Анализ жизненного цикла для систем производства электроэнергии был выполнен Всемирным Советом Устойчивого Развития (World Business Council for Sustainable Development) и другими организациями с учетом аспектов потребления материалов, образования отходов, экологической политики и воздействия на здоровье человека. Для достижения более устойчивой системы выработки электроэнергии, прилагается большое количество усилий, от наиболее устойчивых до наиболее неустойчивых решений и методов в отношении энергосбережения, эффективного использования энергии, использования возобновляемых источников энергии, отходов-в-энергию, CHP на горючем газе, CCGT на горючем газе, электростанций на природном газе, установки на обогащенном угле и установки на старом угле. Некоторые исследования рассматривают атомные электростанции как наименее устойчивые решения, в то время, как другие исследования (например, British Energy [50]) указывают на преимущества атомной энергетики (например, потенциальная возможность низкого уровня выхода CO2).
Система управления потреблением энергии, представленная в модели для устойчивого общества, фокусируется на:
- избежании и оптимизации использования энергии,
- использовании возобновляемых источников энергии (солнечная, ветряная, водяная, геотермальная и т.д.), основываясь на природных местных условиях,
- на преобразовании органических и горючих отходов, производимых сообществом, в энергию (в форме горючего газа, включая биогаз и синтетический газ от газификации), и
- на использовании горючего газа в комбинированных системах тепло-электроэнергия (CHP).
Далее делается акцент на минимизации использования (и, следовательно, зависимости) от ископаемого топлива, включая уголь, нефть и природный газ. Выполнение этих руководящих принципов ведет к выбору электроэнергии как основной формы энергии в сообществе (с разумным количеством систем резервного питания). Следует заметить, что обогрев зданий и других помещений в основном достигается (например, с горячей водой) с помощью эффективного использования солнечной энергии и распределении выделения тепла от промышленной деятельности. Общество, которое производит достаточно электроэнергии, всегда будет избегать импорта электроэнергии из других стран и, следовательно, потребления энергии, произведенной с помощью возможно менее устойчивых энергетических систем (например, атомная энергия).
Системы производства электроэнергии, выбранные в этой модели, основаны на лучших системах, доступных сегодня. Однако, новые технологии, такие, как системы высокотемпературных топливных элементов, которые будут доступны через несколько лет, могут обеспечить производство электричества, как чистые и удобные первичные источники энергии для распределения внутри устойчивого сообщества с большим энергосберегающим эффектом, чем у доступные в настоящее время систем. Такие совершенные технологии запланированы к использованию в будущих обновлениях данной системы, в ходе будущих совершенствования таких систем.
В этой модели синтетический газ из газификационной системы и метан из реакторной (биогаз) установки (см. Организация сбора и удаления отходов) предоставляет топливный базис для системы газотурбинной установки комбинированного цикла (CCGT). Система CCGT является основной системой производства электроэнергии для сообщества. Генераторы электроэнергии работают на комбинации газовой турбины (сгорание топлива) и паровой турбины (восстановление ощутимой энергии). Природный газ используется как пусковой и резервный газ, и может быть использован как дополнительное топливо на случай пиковой нагрузки потребления, которая не может быть покрыта с помощью смеси топлива, используемой сообществом.
В принципе, система CCGT могла бы быть заменена системой высокотемпературных топливных элементов (FC) (например, системы топливных элементов на расплавленном карбонате) тогда, когда такие системы будут доступны необходимой сообществу мощности. Системы топливных элементов имеют потенциал еще более высокого выхода по энергии в сравнении с системами CCGT, с уменьшением потребности в производстве топлива (или использовании природного газа). Обе системы CCGT и FC рассматриваются как высокоэффективные комбинированные системы тепло-энергия (CHP) с возможностью использования ощутимого остаточного тепла для целей обогрева жилых и вспомогательных помещений.
[Примечание: При текущем наборе вводных предположений, замена систем CCGT на FC привела бы к повышению производства электроэнергии и к возможностям ее экспорта.]
Устойчивое общество создано для максимизации использования солнечной энергии в форме производства фотоэлектрической (PV) электроэнергии и солнечного отопления. Все здания (жилые и промышленные) имеют поверхности (крыши, южные стены) для сбора солнечной энергии. Фотоэлектрическая энергия естественным образом используется в моменты пиковых нагрузок в дневное время. Хранение энергии в аккумуляторах и подземных системах хранения тепла предполагается, но не встроено в модель в настоящее время. Проект устойчивого общества позволяет выбрать долю поверхностей зданий, которые полностью используются для выработки фотоэлектрической энергии или для солнечного обогрева в целях оптимизации использования солнечной энергии.
[Примечание: Установка по производству солнечной энергии была включена как одна из ключевых отраслей устойчивого сообщества.]
Дополнительные системы возобновляемых источников энергии, особенно энергия ветра, а также геотермальная, гидро- и другие формы возобновляемых источников энергии, будут постепенно вводиться в будущих обновлениях системы.
Во многих промышленных процессах тепло вырабатывается как сбросная теплота. Устойчивый промышленный комплекс принимает в расчет, что такое тепло может использоваться, например, в виде пара, для обогрева окружающих зданий и структур. По мере появления новой информации, модель постепенно будет обновляться для определения мест производства тепла промышленными процессами и для оптимизации использования пара различного качества (температура, давление). Самое большое количество побочного тепла для вторичного использования вырабатывается при газификации органических отходов и в системе CCGT. Другое использование пара под давлением – для охлаждения зданий путем интеграции систем абсорбционного охлаждения. Другие данные в настоящее время изучаются для интеграции этой системы для конверсии энергии.
Источники: [6], [7], [8], [9], [10]
1.6.1 Газотурбинные установки комбинированного цикла (CCGT) и комбинированные системы тепло-энергия.
Системы производства электроэнергии комбинированного цикла являются самыми современными системами производства электроэнергии на сегодня. Электростанция с газотурбинными установками комбинированного цикла (CCGT) - по существу является электростанцией, в которой газовые и паровые турбины используются совместно для достижения большей эффективности, чем была бы только с одной системой. Газовые турбины, приводящиеся в действие горючим газом (синтетический газ), вращают электрогенератор. Затем горячий выхлоп газовой турбины используется для производства пара в теплообменнике, который питает паровые турбины, которые при расширении сжатого пара генерируют дополнительное электричество. Используя остаточное тепло от сжигания газов для нагревательных целей, система CCGT становится полноценной комбинированной установкой типа тепло-электроэнергия (CHP). Конденсированный пар утилизируется для парового цикла; остаточные сточные воды поступают в очистную установку [6].
Разновидности технических конфигураций систем CCGT в основном определяются формами и типом топлива (например, уголь, природный газ, синтетический газ/биогаз) требуемой выходной мощностью и выбором исходного продукта (электроэнергия, пар (высокого и низкого давления).
Практический тепловой коэффициент полезного действия в 60% для электрогенератора может быть достигнут для природного газа. Системы CCGT от компании Дженерал Электрик и некоторых других компаний могут использоваться для горючего газа от газификационной системы и реакторной установки. Для настоящей модели выбран практический тепловой коэффициент полезного действия в 53%.
В дополнение к производству электроэнергии, компьютерная модель принимает в расчет непосредственное использование тепла от пара для отопления зданий и как рабочее тепло для других производственных нужд. При правильном конструктивном решении пар может быть легко транспортирован на разумное расстояние даже при более низкой температуре.
Для полной интеграции пара как теплоносителя, в модели сообщества все еще требуется дополнительная информация.
1.6.2 Система высокотемпературных топливных элементов (HTFC)
Топливные элементы – это новая технология в энергетике, которая имеет очень низкий, близкий к нулю, уровень выброса вредных загрязнений на месте производства электроэнергии. Топливные элементы – это электрохимические устройства, которые конвертируют водородное или водород/угарный газ топливо или топливо водород/угарный газ непосредственно в энергию без сжигания. Единственными продуктами электрохимической реакции топливных элементов являются электричество, тепло и вода, если удается добиться полной конвертации.
Сейчас в процессе разработки находятся различные топливные элементы для передвижного или стационарного использования с широким диапазоном выходной мощности. Топливным элементам с протонной обменной мембраной (PEM) необходим высокочистый водород в качестве топлива и работа при практическом коэффициенте полезного действия выхода энергии менее чем 40%.