CHP vagy hőszivattyú?

[G.Á]

Arnold, Béla és Cecília energetikai vitát folytatnak.

Arnold a decentralizált rendszerek híve, így a mikro-CHP-kat tartja a legjobb megoldásnak.
Béla úgy gondolja hogy jobb hatásfok érhető el, ha a központilag megtermelt villamos energiát hőszivattyú működtetésére fordítjuk.
Cecília mindkettejükkel vitába szállva, a hagyományos (vagyis nem mikro) CHP mellett száll síkra.

Figyelmen kívül hagyva a gazdasági és nyersanyagigényességi tényezőket, döntsük el, melyik megoldás lenne a legjobb hatásfokú lakossági fogyasztás szempontjából.

(a feladat inspirációjául David Mackay: fenntartható energia mellébeszélés nélkül című könyve szolgált)

[G.Á]

Bocsánat a pontosság hiányáért, a CHP a combined heat and power rövidítése, magyarul kapcsolt hő- és villamosenergia termelésnek szokás fordítani.
Erre a kérdésre egyébként nehéz válaszolni anélkül hogy az ember igazán utánaolvasna, a válaszokhoz lehet cikket is csatolni/ arra hivatkozni.

(A lényeg úgyis az, hogy tanuljunk.)

[KovPityu]

Figyelmen kívül hagyva a gazdasági és nyersanyagigényességi tényezőket szerintem értelmetlen a dolog, mert ez gazdaságossági kérdés. Hatásfokot tekintve nyilván az az optimális, ha akkor és annyi energia van megtermelve, amennyi éppen felhasználásra kerül. Tehát a legjobb, ha minden vasalót, mosógépet, kenyérpirítót saját örökmozgó működtet.

[G.Á]

[G.Á]

Előrebocsátom, hogy a CHP vs hőszivattyú (bár sokszor kombinálva használják) vita szakmai értelemben is eldöntetlen, és eldönthetetlen.

Ez amiatt van, mert egyrészről több dolgot is figyelembe kell venni, amit a fenti kérdés során szándékosan kizártam, így pl: a villamos-hálózat szabályozási szerepét a hőszivattyúknak, másrészről a technológiák lassú, de folyamatos, és néha váratlanul gyors fejlődése miatt a kérdést rendszeresen újra kellene tárgyalni. (A japánok kb egy évtized alatt a kereskedelmi forgalomban lévő hőszivattyúik jósági tényezőjét kettővel! tudták növelni.)

Harmadrészt a hő, és a villamos energia annyira eltér felhasználásban, hogy energetikai szempontból összehasonlíthatatlanok.

Most hagyjuk figyelmen kívül a mikro-CHP -kat, és fókuszáljunk először a CHP/hőszivattyű összehasonlításának a nehézségeire:

Tegyük fel, hogy egy adott CHP rendszer egységnyi tüzelőanyagból 0.5 egység hőenergiát, és 0.3 egység villamos energiát állít elő. Mondhatjuk-e azt, hogy 80% hatásfokú? A hőszivattyúnk viszont 1 egység villamos energiából 2 egység hőenergiát állít elő, ezért 200% a hatásfoka az előzőek szerint. De honnan jön a villamos áram? Ha az előző rendszerünkkel kizárólag villamos energiát akarunk előállítani, akkor kicsit jobb lesz a villamos hatásfok, mondjuk legyen 35%. Ebben az esetben a tényleges (tüzelőanyagtól a felhasználásig) hatásfokunk 70%.

De persze itt is feltételeztük, hogy a villamos és elektromos energiák egyenrangúak. A legtisztességesebb minden bizonnyal az, ha szétválasztjuk a kettőt, és rögzítjük az igényt.
Tehát a feladat rendes megfogalmazása: ha X villamos teljesítményre, és Y hőteljesítményre van szükségünk, melyik módszerrel elégíthetjük ki ezt, minimális mennyiségű tüzelőanyaggal.

Persze a korábbi problémák jórésze így is fennáll. A hőszivattyúk jósági tényezője például annál jobb tud lenni, minél kisebb a hőmérséklet-különbség a két oldala között.
Így pl: Japánban sokkal kizárólagosabban lehet a lakossági fűtést hőszivattyúkra alapozni, mint a Skandináv országokban.

Ezenkívül pl: az ipari folyamatok igényei alapvetően különböznek a lakossági igényektől, a villamos és hőigény jól korrelált, így CHP-vel jól kielégíthető.
Megjegyzés hogy sok CHP rendszer esetén a villamos és hőteljesítmény aránya csak igen kis mennyiségben változtatható a hatásfok(ok) jelentős rontása nélkül.

Ezek a tényezők kétségkívül érdekesek, de a kérdés szerencsére lakossági fogyasztásra vonatkozik. Mit szóljunk Arnold, Béla és Cecília vitájához?
Hogyan érdemes mégis összehasonlítást végezni, és mit mondhatunk a jelenkori technológia esetén?

[G.Á]

A feladatnak a "megoldása" (amennyire ez lehetséges) végső soron azon alapul, hogy megfogalmazzunk egy adott (lehetőleg jól használható) összehasonlítási szempontrendszert.

Itt most egy megközelítésnek a gondolatmenetét foglalom csak össze.


A CHP során villamos-energia és hő is termelődik, így termodinamikailag ekvivalens egy hagyományos villamos-energia generátor és egy "virtuális" hőszivattyú együttesével.

A termodinamikai gépek munkaciklusát az entrópia-hőmérséklet diagramon lehet kényelmesen áttekinteni.


A felvett/leadott hőt a integrál adja meg. A termodinamika első főtétele alapján az egy ciklus végzett munka éppen az ábra vonalán belülre eső terület.
A lényeges gondolat az, hogy ha nem a hűtőtornyokba vezetjük a hőt, hanem fel szeretnénk használni fűtésre, akkor a ciklus alacsonyhőmérséklete a helyett egy, annál valamivel magasabb lesz.
Ez természetesen csökkenti a területet, így a ciklusonként végzett munkát.

A CHP ciklust azonban fel lehet bontani két részre a hőmérséklet mentén. Az egyik ciklus egy kicsit jobb hatásfokú hagyományos erőművet ad meg, a másik ciklus munka befektetésével hőt szolgáltat. ez utóbbit tekintjük "virtuális hőszivattyúnak".


Ennek a felhasználásával már csak az a kérdés, hogy milyen kapcsolatban van a munka-veszteség a leadott hő-vel.

A hőszivattyú jósági tényezőjének felső határa éppen ezek hányadosa,

Azt, hogy reális esetekben vajon a CHP vagy a hagyományos erőmű+hőszivattyú éri-e meg inkább, nagyon sok mindentől függhet.
Általában igaz, hogy a hőszivattyús megoldás rugalmasabban tud az igényekhez alkalmazkodni.
Az idézett cikk szerint viszont a CHP emisszivitás szempontjából lehet jóval kedvezőbb.

Mindenesetre a lényeg az, hogy az összehasonlítást egyáltalán el lehessen végezni, és annak első közelítésben ez a menete.