קוגנרציה

קוֹגֶנֶרַצְיָה, שילוב כוח וחום או ייצור משולב של חשמל וחום הוא שימוש במנוע חום או בתחנת כוח כדי לייצר חשמל וחום שימושי בו-זמנית. טְרִיגֶנֶרַצְיָה, שילוב כוח, חום וקור או ייצור משולב של חשמל, חום וקור מתייחס לייצור בו-זמני של חשמל יחד עם חום וקור שימושיים ממנוע חום או תחנת כוח. תחנות כוח מבוססות חום (כולל אלו המשתמשות באנרגיה גרעינית, או שורפות פחם או גז טבעי), ובאופן כללי מנועי חום, לא הופכים את כל אנרגיית החום שנוצרת בהם לחשמל. בדרך כלל, למעלה ממחצית מאנרגיית החום אובדת בתהליך ולא מנוצלת. על ידי "לכידת" אותו חום עודף שנפלט בתהליך וניצולו, משיגה תחנת כוח הפועלת על קוגנרציה אנרגיה שבדרך כלל מבוזבזת על ידי תחנת כוח מסורתית, מה שמאפשר לה להגיע ליעילות גבוהה יותר, שיכולה להגיע עד ל-80% (לעומת פחות מ-50% במסורתית). פירוש הדבר הוא שנדרשת כמות קטנה יותר של דלק על מנת לייצר אותה כמות של חשמל. תחנות הכוח מבוססות חום (אנ') מסורתיות פולטות חום בתהליך ייצור החשמל, באמצעות מגדלי קירור, גזי פליטה, או אמצעים אחרים. לעומת זאת, תחנות כוח הפועלות על שילוב כוח וחום לוכדות את כל החום או חלק ממנו למטרות חימום, ומשתמשות בו בסמוך למתקן או במקומות מרוחקים יותר על ידי חימום מים והעברתם בצינורות. אספקת החום בטמפרטורה גבוהה מפעילה בתחילה גנרטור המופעל על ידי טורבינת גז או קיטור, ובשארית החום בטמפרטורה נמוכה שנותרת נעשה שימוש לחימום מים או מרחב כפי שהוסבר לעיל. בקנה מידה קטן יותר (בדרך כלל מתחת 1 ‏מגה ואט) ניתן להשתמש במנוע גז או מנוע דיזל. טריגנרציה שונה מקוגנרציה בכך ששארית החום משמשת הן לחימום והן לקירור, בדרך כלל תוך שימוש בטכנולוגיית ספיגה. מערכות טריגנרציה יכולות להשיג יעילות כוללת גבוהה מזו של מערכות קוגנרציה או תחנות כוח מסורתיות. בארצות הברית, היישום של טריגנרציה בבניינים נקרא BCHP ‏(Building Cooling, Heating and Power). החימום והקירור יכולים לפעול במקביל או לסירוגין בהתאם לצורך ולמבנה המערכת. היעילות התאורטית של כל מנוע חום לא יכולה לעבור את הגבול העליון של מנוע קרנו. כשהדלק בו נעשה שימוש הוא גז טבעי, בדרך כלל נעשה שימוש בטורבינת גז הפועלת על פי מעגל ברייטון. האנרגיה המכנית של הטורבינות מניעה גנרטור חשמלי, ובחום שנוצר בטורבינה נעשה שימוש לצורך חימום או קירור או לצורך תהליכי ייצור. היעילות התרמית של מערכת הטריגנרציה מוגדרת על ידי: η t h ≡ W o u t Q i n ≡ Electrical Power Output + Heat Output + Cooling Output Total Heat Input {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}\equiv {\frac {\text{Electrical Power Output + Heat Output + Cooling Output}}{\text{Total Heat Input}}}} כאשר: η t h {\displaystyle \eta _{th}} = יעילות תרמית W o u t {\displaystyle W_{out}} = סך התפוקה של המערכת (במונחי אנרגיה) Q i n {\displaystyle Q_{in}} = סך החום שהושקע במערכת (במונחי אנרגיה) דוגמה לחלוקת אנרגיית החום המושקעת במערכת טריגנרציה: חשמל - 45% חימום וקירור - 40% איבוד חום - 13% איבוד אנרגיה כתוצאה מהולכת חשמל - 2% בדוגמה זו, היעילות התרמית תהיה: η t h ≡ W o u t Q i n = 45 % + 40 % 100 % = 85 % {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}={\frac {45\%+40\%}{100\%}}=85\%} תחנות כוח מסורתיות המבוססות על פחם או על אנרגיה גרעינית הן לרוב בעלות יעילות תרמית של 33% בקירוב, כלומר 67% מאנרגיית החום אותה הן מייצרות לא מנוצלת. קוגנרציה הייתה נפוצה בחלק מהמתקנים הראשונים של ייצור חשמל. בעידן שלפני תחנות הכוח המרכזיות, מפעלים המייצרים חשמל עבור עצמם השתמשו בשארית החום לצורך חימום הנדרש בתהליך הייצור. בנייני משרדים ודירות גדולים, וכן מלונות וחנויות שייצרו חשמל בכוחות עצמם השתמשו גם כן בשארית החום לצורכי חימום. כיום, עקב ההכרה ביעילות, בחיסכון וכן בזיהום המופחת הנובע מהשיטה, ממשלות ברחבי העולם מעודדות את השימוש בקוגנרציה גם בתחנות כוח גדולות. האיחוד האירופי הוציא בשנת 2004 הנחיות (EC‏\8\2004) לכלל חבריו שמטרתן קידום השימוש בקוגנרציה. יישום ההנחיות היה עד שנת 2006, כשבעבור חלק מהמדינות ניתנה הארכה עד שנת 2007. נכון לשנת 2011, 11% מהחשמל באיחוד האירופי מיוצר על ידי קוגנרציה. דנמרק, הולנד ופינלנד הן בין הכלכלות העושות את השימוש הנרחב ביותר בקוגנרציה. בשנת 2012 81.8% מהחשמל בפינלנד יוצר בתחנות כוח המשתמשות בקוגנרציה. במדינות רבות באירופה, בהן צרפת, גרמניה ועוד, נעשים מאמצים להגביר את השימוש בקוגנרציה, ואף נקבעים בחקיקה יעדים להיקף השימוש העתידי בקוגנרציה. בגרמניה למשל, נקבע יעד לפיו עד שנת 2020 על 25% מהחשמל המיוצר במדינה להיות מקוגנרציה. השימוש המוקדם ביותר בקוגנרציה היה כנראה על ידי תומאס אדיסון. תחנת כוח המסחרית הראשונה שלו שהוקמה בשנת 1882 סיפקה גם חשמל וגם חימום עבור הבניינים הסמוכים. היעילות של תחנת כוח זו הגיעה, בזכות השימוש הנוסף בחום, ל-50% בקירוב. בתחילת המאה ה-20 הרגולציה האמריקאית שרצתה לעודד בניית תחנות כוח גדולות שישרתו אזורים שלמים, הקשתה על בניית תחנות המשתמשות בקוגנרציה. בשנת 1978, על מנת לעודד שיפור ביעילות של ייצור החשמל, הוציא הקונגרס חוק חדש שעודד רכישת חשמל מספקי אנרגיה קטנים. מהלך זה הפך את הקמתן של תחנות קוגנרציה לכדאי, ותוך מספר שנים כ-8% מסך החשמל במדינה יוצר על ידי קוגנרציה. מחלקת האנרגיה של ארצות הברית קבעה יעד שעד שנת 2030, ייצור חשמל באמצעות קוגנרציה יגיע ל-20% מכלל החשמל המיוצר. תחנות הקוגנרציה הראשונות בישראל הוקמו בשנת 1992 באזור תעשייה ארז. בישראל כיום מספר תחנות קוגנרציה, הגדולות שבהן במפעלי ים המלח ובמפעל רותם אמפרט נגב. מדיה וקבצים בנושא קוגנרציה בוויקישיתוף ד"ר משה הירש, קוגנרציה - הפקה משולבת של חשמל וחום / עקרונות אנרגטיים, טכניים וכלכליים בסיסיים, מתוך כתב העת "התקע המצדיע" קוגנרציה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) תולדות והתפתחות יצרני חשמל פרטיים בישראל, באתר "אנקונסול" כתבות בנושא קוגנרציה, באתר "תשתיות" שלומי לוי, מיזוג אוויר בטכנולוגיית ספיגה (טריגנרציה), באתר חברת החשמל Natural Gas Applications – Best Practice Cogeneration and Trigeneration, באתר "מדי-תעש" Trigeneration Systems with Fuel Cells, עמוד 2 תולדות והתפתחות יצרני חשמל פרטיים בישראל (מכיל רשימת תחנות כוח בישראל הפועלות על קוגנרציה), באתר "אנקונסול"