Sistem kogenerasi13.1 PendahuluanKogenerasi dan panas gabungan dan daya (CHP) adalah istilah yang digunakan secara bergantian untuk menunjukkan simultanpembangkit tenaga (listrik) dan energi panas yang dapat digunakan (panas) dalam satu sistem terpadu.Sebuah pabrik CHP berasal efisiensi, dan biaya sehingga lebih rendah, dengan memulihkan dan memanfaatkan panas yang dihasilkansebagai produk sampingan dari proses pembangkit listrik yang biasanya akan sia-sia di lingkungan.Efisiensi bahan bakar secara keseluruhan instalasi CHP khas dapat berada di kisaran 70-90 persen, dibandingkandengan 35-50 persen untuk pembangkit listrik konvensional. Secara keseluruhan, CHP mencapai pengurangan 35 persendalam penggunaan energi primer dibandingkan dengan pembangkit listrik terpencil dan boiler panas saja. Tambahan Pula,CHP juga menghindari transmisi dan distribusi kerugian karena persediaan listrik umumnya dekat dengansitus generasi.Meskipun konsep CHP bukanlah hal yang baru, itu hanya baru-baru ini telah diterapkan untuk berbagai komersialbangunan. Memang, sampai tahun 1980-an, sistem kogenerasi digunakan hanya dalam industri besar atauFasilitas kelembagaan dengan kebutuhan listrik yang tinggi (biasanya lebih dari 1.000 kW). Setelah krisis energi1973 di mana harga bahan bakar dan listrik meningkat secara signifikan (dengan faktor lima), pada tahun 1978 ASpemerintah mengesahkan UU Energi Nasional (NEA) yang meliputi Kebijakan Act Peraturan Umum(PURPA). Peraturan PURPA telah memaksa utilitas untuk membeli listrik dan menyediakan tambahanatau back-up kekuatan untuk setiap fasilitas cogeneration berkualitas. Kebijakan Energi Act of 1992 memilikimeningkatkan daya tarik sistem kogenerasi bahkan lebih dengan membuka akses jalur transmisi danwheeling ritel.The pemurah merujuk pada proses dimana utilitas dapat membeli atau menjual listrik ke atau dari lainnyautilitas untuk memenuhi permintaan puncak atau gudang generasi kelebihan. Proses pemurah memungkinkan utilitasuntuk menghabiskan lebih sedikit pada memuncak pembangkit listrik, sehingga menurunkan belanja modal yang diperlukan untuk memenuhi tinggiperiode kebutuhan daya listrik.Selain peraturan yang menguntungkan, pengembangan sistem kogenerasi hemat energidan kecil pra-rekayasa unit cogeneration dikemas telah memberikan insentif yang diperlukan untukmendorong penerapan sistem yang mampu menghasilkan listrik dan panas untuk komersial,institusional, dan bahkan perumahan aplikasi. Saat ini, sistem kogenerasi yang tersedia melaluiberbagai ukuran dari kurang dari 50 kW (Microsystems) untuk lebih dari 100 MW. Selain itu, kemajuandalam kontrol telah menyediakan prosedur yang lebih baik untuk mengoperasikan dan mengintegrasikan berbagai komponensistem kogenerasi (termasuk penggerak utama, generator listrik, dan sistem pemulihan panas).Kesadaran Baru-baru ini, perusahaan jasa energi (ESCOs) telah meningkat dan kepentingan masyarakatdalam teknologi generasi di tempat.Selain efisiensi energi yang lebih baik secara keseluruhan dibandingkan dengan tanaman utilitas konvensional, kogenerasisistem menawarkan keuntungan sebagai berikut:Pembangkit listrik bersih s ources dengan mengurangi emisi NOx dan karbon Meningkatkan keandalan dan kualitas daya listrik karena pelanggan kurang rentan terhadappemadaman dari jaringan listrik utilitas Ditambahkan ketahanan energi nasional dengan sumber beragam dan lokasi pembangkit listrik Pencegahan transmisi dan distribusi biaya karena tidak ada garis baru akan diperlukan jika didistribusikantanaman kogenerasi yang tersediaUntuk mengevaluasi kelayakan sistem kogenerasi, beberapa aspek teknis dan ekonomis sertasebagai masalah regulasi harus dipertimbangkan. Bab ini menyediakan beberapa diskusi tentang peraturan utamapertimbangan dan pilihan keuangan untuk kogenerasi di Amerika Serikat, namun fokus utamabab ini adalah untuk memberikan informasi dan rekayasa prinsip-prinsip teknis yang diperlukan untuk memahamidesain dan pengoperasian sistem kogenerasi. Pertama, gambaran masa lalu, saat ini, danstatus masa depan industri pembangkit listrik di Amerika Serikat disajikan.13,2 Sejarah KogenerasiSistem untuk gabungan panas dan pembangkit listrik telah ada sejak tahun 1880-an di AmerikaAmerika dan Eropa. Memang, beberapa fasilitas industri yang dihasilkan listrik dan uap mereka sendiri dengan menggunakanboiler berbahan bakar batubara dan generator turbin uap. Diperkirakan bahwa sistem CHP diproduksi hingga 58persen dari total listrik yang dihasilkan di Amerika Serikat.Namun, pada pertengahan 1900-an, pembangkit listrik besar tengah dibangun dengan utilitas handalgrid. Listrik dari tanaman ini diproduksi dengan biaya yang relatif rendah. Sebagai akibatnya,fasilitas industri mulai membeli listrik dari pembangkit listrik dan dengan demikian secara bertahap mengurangiketergantungan mereka pada generasi di tempat. Kontribusi sistem CHP terhadap total US tenaga listrikGenerasi mewakili 15 persen pada tahun 1950 dan hanya 4 persen pada tahun 1974 (EIA, 2000). Besar listrikperusahaan utilitas memegang telah terbentuk dan berkembang sejak awal 1900-an. Pada tahun 1920,Sebagian besar industri listrik AS dikendalikan oleh swasta tenaga listrik memegang beberapaperusahaan. Perusahaan holding tersebut menyalahgunakan kekuasaan dan dibebankan konsumen harga yang lebih tinggi untuklistrik.Untuk mengurangi monopoli utilitas listrik swasta memegang perusahaan, pemerintah federaldiintervensi oleh melewati UU Utilitas Umum Holding Company (PUHCA) pada tahun 1935. Di bawahketentuan PUHCA, utilitas listrik induk perusahaan menjadi diatur oleh Securitiesand Exchange Commission. Dalam upaya lebih lanjut untuk menurunkan harga listrik, pemerintah milik hidroelektrikFasilitas listrik dibangun termasuk Hoover Dam pada tahun 1936. Bonneville Proyek UU1937 disediakan pemerintah federal dengan sarana untuk mengawasi transmisi dan pemasaran listrik yang dihasilkandari fasilitas listrik tenaga air. Pada tahun 1941, listrik yang dihasilkan dari fasilitas yang dimiliki publik diwakili12 persen dari generasi utilitas keseluruhan.Sampai awal 1970-an, utilitas mampu memenuhi kebutuhan daya listrik yang semakin meningkatpada penurunan harga karena skala ekonomi, kemajuan teknologi, dan penurunan biaya bahan bakar.Namun, serangkaian peristiwa yang terjadi selama tahun 1970-an memiliki dampak yang signifikan terhadap ASindustri tenaga listrik. Peristiwa ini termasuk embargo minyak pada 1973-1974, dan bagian dari BersihAir Act tahun 1970, serta Pasokan dan Energi Lingkungan Koordinasi Act pada tahun 1974. Akibatnyaperistiwa ini, harga daya listrik meningkat secara dramatis pada 1980-an. Antara 1973 dan 1985,harga bahan bakar dan listrik meningkat dengan faktor 5.Sebagai reaksi terhadap embargo minyak, pada tahun 1978 pemerintah federal juga lulus Energi NasionalUndang-Undang (NEA) untuk mengurangi ketergantungan AS pada minyak asing, mengembangkan sumber energi alternatif, danmendorong konservasi energi. The NEA terdiri dari lima undang-undang yang berbeda:1. Utilitas Umum Undang-Undang Kebijakan (PURPA)2. Undang-Undang Energi PajakSistem kogenerasi 13-3Undang-Undang 3. Kebijakan Konservasi Energi Nasional4. Powerplant dan Bahan Bakar Industri Gunakan ActAct 5. Kebijakan Gas AlamPURPA telah memiliki dampak yang paling signifikan terhadap industri tenaga listrik dan pengembangankogenerasi. Memang, PURPA diperbolehkan fasilitas nonutility yang memenuhi kepemilikan dan efisiensi tertentuKriteria untuk menjual tenaga listrik kepada perusahaan utilitas. Secara khusus, PURPA menetapkan kewajiban hukum berikutuntuk perusahaan utilitas listrik terhadap cogenerators didefinisikan sebagai fasilitas yang memenuhi syarat (QFS):Perusahaan utilitas harus membeli energi cogenerated sebuah nd kapasitas dari QFS. Utility perusahaan harus menjual energi dan kapasitas untuk QFS. Utility perusahaan harus memberikan kepada QFS daya tambahan, cadangan daya, pemeliharaankekuasaan, dan kekuasaan interruptible. Utility perusahaan harus menyediakan akses ke jaringan transmisi ke roda untuk utilitas listrik lainnyaperusahaan.Undang-undang tambahan disahkan pada 1990-an, termasuk Clean Air Act Perubahan (CAAA) Tahun 1990dan Undang-Undang Kebijakan Energi (EPAct) Tahun 1992, telah memberikan peluang baru untuk kogenerasi. Secara khusus,EPAct memberikan insentif untuk generator nonutility untuk memasuki pasar grosir untuk listriklistrik dengan membebaskan mereka dari kendala PUHCA. Hukum menciptakan kategori baru dari produsen listrikdikenal sebagai generator grosir dibebaskan (EWGs). Perlu dicatat bahwa EWGs berbedaPURPA QFS karena mereka tidak diharuskan untuk memenuhi kriteria cogeneration PURPA itu. Selain itu, utilitastidak diharuskan untuk membeli tenaga listrik dari EWGs.Tabel 13.1 merangkum undang-undang federal utama yang telah menandai industri tenaga ASsejak awal 1930-an. Karena berlalunya PURPA, beberapa proyek megawatt CHP telahdikembangkan dan dibangun terutama pada fasilitas industri besar termasuk pulp dan kertas, baja, kimia,dan tanaman pemurnian. Kemajuan terbaru dalam mesin reciprocating dan turbin microcombustion membuatCHP lebih hemat biaya untuk aplikasi kecil, seperti restoran cepat saji, serta komersialbangunan.Diperkirakan bahwa pada tahun 2005, kapasitas pembangkit CHP adalah sekitar 82 GW akuntansi untuk sekitar 6,1persen dari kapasitas pembangkit listrik keseluruhan di Amerika Serikat (EIA, 2009). Dalam beberapa Eropanegara, CHP saham kapasitas pembangkit nasional melebihi 25 persen seperti kasus Denmark(53 persen) dan Belanda (37 persen) seperti yang dirangkum dalam Tabel 13.2.13.3 Jenis Kogenerasi SistemAda beberapa jenis sistem kogenerasi yang tersedia secara komersial. Secara umum, tiga kategorikogenerasi sistem dapat dipertimbangkan:1. Sistem kogenerasi Konvensional: Sistem ini terdiri dari unit cogeneration besar (lebih dari1.000 kW) dan memerlukan proses desain menyeluruh untuk memilih ukuran semua peralatan dan komponen(Yaitu, penggerak utama, generator listrik, dan sistem pemulihan panas).2. Dikemas sistim kogenerasi: Sistem ini kecil (di bawah 1.000 kW) dan mudah untuk merancangdan menginstal karena mereka pra-rekayasa dan unit preassembled.3. teknologi generasi Terdistribusi: Beberapa sistem kogenerasi dapat menggunakan sejumlah teknologiyang telah baru-baru ini dikembangkan untuk menghasilkan baik listrik dan panas termasuk sel bahan bakar.13.3.1 Konvensional Kogenerasi SistemSebuah pabrik cogeneration khas terdiri dari beberapa potongan-potongan peralatan untuk menghasilkan listrik dan panas(Dalam bentuk baik uap atau air panas). Jumlah dan jenis peralatan di pabrik cogeneration13-4 Energi Audit Sistem Bangunan: Sebuah Pendekatan Teknik, Edisi Keduatergantung pada ukuran sistem dan prosedur yang digunakan untuk menghasilkan listrik dan panas. Umumnya,Sistem kogenerasi konvensional meliputi komponen-komponen berikut:1. prime mover: ini adalah alat yang paling penting dalam sistem kogenerasi. Hal ini biasanyaturbin yang menghasilkan tenaga mesin yang menggunakan sumber utama bahan bakar. Ada tiga turbinjenis yang biasa digunakan pada tanaman cogeneration: turbin yang dioperasikan oleh uap yang dihasilkan dariboiler, turbin gas bahan bakar gas alam atau produk minyak bumi ringan, dan pembakaran internalmesin berbahan bakar gas alam atau bahan bakar minyak distilat.2. Generator J: Ini adalah perangkat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.TABEL 13.1 Mayor federal Legislasi Mempengaruhi Industri AS Electric PowerLegislasi Nama Tahun Main LingkupUndang-Undang Utilitas Umum Holding Company(PUHCA)1935 Untuk mengurangi pelanggaran industri utilitas dengan memberikan Securities andExchange Commission kewenangan untuk mengawasi memegangperusahaan.Undang-Undang Bonneville Proyek 1937 Untuk membuat Power Administrasi Bonneville (BPA) untuk mengawasitransmisi dan pemasaran listrik yang dihasilkan di lautbendungan.Clean Air Act 1970 Untuk mengurangi emisi sulfur dioksida dan nitrogen dioksida.Pasokan Energi dan LingkunganUndang-Undang Koordinasi (ESECA)1974 Untuk memungkinkan pemerintah federal untuk melarang utilitas listrik daripembakaran gas atau minyak bumi produk alami.Utilitas Umum Kebijakan Regulatory Act(PURPA)1978 Untuk mempromosikan konservasi energi listrik dengan memungkinkan nonutilitygenerator dan cogenerators memenuhi syarat untuk menjual kekuatan untuk utilitas.Energi Pajak Act (ETA) 1978 Agar kredit pajak untuk investasi dalam peralatan cogeneration danteknologi terbarukan. Insentif tersebut dibatasi dalampertengahan 1980-an.Undang-Undang Kebijakan Konservasi Energi Nasional 1978 Untuk meminta utilitas untuk mengembangkan rencana konservasi energi perumahanuntuk mengurangi pertumbuhan permintaan listrik.Powerplant dan Bahan Bakar Industri Gunakan UU 1978 Untuk mengganti ESECA 1974 dan memperluas pemerintah federallarangan penggunaan gas alam dan minyak bumi di listrik barutanaman.Perencanaan Pacific Northwest Electric Powerdan Konservasi (PNEPPC) Undang-Undang1980 Untuk membuat Dewan PNEPPC untuk mengkoordinasikanakuisisi konservasi dan sumber daya dari BPA.Undang-Undang Perlindungan Konsumen Listrik(ECPA)1986 Untuk mengatur kriteria lingkungan baru dalam lisensi pembangkit listrik tenaga airtanaman; untuk mengurangi secara signifikan PURPA manfaat bagi yang baruProyek pembangkit listrik tenaga air; dan untuk meningkatkan kekuatan menegakkan dariFERCClean Air Act Perubahan (CAAA) 1990 Untuk membuat program pengurangan emisi baru; generatorlistrik yang bertanggung jawab untuk sebagian besar sulfurdioksida dan nitrogen oksida pengurangan.Kebijakan Undang-Undang Energi (EPAct) 1992 Untuk membuat kategori baru dari produsen listrik dan untuk mengotorisasiFERC untuk membuka sistem transmisi listrik nasionalkepada pemasok grosir.Sumber: EIA, Mengubah Struktur Industri Tenaga Listrik 2000.TABEL 13.2 Share CHP di Jumlah National Power Generation untuk Negara TerpilihNegara Denmark Belanda Jerman ItaliaSerikatNegara BagianSerikatRaya PrancisKontribusi CHP (%) 53 37 17 8 6 8 4Sumber: EIA, Energi Annual Review 2009.Sistem kogenerasi 13-53. Sebuah sistem pemulihan panas: Ini terdiri dari satu set penukar panas yang dapat memulihkan panas dari knalpotpendingin mesin atau dan mengubahnya menjadi bentuk yang berguna, biasanya air panas.Untuk mengoperasikan pabrik cogeneration, sistem kontrol yang kuat diperlukan untuk memastikan bahwa semua individupotongan peralatan memberikan kinerja yang diharapkan. Dua siklus operasi dasar yang digunakan untuk menghasilkanlistrik dan panas: baik siklus bottoming atau siklus topping.13.3.1.1 bottoming SiklusDalam siklus ini, generasi panas diberikan prioritas untuk memasok panas proses untuk fasilitas. Panasenergi yang dihasilkan langsung dari pembakaran bahan bakar (dalam penggerak utama). Panas ini kemudian pulih dan diberi makangenerator untuk menghasilkan listrik seperti yang diilustrasikan pada Gambar 13.1 (a). Tanaman industri ditandai denganPersyaratan panas suhu tinggi (seperti baja, aluminium, kaca, dan industri kertas) biasanya menggunakanbottoming sistem kogenerasi siklus.Siklus 13.3.1.2 ToppingBerbeda dengan siklus bottoming, pembangkitan listrik lebih diutamakan daripada produksi panas sebagaiditunjukkan pada Gambar 13.1 (b). Limbah panas kemudian pulih dan diubah menjadi baik uap atau air panas.Kebanyakan sistem kogenerasi yang ada didasarkan pada topping siklus. Sebuah hibrida siklus topping umum(A)Energi panasPembangkit energi listrikPenukar panasLimbah panasPenggerak utamaBahan Bakar(B)Tenaga listrikEnergi panasHRB * T + Generator* HRB: Panas pemulihan+ T: TurbinePenggerak utamaBahan Bakar(C)Tenaga listrikTenaga listrikEnergi panasGeneratorGeneratorHRB * T +* HRB: Panas pemulihan+ T: TurbinePenggerak utamaBahan BakarGambar 13.1 (a) sistem Topping siklus kogenerasi; (B) bottoming sistem siklus kogenerasi; (C) dikombinasikansistem kogenerasi siklus.13-6 Energi Audit Sistem Bangunan: Sebuah Pendekatan Teknik, Edisi Keduadigunakan oleh beberapa fasilitas industri dan bahkan oleh utilitas listrik siklus gabungan seperti yang digambarkan dalamGambar 13.1 (c). Dalam siklus ini, turbin gas biasanya digunakan untuk menghasilkan listrik. Gas buang yang kemudiandiumpankan ke panas pemulihan pembangkit uap untuk menghasilkan lebih banyak listrik menggunakan turbin uap. Untuk kogenerasi sebuahtanaman, sebagian kecil dari uap dapat diubah menjadi bentuk yang berguna dari energi panas.Tiga jenis penggerak utama umumnya dianggap untuk besar dan menengah kogenerasi konvensionalSistem: turbin uap, mesin reciprocating, dan turbin gas. Sebuah gambaran singkat dari masing-masing primaJenis penggerak disediakan di bawah ini.13.3.1.2.1 Turbin UapTurbin uap tertua dan paling serbaguna penggerak utama yang digunakan dalam pembangkit listrik. Di AmerikaNegara, sebagian besar listrik yang dihasilkan dari pembangkit listrik dengan menggunakan turbin uap. Namun, turbin uapjuga digunakan dalam panas dan listrik sistem gabungan, gabungan pembangkit listrik siklus, dan kabupatensistem pemanas. Kapasitas turbin uap berkisar dari 50 kW hingga ratusan MWs. Adabeberapa jenis turbin uap yang digunakan saat ini dalam aplikasi pembangkit listrik termasuk:Kondensasi turbin adalah turbin utilitas listrik-satunya. Mereka knalpot langsung ke kondensor yangmempertahankan kondisi vakum pada debit. turbin tanpa pengembunan juga disebut sebagai turbin tekanan balik. Mereka buang uap keinduk fasilitas pada kondisi dekat dengan persyaratan proses panas. turbin Ekstraksi memiliki bukaan di casing mereka untuk ekstraksi sebagian uap di beberapatekanan menengah sebelum kondensasi sisa uap.Efisiensi pembangkit listrik turbin uap bervariasi dari 37 persen untuk utilitas listrik yang besartanaman untuk 10 persen untuk tanaman kecil yang menghasilkan listrik sebagai produk sampingan dari generasi uap. Ituaplikasi umum dari turbin uap untuk panas dan listrik sistem gabungan melibatkan proses industridi mana bahan bakar padat atau limbah yang tersedia. Di Amerika Serikat, diperkirakan bahwa lebih dari 580fasilitas industri dan kelembagaan menggunakan mesin uap untuk menghasilkan sekitar 19.000 MW kapasitas listrik.Tabel 13.3 daftar biaya khas dan parameter kinerja untuk sistem kogenerasi menggunakan turbin uap.