנרציה מספק לצרכן שני יתרונות חשובים: 44

45 ניצול מרבי של החום המופק במערכת הקוגנרציה בחודשי הקיץ, בהם צריכת החום הרגילה נמוכה יחסית. הפחתת שיאי הביקוש האופייניים לחודשי הקיץ, ההפרשים החדים בצריכת החשמל לאורך עונות השנה. שיפור מקדם העומס ושיכוך תרשים

46 קירור ספיגה תהליך זה אקויולנטי לתהליך הדחיסה המכנית אך בניגוד לו, דחיסת האדים נעשית באמצעים תרמיים. התהליך מתואר סכמטית בתרשים מס. 2-8 ולהלן עיקריו. המחולל (generator) משמש, ע"י תוספת חום חיצונית, לאידוי נוזל הקירור מתוך תערובת של נוזל קירור ונוזל ספיגה. האדים של נוזל הקירור יוצאים את המחולל בלחץ גבוה כשהם משאירים בו תמיסה מרוכזת בחומר ספיגה. המעבה (condenser) מיועד לסילוק החום מהאדים של נוזל הקירור, כולל חום האידוי שנקלט במחולל והחום שנקלט במאייד (הצרכן). חום מסולק מהמחזור באמצעות מעבה אויר או מגדל קירור. המאייד (evaporator) משמש להעברת החום של הנוזל המקורר לנוזל הקירור. נוזל הקירור, מותז בטמפרטורה נמוכה על סלילים בהם זורם הנוזל המקורר. החום המועבר גורם לאידוי נוזל הקירור (בלחץ נמוך). הסופג (absorber) תפקידו לערבב מחדש את אדי נוזל הקירור עם נוזל הספיגה. התמיסה וזרמת בחזרה למחולל. נוזלי קירור/ספיגה בתהליך ספיגה מקובל להשתמש בצירופים שונים של נוזלי קירור ונוזלי ספיגה וביניהם: ליתיום ברומיד ומים (כאשר המים הם נוזל הקירור). מים ואמוניה (כאשר האמוניה היא נוזל הקירור). לאחרונה פותחו נוזלי קירור ידידותיים לסביבה (עיין מדריך לחיסכון באנרגיה במיזוג). מערכות ליתיום ברומיד מוגבלות לטמפרטורות קירור שמעל ל- 0C וזאת בגלל השימוש במים כנוזל קירור. טמפרטורות קירור נמוכות יותר מחייבות שימוש באמוניה. לאחרונה נכנסים לשימוש נוזלי קירור ידידותיים לסביבה. סיווג יחידות ספיגה ניתנות לסיווג כ-חד דרגתיות או דו דרגתיות. יחידת ספיגה דו-דרגתית כוללת שני מחוללים, דבר שמגביר את יעילותה באופן משמעותי. יחידות חד דרגתיות נפוצות יותר במערכות קוגנרציה. ביצועים יחידת ספיגה חד דרגתית ניתנת להפעלה במים חמים (מעל 90C) או בקיטור בלחץ נמוך (קטן מ- 10 אטמ.) שניתן לספקם מכל מערכת קוגנרציה. 46

47 כ( מקדם היעילות (COP) קירור). של יחידה חד דרגתית מגיע ל- 0.6 (כ- 9 ק"ג קיטור\טון יחידת ספיגה דו דרגתית מחייבת שימוש בקיטור בלחצים שמעל 8 אטמ. או בגזי שריפה ישירות ממנוע דיזל או טורבינת גז. מקדם היעילות (COP) במקרה של יחידה דו שלבית מגיע ל- 1.2 ואף יותר ק"ג קיטור\טון קירור). תרשים

48 2.8 שילוב קוגנרציה והתפלת מים המרכיב העיקרי בעלויות התפעול של מתקן התפלת מים הוא עלות האנרגיה. בכל מקום בו נדרשת התפלת מים לצרכים מוניציפליים, תעשיתיים או אחרים, את עלות הפקת המים ע"י שילוב קוגנרציה במתקן ההתפלה. ניתן להוזיל מתקן ההתפלה ניזון, במקרה זה, מהאנרגיה התרמית המופקת ממערכת הקוגנרציה. האנרגיה החשמלית המיוצרת במערכת זו נצרכת ע"י המשתמש ו/או נמכרת לחברתהחשמל. שיטות התפלה משולבות קיימות בעולם טכנולוגיות שונות להתפלת מים. רלוונטיות. מתוכן נתאר, בקצרה, שתי שיטות שתי שיטות אלו מיושמות ע"י חברת "הנדסת התפלה לישראל" ומאופיינות ע"י: אידוי בטמפרטורות נמוכות (C 75) 0 למניעת הצטברות משקעים וקורוזיה. תהליך רב דרגתי Effect).(Multi שיטה א: תהליך זיקוק רב דרגתי - Distillation MED Multi Effect השיטה מבוססת, כאמור, על תהליך אידוי-עיבוי רב דרגתי תוך ניצול חום העיבוי. תוספת האנרגיה לתהליך נעשית ע"י אספקת חום ברמות נמוכות בצורת קיטור בלחץ נמוך Ata) 0.35) או אדי מים חמים, שמקורם טורבינת קיטור כמתואר להלן בתרשימים 2-9,2-10. שיטה ב: דחיסת אדים תרמית TVC - Thermal Vapor Compression שיטה זו מבוססת על הקודמת אך בתוספת דחיסת אדים באמצעות קיטור Steam jet Compresson כ-משאבת חום. צריכת החום לתהליך זה מסופקת ע"י חום שיורי המופק מטורבינת גז או מנוע דיזל בצורת קיטור (בלחץ 2-10) Ata ובצורת אדי מים חמים כמפורט בתרשים מס ביצועים של המתקן צריכת הקיטור הסגולית של מתקן התפלה תלויה בעיקר במספר האפקטים והיא נעה בתחום 9-14 מ"ק מים/טון קיטור. ק"ג\מ"ק צריכת הדלק היחסית להתפלה בתהליך משולב (MED) מסתכמת ב מים מותפלים. (TVC) עם מנוע דיזל מגיעה ל תפוקת המים היומית בתהליך משולב מ"ק\ MW מותקן. 48

49 צריכת החשמל העצמית של המתקנים הנ"ל הינה בתחום קוט"ש\מ"ק מים מותפלים. המתקנים מיוצרים לתפוקות עד 20,000 מ"ק ליחידה אחת ואיכות המים המופקים בהם מגיעה לרמה של 20ppm TDS ופחות.,2.10 תרשימים 2.11, לישראל בע"מ. 2.9 והנתונים המפורטים לעיל מוצגים באדיבות: חברת הנדסת התפלה תרשים 2-9 תרשים

50 תרשים

51 פרק 3 51

52 3.1 מנוע בוכנתי מנוע בוכנתי הינו הסוג הנפוץ ביותר בזמן האחרון מבין מתקני ההנעה הראשיים במערכות קוגנרציה. פרק זה מתאר, בין היתר, ושיטות הפקת החום ממנו. את המאפיינים העיקריים של מנוע בוכנתי, את הביצועים שלו הספק מנועים בוכנתיים מיוצרים בתחום רחב של הספקים, שמגיעים עד כדי.50MW הדרכים המקובלות להגדרת הספק המנוע: הספק בלימה (BHP) BRAKE HORSEPOWER זהו ההספק המעשי הזמין על ציר המנוע להפקת כח. הספק נקוב לייצור כח PRIME POWER RATING הספק המומלץ להפעלה רצופה ממושכת של המנוע במינימום תקלות ותחזוקה כאשר הוא משמש כספק כח ראשי. הספק נקוב לעתודה STANDBY POWER RATING ההספק המומלץ להפעלה רצופה של המנוע לתקופות קצרות כאשר המנוע משמש לגיבוי בלבד. הספק מקסימלי נקוב (MCR) MAXIMUM CONTINUOUS RATING ההספק המקסימלי להפעלה ממושכת לשימוש מוגדר ותנאי עבודה נתונים. הספק חשמלי ELECTRICAL OUTPUT התפוקה החשמלית המעשית נטו של מכלול מנוע-גנרטור אשר לוקחת בחשבון את נצילות הגנרטור מחזור תרמודינמי מנועי שריפה פנימית בוכנתיים מסווגים לפי המחזור התרמודינמי לפיו הם פועלים. מחזור :OTTO הדלק ואויר השריפה מעורבבים במנוע לפני כניסתם לצילינדר. תערובת האויר והדלק נדחסת ע"י בוכנת המנוע ומוצתת לאחר מכן ע"י ניצוץ חשמלי. לאורך מהלך הדחיסה עולה טמפרטורת התערובת אך אינה מגיעה לטמפרטורת ההצתה העצמית.(detonation) 52

53 זהו סוג המנוע הנפוץ בכלי רכב קטנים מונעים בבנזין. מחזור :DIESEL אויר השריפה נדחס בצילינדר ע"י הבוכנה עד שהטמפרטורה שלו עוברת את טמפרטורת ההצתה של הדלק. הדלק מוזרק לאחר מכן לתוך הצילינדר וניצת באופן עצמי כתוצאה מהטמפרטורה הגבוהה. מנועים הפועלים לפי מחזור DIESEL (להלן מנועי דיזל) מאפשרים שימוש בדלקים זולים יחסית (כולל מזוט כבד) והם נפוצים יותר במערכות ייצור כח. לכן נתמקד, מכאן ואילך, במנועי דיזל בלבד מחזור פעולה מנועים בוכנתיים מסווגים לפי מחזור הפעולה שלהם לשני סוגים: מנוע - 2 פעימות: במנוע מסוג זה, שתי פעימות בוכנה (סיבוב אחד של גל הארכובה) מהוות מחזור פעולה אחד. פעימה ראשונה: פעימה שניה: יניקה ודחיסה. התפשטות ופליטה. שיטה זו מועדפת בהספקים גבוהים ומהי ויות סיבוב נמוכות. מנוע - 4 פעימות: מחזור פעולה אחד מורכב מ-ארבע פעימות בוכנה (שני סיבובים של גל הארכובה). פעימה ראשונה:יניקה פעימה שניה: דחיסה פעימה שלישית:התפשטות פעימה רביעית:פליטה מנוע 4 פעימות מתאים לעבודה בהספקים בינוניים ונמוכים ומהירויות סיבוב בינוניות וגבוהות. הביצועים של מנוע 4 פעימות בהספק חלקי יותר טובים מאשר במנוע 2 מתאים יותר ליישומים המאופיינים בעומס משתנה. פעימות והוא טמפרטורות גזי השריפה ומי הקירור גבוהות בהשוואה עם מנוע 2 הפקת החום גבוה יותר. פעימות. פוטנציאל עלויות התחזוקה של מנוע 4 פעימות גבוהות יותר מהירות הסיבוב 53

54 מנועי דיזל מיוצרים במהירויות סיבוב המגיעות עד RPM מקובל לדרג את מהירויות הסיבוב של מנועים לשלוש רמות בסיסיות: מהירויות נמוכות: RPM מהירויות בינוניות: RPM מהירויות גבוהות: RPM תחום המהירויות הבינוניות הוא הנפוץ ביותר במנועי דיזל המשולבים במערכות קוגנרציה, אך במנועים הגדולים גם נפוץ השימוש במהירויות נמוכות. מהירות הסיבוב היא אחד מאפייני המנוע החשובים ביותר ונקבעת לפי הגורמים הבאים: הספק המנוע נתוני הגנרטור אורך חיים ותחזוקה מינימלית סוג הדלק מנועים גדולים פועלים, בדרך כלל, במהירויות סיבוב נמוכות יחסית השימוש בדלקים כבדים מחייב שימוש במנועים עם מהירות סיבוב בינונית עד נמוכה. מקובל לבחור את מהירות הסיבוב באופן שהמנוע יספק -15,000 30,000 שעות עבודה בין שיפוצים חלקיים overhauls) (minor ועד 000, 50 שעות עבודה בין שיפוצים מקיפים overhauls).(major נצילות המנוע גבוהה יותר, בדרך כלל, במהירויות סיבוב נמוכות. מנוע עם מהירות סיבוב נמוכה יקר יותר. בחירת מהירות הסיבוב נעשית עפ"י זיקת ההדדיות (trade-off) בין ההשקעה הראשונית, הוצאות תפעולו ותחזוקתו ואורך החיים של המנוע הזנת אויר שריפה קיימות שתי שיטות להזנת אויר שריפה למנועי דיזל: יניקה טבעית ASPIRATED) :(NATURALLY אטמוספרי. הזנת אויר השריפה למנוע בלחץ טעינה מאולצת :(TURBOCHARGED) למנוע בלחץ מעל הלחץ האטמוספרי. דחיסה מוקדמת של האויר ואספקתו 54

55 בשיטה השניה נדחס האויר ע"י מטען (TURBOCHARGER) המופעל, בדרך כלל, ע"י טורבינה המופעלת ע"י גזי הפליטה. כתוצאה מהדחיסה המוקדמת גדלה כמות האויר, ובהתאם, גם כמות הדלק שניתן לשרוף ליחידת נפח מנוע. שיטה זו מאפשרת הגברת ההספק של מנוע בגודל נתון ב % והדבר מוזיל את מחיר המנוע במונחים של דולר ל-קילווט. תהליך הטעינה משפר גם את ערבוב הדלק עם האויר ובהתאם, גם נצילות המנוע. יחס הדחיסה RATIO) (COMPRESSION במנוע דיזל הינו היחס בין נפח האויר בצילינדר בתחילת פעימת הדחיסה ונפח האויר בסוף פעימת הדחיסה. - 18:1. יחס דחיסה גבוה מגדיל את יחסי הדחיסה במנועי דיזל נעים בתחום 8:1 הכוללת של המנוע. הנצילות לחצי האויר בצילינדר לאחר הדחיסה: עד 50 bar ביניקה טבעית עד 100 bar עם מטען צריכת הדלק סוג הדלק הינו אחד הפרמטרים החשובים הקובעים את יעילות המנוע, הכלכלית של מערכת קוגנרציה בכלל. אורך חייו והכדאיות מנועי דיזל מסוגלים לשרוף מגוון רחב של דלקים נוזליים וגזים או שילוב בין שני הסוגים. דלקים נוזליים סולר ASTM NO.2 GAS OIL דלק דיזל ASTM NO.4 DIESEL OIL מזוט קל ASTM NO.5 L IGHT FUEL OIL מזוט כבד ASTM NO.6 HEAVY FUEL OIL גזים גז טבעי, גפ"מ או גז המופק משפכים או מאשפה. שילוב גז ודלק נוזלי - ENGINES DUAL FUEL אפשרות זו קיימת במנועי דיזל שפותחו כדי לעבוד לחליפין עם גז או עם דלק נוזלי. במקרה של הפעלה בגז נדרשת במנועים אלה כמות קטנה של דלק נוזלי oil) (Pilot fuel כדי לאפשר הצתה (בדרך כלל 5-8% מסה"כ כמות הדלק). 55

56 צריכת דלק סגולית :(BSFC) BRAKE SPECIFIC FUEL CONSUMPTION מוגדרת ככמות הדלק הנדרשת כדי לייצר 1KWH על ציר המנוע במצב העמסה מוגדר. הערכים האפייניים של צריכת הדלק הסגולית במנועי דיזל: Gr/KWH צריכת הדלק הסגולית נותנת אינדיקציה לנצילות המנוע והיא משתנה בהתאם לסוג הדלק, גודל המנוע ורמת העמסתו. במנועים גדולים צריכת הדלק הסגולית נמוכה יותר. הסגולית ככל שרמת ההעמסה שלו יורדת השפעת סוג הדלק במנוע נתון, עולה צריכת הדלק בחירת סוג הדלק האופטימלי צריכה לבוא מתוך פשרה בין מחיר הדלק ובין מחיר המנוע מצד אחד והשפעת סוג הדלק על ביצועי המנוע מצד שני. מחירם של דלקים כבדים נמוך באופן משמעותי מדלקים קלים וגזים. מחירו של מזוט כבד, לדוגמה, מסתכם בכ- 40% ממחיר הסולר. הביצועים של המנוע, אורך חייו, יעילותו והשפעתו על הסביבה טובים יותר, מופעל בדלקים קלים או בגז, אשר איכותם גבוהה יותר, אך גם מחירם. כאשר הוא בהתחשב במחירי הדלקים בארץ, המקרים, לשימוש בדלקים כבדים. הכדאיות הכלכלית לקוגנרציה מוגבלת, במרבית תרשים מס. 3-1 הכלכלית. מתאר את השפעת סוג הדלק ותכונותיו על ביצועי המנוע והכדאיות תכונות הדלק העיקריות המשפיעות על ביצועי המנוע. ערך היסק תחתון (LHV) מבטא את תפוקת החום המתקבלת משריפת הדלק גבוה יותר בדלקים קלים. - ערך זה צמיגות הדלק - ככל שהדלק צמיג יותר הזרקתו לצילינדר קשה יותר והשריפה שלו פחות יעילה. הצמיגות משפיעה גם על התנעת המנוע. הצמיגות בדלקים כבדים גבוהה יותר. הדבר מחייב חימום מוקדם של הדלק להקטנת הצמיגות שלו. תכולת מוצקים ומשקעים גבוהה יותר בדלקים כבדים. תכונה זו פוגעת ביעילות הזרקת הדלק ומגבירה את הבלאי במערכת ההזרקה וברכיבים אחרים של המנוע. 56

57 תכולת גפרית גורמת לקורוזיה ובלאי בחלקי המנוע ומערכת הפליטה, משתנה וטמפרטורות עבודה נמוכות וזאת בנוסף לזיהום הסביבתי. במיוחד בעומס תכולת אפר מגבירה את הבלאי במערכת הזרקת הדלק ובחלקים הפנימיים של המנוע. תכולת מים נמוכות. מגבירה את הקורוזיה במערכת הפליטה במיוחד בטמפרטורות עבודה הגורמים המגבילים את בחירת סוג הדלק. תכנון המנוע ומבנהו צריכים להיות מותאמים לסוג הדלק ותכונותיו. גודל המנוע מנועים גדולים 500KW) ומעלה) עם קוטר צילינדר גדול ומהירות סיבוב נמוכה רגישים פחות לאיכות הנמוכה של דלקים כבדים. משטר הפעלה: השימוש בדלקים כבדים פוגע בביצועי המנוע בהספקים חלקיים ועומס משתנה. תנאי סביבה: הלחץ הברומטרי וטמפרטורת הסביבה מגבילים את סוג הדלק משיקולים של התנעה והפעלה יעילה. זיהום אויר: זיהום אויר. השימוש בדלקים כבדים מחייב, ברוב המקרים, התקנת אמצעים למניעת תרשים

58 השימוש בדלקים כבדים מחייב טיפול קפדני בדלק לפני הזנתו למנוע. חימום הדלק להקטנת צמיגותו הפרדת אדים סינון עדין להפרדת מוצקים ומשקעים תוספת כימיקלים לשיפור תכונות הדלק ומניעת קורוזיה. בכל מקרה יש לבדוק את האמצעים שנוקט יצרן המנוע כדי להתמודד עם ההשפעה השלילית של תכונות הדלק תנאי סביבה הביצועים של מנוע דיזל מושפעים מהלחץ הברומטרי, מהטמפרטורה והלחות של האויר. במקומות גבוהים, הלחץ הברומטרי נמוך. המשקל הסגולי של האויר וכמות החמצן ליחידת נפח קטנים. הספק המנוע יורד בהתאם. במקרה זה מומלץ להשתמש במנוע עם מטען אויר.(TURBOCHARGER) טמפרטורת האויר משפיעה גם היא על הספק המנוע ונצילותו. טמפרטורה נמוכה מגבילה את סוג הדלק וגורמת בעיות התנעה. 58

59 לחות גבוהה פוגעת בהספק המנוע ונצילותו ומגדילה את כמות אדי המים בגזי הפליטה, שמגביר את סכנת הקורוזיה. דבר ביצועי המנוע המאופייניים ע"י היצרנים מבוססים, בדרך כלל, על תנאי סביבה סטנדרטיים ויש לוודא בכל מקרה את הבסיס להספק הנקוב ולהשתמש במקדמי תיקון כדי לחשב את הביצועים האמיתיים. התנאים הסטנדרטיים עפ"י תקן :(ISO) 1 bar 25 0 C 60% לחץ ברומרטי: טמפרטורת הסביבה: לחות יחסית: הפקת חום במנוע דיזל תפוקת הכח במנוע דיזל, כאמור, ב % מהאנרגיה המתקבלת משריפת הדלק. האנרגיה, כולל החום הנוצר כתוצאה מחיכוך, מסולקים מהמנוע בדרכים שונות: עודפי 20-30% גזי פליטה EXHAUST HEAT 25-30% קירור מעטפת המנוע JACKET COOLING 4-8% קירור שמן הסיכה LUBE OIL COOLING 2-3% קירור אויר טעינה INTERCOOLER 5-7% קרינת חום RADIATION כמויות החום הנפלטות מהמקורות הנ"ל והטמפרטורות תלויות בגודל המנוע, העמסתו ובשיטת הזנת האויר. ברמת בסוגו, חלק גדול מכמויות החום הנפלטות דרך גזי הפליטה, ניתנות לניצול. קירור מעטפת המנוע ושמן הסיכה תרשימים 3-2 עד 3-6 מתארים שיטות שונות לניצול החום של מנוע דיזל. ניצול חום גזי הפליטה EXHAUST HEAT כמות החום בגזי הפליטה מסתכמת, הדלק. כאמור, ב % מהאנרגיה המתקבלת משריפת 59

60 טמפרטורת גזי הפליטה תלויה בסוג המנוע ומשתנה לפי רמת העמסתו. במנוע 4 -פעימות: C בעומס מלא - C בעומס חלקי.(60%) במנוע 2 -פעימות ומנועים במהירות סיבוב עד 900 סל"ד, C בעומס מלא ויורדת ל C בעומס נמוך. הטמפרטורה מגיעה ל- במנוע עם מטען אויר טמפרטורת גזי הפליטה גבוהה יותר מאשר במנוע עם יניקה טבעית. החום של גזי הפליטה מנוצל במערכת קוגנרציה לייצור קיטור ולחימום מים או נוזלים אחרים. גזי הפליטה ניתנים לניצול גם באופן ישיר לחימום וייבוש מוצרים. פוטנציאל ניצול חום גזי הפליטה מוגבל ל % מאחר ולא רצוי לקרר אותם מעבר לנקודת הטל (C בהתאם לסוג הדלק ותנאי הסביבה). בנקודה זו מתחילה התעבות אדי המים שגורמת להיווצרות חומצות במערכת הפליטה של המנוע ואיכולה. מאחר ויש צורך בצמצום רמת הרעש של המנוע, משמשים גם כמשתיקי קול. מרבית מתקני ניצול חום גזי הפליטה ניצול חום מעטפת המנוע JACKET HEAT קירור מעטפת המנוע נעשה בד"כ ע"י מעגל מי קירור לסילוק עודפי החום מגוף המנוע, הראש ותעלות הפליטה. כמות החום הנפלטת ממקור זה מגיעה לכ- 30% מאנרגית הדלק הנשרף במנוע. תחום הטמפרטורות האפייני למעגל קירור המעטפת: C המגבלות של מעגל הקירור: טמפרטורת מינימום (C 82) 0 למניעת התעבות אדי המים בגזי הפליטה. טמפרטורה מירבית (C 120) 0 למניעת פגיעה באטמי המנוע. טמפרטורה יציבה (C (dt<8 0 למניעת מאמצים תרמיים שעלולים לגרום סדקים ונזק למנוע. ספיקה יציבה בהתאם להוראות היצרן. מי קירור באיכות טובה. ע"י ניצול חום מעטפת המנוע ניתן להפיק מים חמים בטמפרטורות עד C ו/או קיטור בלחץ נמוך bar).(113 0 C,

61 קיימות שתי שיטות בסיסיות לניצול חום מעטפת המנוע: עם הרתחה. סחרור מאולץ וסחרור טבעי סחרור מאולץ FORCED CIRCULATION בשיטה זו, מי הקירור מסוחררים בלחץ דרך המנוע ע"י משאבה ובמסגרתה קיימות שלוש אפשרויות עיקריות להפקת חום: הפקת חום ממעגל הקירור הראשוני יתרונות: - חסרונות: נצילות גבוהה סכנת דליפת מי קירור כתוצאה מצנרת ארוכה. תנודות חדות בטמפרטורת מי הקירור כתוצאה מביקוש חום - - משתנה. הפקת חום במעגל משני יתרונות: חסרונות: טמפרטורת מי הקירור אינה מושפעת ישירות מהתנודות בצריכת החום. סיכויים נמוכים לנזילות ואיבודי מים. נצילות נמוכה תוספת מחליפי חום וצנרת הפקת קיטור ע"י מיכל פריצה יתרונות: - חסרונות: - נצילות גבוהה טמפרטורת קירור קבועה ע"י שליטה על לחץ קיטור קבוע. תחלופת מי קירור במידה ואין החזר מלא של מי עיבוי. סחרור טבעי עם הרתחה EBULLIENT COOLING בשיטה זו סחרור המים נעשה באופן טבעי ע"י גרבטציה. (ראה תרשים 3-5). מי הקירור עוברים שינוי מצב צבירה בתוך המנוע. בועות הקיטור הנוצרות במנוע זורמות למפריד קיטור שבו נשמר לחץ קבוע. היתרון העיקרי של שיטה זו הוא בשמירת טמפרטורת מי קירור קבועה במעגל הסחרור. שיטה זו מסוכנת למנוע אם היא לא מתוכננת היטב ואם המנוע לא מותאם למטרה הזו. ניצול חום שמן הסיכה LUBE OIL HEAT 61

62 מערכת קירור שמן הסיכה פולטת 4-8% מהחום המתקבל משריפת הדלק. הטמפרטורות האפייניות של השמן במעגל הסחרור C המגבלות לניצול החום של השמן: טמפרטורה גבוהה:פוגעת בתכונות השמן ובאורך חייו. טמפרטורה נמוכה:מצמצמת את יעילות הפקת החום וגורמת לעיבוי אדי בשמן. המים כדי לגשר בין שתי המגבלות הנ"ל מומלץ לשמור על טמפרטורת שמן קבועה 50). 0 C 88) ע"י שליטה על טמפרטורת מי הקירור בכניסה למקרר (בתחום 0 C (בתחום 62

63 תרשים 3-2 תרשים

64 תרשים 3-4 תרשים

65 תרשים טורבינת גז GAS TURBINE טורבינות גז או, ליתר דיוק, טורבינות שריפה COMBUSTION TURBINES פותחו במקור למטרות תעופה והותאמו בהמשך להפקת כח, לתקופות רצופות וממושכות. בעשור האחרון נבנות תחנות כח רבות על בסיס טורבינות גז בעיקר באותם אתרים בהם ניתן לנצל גז טבעי עקרון פעולה טורבינת גז מורכבת משלושה חלקים בסיסיים. מדחס אויר תא שריפה טורבינה המדחס יונק את אויר השריפה, מגביר את הלחץ שלו ומזרים אותו לתא השריפה (בד"כ מספר תאי שריפה). בכניסה לתא השריפה מעורבב האויר עם הדלק ומוצת. הדלק 65

66 מרוסס לתא השריפה בלחץ ע"י נחירים. גזי השריפה זורמים בלחץ וטמפרטורה גבוהים לטורבינה ומתפשטים דרכה. לחץ גזי השריפה והאנרגיה התרמית שלהם מוסבים לאנרגיה מכאנית על ציר הטורבינה, כאשר חלק משמעותי מהספק הטורבינה משמש להפעלת המדחס. ניתן לסווג טורבינות גז כנגזרות תעופיתיות או כנגזרות תעשייתיות כאשר הטורבינות התעשייתיות גדולות וכבדות יותר. טורבינות תעופתיות קומפקטיות וזולות יותר מאשר טורבינות תעשייתיות אך תחזוקתן יותר מסובכת ויקרה. עם הרחבת השימוש בטורבינות התעופתיות במערכות קוגנרציה ויצור כח בכלל, ההבדלים בין שני הסוגים הולכים ונעלמים. במרבית טורבינות הגז, המדחס והטורבינה מחוברים לציר משותף ) SHAFT (SINGLE,TURBINE אך קיימות טורבינות עם ציר מפוצל (טורבינת הכח והגנרטור מחוברים לציר נפרד). חלק מטורבינות הגז מצויידות בהתקנים לחימום מוקדם של אויר השריפה ע"י גזי הפליטה (REGENERATORS) כאמצעי לשיפור נצילותן. מספר הדרגות (הרוטורים) של המדחס או של הטורבינה תלויים בגודל היחידה. יחס דחיסת אויר השריפה והטמרפטורה שלהם תלויים בגודל הטורבינה ובתנאי הסביבה. התחום האופייני לערכים הנ"ל: C C יחס דחיסה: טמפרטורה בכניסה לטורבינה: טמפרטורה ביציאה מהטורבינה: הספקים טורבינות גז מיוצרות בהספקים החל מ- 50KW ועד.150MW בהספקים נמוכים (עד 1500), KW הנצילות החשמלית נמוכה (12-20%) הכלכלית. בהספקים גבוהים יותר מגיעה הנצילות החשמלית לכ- 30%. ובהתאם גם הכדאיות יצרני טורבינות גז נוקבים בשני ערכים עבור הספק הטורבינה: 66

67 הספק מקסימלי לעתודה - RATING MAX. STANDBY ההספק הנקוב להפעלה עד 300 שעות בשנה. הספק לפי תקן (ISO) ISO BASE LOAD - ההספק הנקוב להפעלה רצופה במשך כל השנה. ההספק הנקוב מתייחס להספק המקסימלי המומלץ על ציר הטורבינה בתנאי הפעלה ובתנאי סביבה מוגדרים. הפעלת הטורבינה בהספק חלקי נעשית ע"י וויסות טמפרטורת השריפה ו/או האויר. צמצום זרימת מהירות סיבוב טורבינות הגז פועלות במהירות סיבוב גבוהה יחסית וקבועה לאורך כל תחום מהירויות הסיבוב האופייני: ,000 RPM (מהירות רוטור). תחום ההעמסה שלה. מהירות הסיבוב מופחתת ע"י תיבת תמסורת לקבלת מהירות מתאימה להבחין בין שתי מהירויות סיבוב המאופיינות ע"י היצרן. לגנרטור. יש מכאן, מהירות רוטור TURBINE ROTOR SPEED מהירות ציר כח OUTPUT SHAFT SPEED השפעת תנאי הסביבה הביצועים של טורבינת גז מושפעים במידה רבה מתנאי הסביבה ובמיוחד מטמפרטורת האויר החיצון. לחץ ברומטרי נמוך וטמפרטורה גבוהה מקטינים את המשקל הסגולי של האויר, ובעקבות זאת גם את תפוקת הטורבינה. ביצועי הטורבינה מאופיינים ע"י היצרן עפ"י תנאי סביבה סטנדרטיים ויש להשתמש במקדמי תיקון המסופקים ע"י היצרן לקבלת הביצועים המעשיים בתנאי סביבה נתונים. תנאי סביבה סטנדרטיים לפי תקן ISO לטורבינת גז: לחץ ברומטרי: (1.03 bar)760 mmhg טמפרטורת אויר חיצון: 15 0 C 67

68 3.2.5 יתרונות מכאניים העדר תנודות הודות לתנועה סיבובית משקל קל יחסית תדירות יציבה רעש בעל תדירות גבוהה שקל יותר לבודד צריכה נמוכה של שמן סיכה (0.03 ליטר\שעה) מבנה קומפקטי ונפח קטן יחסית ליחידת הספק מערכות נלוות מערכת דלק מערכת שמן סיכה ומקרר שמן מערכת התנעה (חשמלית/מנוע אויר/מנוע הידראולי/מנוע דיזל) מערכת ניקוי מדחס בידוד אקוסטי מערכת יניקת אויר מערכת פליטה מערכת בקרה סוללות ומטען סוללות להתנעה מערכת כיבוי אש צריכת הדלק טורבינות גז מופעלות ע"י דלקים קלים וגזים. השימוש במזוט הינו בעייתי ומוגבל לטורבינות תעשייתיות גדולות מאד ולאחר טיפול מיוחד. למעשה, הנושא לא עבר עדיין לשימוש מסחרי נרחב. התחומים האופייניים של צריכת דלק סוגלית בטורבינת גז: צריכת דלק סגולית Gr/KWH תחום הספקים (KW) עד מעל טורבינת קיטור 68