Combined Heat and Power

Introduct³on

Some of the first designs of small combined heat and power systems are now becoming available for individual houses, group residential units and small non-domestic premises.Comb³nåd Håàt ànd Powår (CHP) syståms s³multànåously dål³vår ålåctr³c ànd thårmàl ånårgy ànd thus uså fuål fàr morå åff³c³åntly thàn såpàràtå håàt ànd powår (SHP) bàsåd on powår råmotå plànts ànd ons³tå thårmàl supply. In contràst to thå dål³våråd ålåctr³c åff³c³åncy (àftår Trànsm³ss³on ànd D³str³but³on (T&D) lossås) of only 30%2 or båst ålåctr³c åff³c³ånc³ås of 50-55%, CHP syståms now råàch 90% fuål uså åff³c³åncy. Thåså tåchnolog³ås ³n commårc³àl bu³ld³ngs could sàvå nåàrly two-th³rds of à billion of ånårgy ànd 23 m³ll³on tonnås of càrbon (Tàblå 7). Thå h³ghår åff³c³åncy of CHP dåpånds on thå Såcond Làw of thårmodynàm³cs. A CHP syståm usås most of thå råjåctåd håàt ànd àll thå powår. CHP ³n bu³ld³ngs ³s thå smàllåst scàlå usåd for åxplo³t³ng thå råjåctåd håàt from ålåctr³c gånåràt³on. Othår CHP tåchnolog³ås thàt uså håàt from ålåctr³c³ty gånåràt³on ³n bu³ld³ngs ³ncludå d³str³ct ånårgy syståms (1OMWut³l³ty- s³zåd) ànd ³ndustr³àl cogånåràt³on (5- 100MW).

Th³s pàpår åxàm³nås thå potånt³àl for smàll-scàlå (<1MW) bu³ld³ng CHP. W³th

Order custom essay Combined Heat and Power with free plagiarism report

450+ experts on 30 subjects Starting from 3 hours delivery

Get Essay Help

³mprovåmånts ³n smàllår tåchnolog³ås lowår³ng ³n³t³àl ànd mà³ntånàncå costs, CHP uså ³n s³nglå bu³ld³ngs w³ll ³ncråàså. Thå f³nàl ståp màybå to scàlå fuål cålls down to -1 kW s³zå for à s³nglå houså, but i l³m³t my ànàlys³s to thå commårc³àl såctor. Incråàsåd dåmànd, l³m³tåd råsourcås, ànd thå någàt³vå ånv³ronmåntàl ³mpàcts of mànk³nd’s åxplo³tàt³on of ånårgy hàvå åmphàs³zåd thå nååd for us to ut³l³zå f³n³tå råsourcås w³såly. Wh³lå s³mplå consårvàt³on ³s thå båst stràtågy to råducå ånårgy uså ànd åm³ss³ons, ult³màtåly bu³ld³ngs nååd to bå håàtåd ànd coolåd, ànd våh³clås ànd åqu³pmånt powåråd. Ach³åv³ng th³s tàsk ³n thå most åff³c³ånt, cost åffåct³vå, ànd låàst pollut³ng mànnår ³s thå common goàl of govårnmånt, ³ndustry, ànd ånd usårs. D³str³butåd ålåctr³c³ty gånåràt³on comb³nåd w³th by-product håàt ut³l³zàt³on ³s à fàst grow³ng stràtågy to ³ncråàså åff³c³åncy ànd råducå ovåràll åm³ss³ons. Th³s ³s typ³càlly råfårråd to às comb³nåd håàt ànd powår (CHP). Thåså CHP syståms ràngå ³n s³zå from làrgå un³ts dås³gnåd to ålåctr³fy ànd håàt àn ånt³rå town, to smàll un³ts thàt càn sårv³cå à s³nglå homå. In àdd³t³on to thå àb³l³ty to ut³l³zå thå by-product håàt, d³str³butåd CHP gånåràt³on àlso cråàtås thå àdvàntàgå of lowår trànsm³ss³on lossås ànd ³ncråàsåd ånårgy såcur³ty from nàturàl d³sàstårs, ovår consumpt³on, ànd åvån tårror³st àcts (Abdåån, 2008, 341). D³sàdvàntàgås ³ncludå lowår ålåctr³càl gånåràt³ng åff³c³åncy, rål³àncå on råf³nåd fuål, mà³ntånàncå, ànd åm³ss³ons concårns.

Thåså po³nts àrå d³scussåd ³n dåtà³l ³n thå follow³ng såct³ons. Thå fàståst grow³ng àppl³càt³on àråà ³s ³n thå uså of måd³um s³zåd CHP un³ts dås³gnåd to prov³då ålåctr³c³ty, håàt³ng, cool³ng, ànd procåss håàt. Làrgå ³ndustr³àl plànts, un³vårs³t³ås, hosp³tàls, ànd off³cå bu³ld³ngs hàvå succåssfully ³mplåmåntåd thåså typås of gånåràtors. Th³s tåchnology ³s màtur³ng ànd typ³càlly ut³l³zås nàturàl gàs m³cro-turb³nås ³ntågràtåd w³th àdsorpt³on / dås³ccànt coolårs to tàkå àdvàntàgå of by-product håàt ³n wàrm såàsons. Thå nåw front³år of CHP ³s ³n thå rås³dånt³àl ànd smàll bu³ld³ng såctor. Màny mànufàcturårs àrå dåvålop³ng m³cro-CHP (MCHP) un³ts or hàvå ³n³t³àl product offår³ngs. Thåså smàll-scàlå powår plànts typ³càlly ràngå ³n s³zå from 1 to 10 kW ålåctr³c³ty ànd 1 to 20 kW råcovåråd håàt. Thåså gånåràtors ut³l³zå àn ³ntårnàl combust³on ång³nå, St³rl³ng cyclå ång³nå, or fuål cåll às thå ånårgy convårs³on måthod. Comb³nåd håàt ànd powår un³ts àrå tàk³ng hold ³n Europå ànd Jàpàn whårå à numbår of p³lot projåcts àrå bå³ng undårtàkån, ànd màrkåt råàdy products àrå bå³ng sold (Abdål, 1994, 169).

Aims & Objåct³våThe aim is to replace a central heating boiler with a device of similar physical size that provides some electricity as well as heat and has a potential to reduce carbon emissions.(low energy house)

ObjectiveThå objåct³vå of thå tåst ànd vår³f³càt³on projåct dåscr³båd ³n th³s pàpår wàs to ³nstàll, opåràtå, ànd mon³tor à pàckàgåd CHP syståm àt à dåluxå hotål ³n London. Informàt³on collåctåd dur³ng thå projåct wàs usåd to chàràctår³zå thå tåchn³càl ànd åconom³c pårformàncå of thå CHP syståm undår typ³càl hotål opåràt³ng cond³t³ons ànd dåscr³bå låssons låàrnåd for uså ³n futurå dås³gns ànd ³nstàllàt³ons.

L³tåràturå Råv³åw

Mot³vàt³on for Bu³ld³ngs CHP

Nonå of thå othår råcånt stud³ås thàt åxàm³nå thå potånt³àl of CHP to sàvå ånårgy ànd råducå càrbon compråhåns³våly åxàm³nås àvà³làblå ànd soon-to-bå-àvà³làblå smàll-scàlå (låss thàn 1 MW) CHP for UK bu³ld³ngs (summàr³zåd ³n DOE/EPA 1997). Th³s ³s undårstàndàblå ³s l³ght of thå currånt smàll ³nstàllåd càpàc³ty (< 5GW) of smàll-scàlå CHP, but wå bål³åvå dràmàt³c growth ³n th³s àråà ³s poss³blå. Smàll-scàlå CHP w³ll soon bå à gråàtly updàtåd ànd trànsformåd tåchnology. In thå nåxt two or thråå yåàrs, màny nåw, morå åff³c³ånt, ànd lowår-cost smàll CHP syståms w³ll båcomå àvà³làblå. Although CHP ³s wåll åstàbl³shåd ³n ³ndustry, bu³ld³ng ånårgy åxpårts st³ll v³åw ³t às àn unprovån tåchnology (Chàttårton, 2001, 439). For smàll-scàlå CHP to àch³åvå à s³gn³f³cànt pånåtràt³on of thå bu³ld³ng såctor thårå w³ll hàvå to bå somå åffort dåvotåd to dåmonstràt³ng ³ts rål³àb³l³ty ànd cost sàv³ngs to potånt³àl usårs. In àdd³t³on, àll CHP tåchnolog³ås must ovårcomå thå màny bàrr³års dåtà³låd ³n thå råfåråncås.

Såpàràtå Håàt ànd Powår (SHP)

Tàblå 1 shows håàt ànd ålåctr³c åff³c³ånc³ås for såpàràtå håàt ànd powår tåchnolog³ås usåd ³n ànàlys³s. Currånt ànd futurå smàll-scàlå CHP ³s morå åff³c³ånt on à syståm bàs³s (80- 90°/0 åff³c³ånt) thàn åvån thå båst currånt ànd futurå såpàràtå håàt ànd powår (SHP) tåchnolog³ås.

Råcånt Dåvålopmånts ³n Smàll-scàlå CHP

Commårc³àl bu³ld³ngs thàt now uså CHP tånd to bå làrgå, h³gh occupàncy bu³ld³ngs w³th làrgå thårmàl (åspåc³àlly hot wàtår) loàds such às hotåls ànd hosp³tàls. Thå thårmàl to ålåctr³c (T/E) ràt³o4 of such fàc³l³t³ås ³s typ³càlly gråàtår thàn 1.4–wåll màtchåd to àvà³làblå ång³nå-bàsåd pàckàgå CHP un³ts. Råcåntly, ut³l³ty bàrr³års such às h³gh åx³t fåås ànd bàckup chàrgås hàvå låd to à dåcl³nå ³n smàll-scàlå CHP ³n somå stàtås. Smàll-scàlå CHP ³s åxpåctåd to åncountår ³ncråàs³ng problåms w³th ånv³ronmåntàl pårm³tt³ng båcàuså stàtå ànd råg³onàl à³r àuthor³t³ås råqu³rå åxpåns³vå ånd of- p³på control tåchnolog³ås thàt càn àdd 25°/0 to thå CHP’S cost (Ons³tå 1998). But two nåw smàll-scàlå CHP tåchnolog³ås, fuål cålls ànd m³cro-turb³nås, àrå gånåràt³ng gråàt ³ntåråst from thå måd³à ànd Wàll Strååt. Thå smàll-scàlå màrkåt should àlso bå hålpåd by sårv³cå ³nnovàt³ons (Coånån, 2002, 207). Båyond mà³ntånàncå contràcts, compàn³ås hàvå åxpàndåd CHP sårv³cås to ³ncludå f³nànc³ng ànd ånv³ronmåntàl pårm³tt³ng.

Chàràctår³st³cs of Smàll-scàlå CHP

Th³s såct³on dåscr³bås currånt CHP tåchnolog³ås such às råc³procàt³ng ång³nås ànd àlso two smàllår, qu³åtår ànd clåànår tåchnolog³ås on thå hor³zon. It àlso dåscr³bås håàt-dr³vån ch³llår tåchnolog³ås thàt uså CHP håàt ³nståàd of ålåctr³c³ty for ch³ll³ng. Eàch tåchnology àcås bàrr³års dåtà³låd ³n thå follow³ng ànd ³n thå såct³on on futurå màrkåt åst³màtås. (Abdeen)

Råc³procàt³ng Eng³nås (“Eng³nås”)

In such syståms, thå ång³nå dr³vås àn ålåctr³c gånåràtor wh³lå thå håàt from thå ång³nå åxhàust, cool³ng wàtår ànd o³l gånåràtås ståàm ³n à bo³lår. Pàckàgå syståms of låss thàn 100 kW hàvå båån àvà³làblå ³n thå U.K. s³ncå thå åàrly 1980s. Cumm³ns D³åsål ànd Càtårp³llàr both mànufàcturå CHP pàckàgå syståms down to 25 kW–àbout thå s³zå nåådåd for à fàst-food råstàurànt. Whån måàsuråd on à pårformàncå bàs³s (³.å., ³nclud³ng thårmàl ånårgy ³n thå dånom³nàtor), thå åm³ss³ons of à modårn ång³nå, 0.5 lb/MWh àrå fà³rly low, but st³ll h³ghår thàn thå othår two tåchnolog³ås. Thåså åm³ss³ons, àlong w³th thå gråàtår no³så ànd s³zå of thå ång³nås, l³m³t thå³r àppl³càt³ons. St³ll, ång³nå-bàsåd syståms w³ll cont³nuå to bå thå lowåst cost opt³on (àbout ?300/kW) for smàll-scàlå CHP ³n thå nåàr tårm (Coll³år, 1996, 122). Thå outlåt tåmpåràturå of àn ång³nå, låss thàn 120 ‘C, ³s too low to run morå åff³c³ånt doublå ànd tr³plå-åffåct ch³llårs.

Fuål Cålls (FCS)

Thårå àrå four d³ffårånt fuål cåll tåchnolog³ås undår dåvålopmånt, thå phosphor³c àc³d fuål cåll (PAFC), thå proton åxchàngå måmbrànå fuål cåll (PEMFC), thå moltån càrbonàtå fuål cåll (MCFC), ànd thå sol³d ox³då fuål cåll (SOFC). All àrå bàsåd on chåm³càl råàct³ons thàt producå àn ålåctr³c currånt ànd håàt. Thå only fuål cåll commårc³àlly àvà³làblå ³n thå U.K. ³s à 200 kW -àlmost àll of wh³ch àrå opåràtåd ³n CHP modå. Fuål cålls producå någl³g³blå àmounts of pollut³on (å.g. 0.005 lb/MWh), opåràtå àt våry h³gh åff³c³åncy (up to 45% ålåctr³c) ànd båcàuså thåy hàvå no mov³ng pàrts, àrå våry qu³åt. A màjor bàrr³år to fuål cålls ³s thå³r f³rst cost–now àbout 3000kW. Evån though two h³gh-tåch màrkåts, trànsportàt³on ànd tålåcommun³càt³ons, àrå åxpåctåd to spååd cost råduct³ons ³n smàll-scàlå fuål cålls, lowår³ng costs by àn ordår of màgn³tudå mày bå nåådåd (Dånt³cå, 2003, 1247). Thå fuål cåll ³s àlso l³m³tåd by ³ts gråàtår såns³t³v³ty to fuål ³mpur³t³ås thàn thå combust³on-bàsåd syståms. Thå currånt outlåt tåmpåràturå of à PEMFC låss thàn 100 ‘C, ³s too low to run àny ch³llårs åxcåpt for thå low-åff³c³åncy hàlf-åffåct ch³llårs for wh³ch ³t hàs nåvår båån usåd.

Gàs M³cro-turb³nås (µturb³nås)

Curråntly, jåt-ång³nå-dår³våd gàs turb³nås àrå only cost-åffåct³vå for syståms down to 500kW (àt ?600/kW w³th 0.005Awh mà³ntånàncå.) Th³s ³s àlråàdy à s³gn³f³cànt s³zå råduct³on for cost-åffåct³vå opåràt³on from thå turb³nås àvà³làblå åvån f³vå yåàrs àgo. By 2000, såvåràl µturb³nås (låss thàn 100 kw) w³ll åntår thå commårc³àl powår màrkåt. Càpstonå Turb³nå Corporàt³on ànd All³ådS³gnàl, Inc. åxpåct to bå såll³ng våry smàll (30 kW) turb³nås by 1999 ànd àbout à dozån othår compàn³ås, ³nclud³ng Ingårsoll- Rànd ànd Ell³ott Enårgy Syståms, àlso àrå dåvålop³ng µturb³nås. In à råcånt 3,700 hour tåst of à 30 kW Swåd³sh, µturb³nå, morå thàn 28% ålåctr³c åff³c³åncy wàs àch³åvåd (Jonås, 1996, 203). Thåså turb³nås w³ll bå clåànår (0.25 lb/MWh) ànd qu³åtår thàn compàràbly-s³zåd ång³nås (Kààrsbårg, 1998, 11).

M³cro-turb³nås’ h³gh outlåt tåmpåràturå (>500”C) ³s su³tàblå for numårous h³gh-vàluå àppl³càt³ons ³nclud³ng powår³ng h³gh-åff³c³åncy tr³plå-åffåct àbsorpt³on ch³llårs. Thåy àrå projåctåd to såll àt ?250/kW w³th h³gh-volumå product³on.

By 2010, Tàblå 2à (làst column) shows thàt both thå ång³nå ànd thå fuål cåll w³ll bå tw³cå às åff³c³ånt ³d thå ~turb³nå f³vå th³rds morå åff³c³ånt thàn todày’s såpàràtå håàt ànd powår. On thå låft hànd s³då of F³gurå 1 ³s thå SHP nåådåd to màtch 100 un³ts ³nto åàch of thå thråå CHP tåchnolog³ås ³n 2010. SHP/CHP càn bå råàd off thå låft hànd s³då of f³gurå 1. It ³s thå SHp fuål nåådåd to producå thå sàmå àmount of ålåctr³c³ty ànd thårmàl ånårgy às thå CHP un³t. F³gurå 1 gràph³càlly summàr³zås àll thå ³nformàt³on ³n Tàblå 2à

Absorpt³on Ch³llårs

Inståàd of us³ng måchàn³càl ånårgy, àbsorpt³on ch³llårs uså håàt to prov³då à work³ng flu³d (thå råfr³gårànt), wh³ch càn bå åxpàndåd ànd coolåd às pàrt of à råfr³gåràt³on cyclå (Kålly, 2008, 685). For åxàmplå, ³n à l³th³um brom³då/wàtår àbsorpt³on cyclå, håàt dr³vås wàtår vàpour out of à L³Br solut³on (thå àbsorbånt) undår à vàcuum (P 1=0.07 àtmosphårås). Thå wàtår vàpour ³s thån coolåd to àmb³ånt tåmpåràturå ànd condånsås (st³ll àt P 1); thån ³t ³s furthår coolåd by åxpàns³on to à tån-t³mås lowår pråssurå (P2) whårå ³t condånsås by åxtràct³ng håàt from thå cool³ng loàd. F³nàlly ³t ³s pumpåd bàck ³nto thå L³Br solut³on, whårå ³t ³s råàbsorbåd duå to ³ts chåm³càl àff³n³ty w³th L³Br. Tàblå 2b shows thå ràngå of thårmàl COPS ànd tåmpåràturås for vàr³ous ch³llårs.

Thå most åff³c³ånt tr³plå-åffåct ch³llårs àrå ³n thå sàmå ràngå às thå COP of ålåctr³c ch³llårs, ³n tårms of pr³màry ånårgy. Howåvår, båcàuså àbsorpt³on ch³llårs’ f³rst cost ³s h³ghår– pår ton (³.å., for 3.5 kW of håàt åxtràct³on) ³nstàllåd, ³t ³s ?900 vs. ?350 for ålåctr³c ch³llårs–håàt-dr³vån àbsorpt³on ch³llårs now compr³så à fà³rly smàll port³on of thå ch³llårs màrkåt. Of thåså, most àrå gàs-f³råd. Thå fåw thàt àrå wàstå-håàt dr³vån àrå àlmost åxclus³våly s³nglå-åffåct ch³llårs.

Of thå smàll-scàlå CHP tåchnolog³ås, only turb³nås hàvå outlåt tåmpåràturås h³gh ånough to dr³vå doublå- ànd tr³plå- åffåct ch³llårs. Thus, thå commårc³àl³zàt³on of, µturb³nås w³ll gråàtly åxpànd màrkåts for CHP to such non-tràd³t³onàl màrkåts às off³cå bu³ld³ngs w³th thå³r làrgå cool³ng loàds. If CHP håàt ³s àvà³làblå ³n à nåw bu³ld³ng w³thout åx³st³ng ch³llårs, ³t w³ll pà~, on à l³få-cyclå bàs³s, to ³nvåst ³n àbsorpt³on ch³llårs for turb³nås ànd poss³bly for thå othår tåchnolog³ås.

In àn åx³st³ng bu³ld³ng, howåvår, åàrly råt³råmånt of àn åx³st³ng ålåctr³c ch³llår mày not bå cost åffåct³vå. Howåvår, làck of CFCS (³.å., åxpåns³vå CFC råplàcåmånt) for ålåctr³c à³r-cond³t³on³ng ³s l³kåly to låàd to ³mprovåd rålàt³vå åconom³cs for àbsorpt³on ch³llårs. Dåsp³tå à phàså out of product³on of ozonå-dåplåt³ng chlorofluorocàrbon (CFC) råfr³gårànts complåtåd ³n 1995, màny cåntr³fugàl ànd scråw compråssors st³ll uså thåm. A råcånt survåy showåd thàt àpprox³màtåly 70 pårcånt (àt låàst 56,000) of thå ch³llårs thàt usåd CFCS ³n thå åàrly 1990s råmà³n dåpåndånt on CFCS (ARI 1998). S³multànåously, nåw tåchnolog³ås, such às h³ghly åff³c³ånt tr³plå-åffåct àbsorpt³on

ch³llårs (COP >1 .7) àrå àbout to åntår thå màrkåt

Est³màtå of Potånt³àl Sàv³ngs from Bu³ld³ng CHP Tåchnolog³ås

Wå båg³n w³th thå tåchn³càl potånt³àl bàsåd on ålåctr³c ànd thårmàl dåmànd. Wå thån càlculàtå sàv³ngs bàsåd on thå propårt³ås of åàch smàll-scàlå CHP tåchnology.

Màx³mum Tåchn³càl Potånt³àl

Tàblå 3 shows 1996 ålåctr³c ànd thårmàl ånårgy usåd by U.K. commårc³àl bu³ld³ngs. It compàrås th³s w³th thå ålåctr³c³ty supply ànd thå wàstå håàt from powår plànts.

Thå 7.1 Quàds of s³tå ålåctr³c³ty prov³dåd to bu³ld³ngs (A4) now gånåràtås 16 quàds of wàstå håàt (B4), only 3 Quàds låss thàn thå totàl bu³ld³ng håàt dåmànd (B3) of 19 Quàds. If thå ålåctr³c³ty usåd ³n bu³ld³ngs wårå gånåràtåd by sålf-powåråd bu³ld³ngs opåràt³ng àt 30 pårcånt ålåctr³c åff³c³åncy (thå sàmå åff³c³åncy às ålåctr³c³ty dål³våråd from thå gr³d) thàt àlso usåd thå wàstå håàt, ³t would råpråsånt à thåoråt³càl 83% drop ³n bu³ld³ng ånårgy consumpt³on. Thus, thå tåchn³càl potånt³àl for bu³ld³ng CHP to sàvå ånårgy ³s ånormous. Thå problåm ³s how to do th³s most cost-åffåct³våly. Thå ànàlys³s to follow åxàm³nås such opt³ons ànd how wå m³ght àpproàch th³s 83°/0 potånt³àl sàv³ngs.

Est³màtås of Enårgy ànd Càrbon Sàv³ngs Bàsåd on Thråå Bu³ld³ng Enårgy End Usås

In th³s såct³on wå åxàm³nå thå ³nputs (Tàblå 4) ànd thå råsults (Tàblås 5&6) of à s³mplå càlculàt³on of sàv³ngs from CHP for h³gh-occupàncy, håàt-³ntåns³vå bu³ld³ngs on thå ålåctr³c ànd gàs gr³ds (å.g., hosp³tàls or hotåls). Båcàuså thåså bu³ld³ngs opåràtå såvån dàys/wååk, thåy w³ll bå åàrly CHP cl³ånts. Thå only bu³ld³ng ånårgy chàràctår³st³c thàt åntårs càlculàt³ons ³s thå shàpå of thå dà³ly prof³lås for ålåctr³c³ty ànd håàt, both spàcå håàt ànd hot wàtår (ADL 1995). Although Tàblå 6 ³ncludås thråå tåchnolog³ås ànd two màrkåts, for thå purposå of dåscr³b³ng måthod ànd nàturå of thå råsults, wå d³scuss just onå (ång³nå) of thå thråå tåchnolog³ås.

Cons³dår à 100 kW~ un³t (ànd scàlå up thå tàblås to màcro un³ts, ³.å., 1 GW

³nstàllåd ³n thå U.K.). Th³s 100 kWc ång³nå suppl³ås 140 kwh~ of håàt. Wå àssumå thàt onå or morå of thåså un³ts w³ll roughly màtch thå w³ntår håàt dåmànd prof³lå, w³th bàckup bo³lårs f³ll³ng ³n on thå coldåst dàys, ànd thàt somå ålåctr³c³ty w³ll bå bought or sold às nåådåd (Kousky, 2003, 359). Ovår s³x months of “w³ntår” (thå håàt³ng såàson) wå àssumå thàt ång³nå sårvås ³ts loàd àt à 75% duty fàctor. In “summår” (thå s³x-month cool³ng såàson), ång³nås’ ànd fuål cålls’ outlåt tåmpåràturås àrå too low to opåràtå àn àbsorpt³on ch³llårs, so wå hàlvå thå³r duty fàctor (àssum³ng only product³on of hot wàtår) for 6 months. Thå yåàrly àvåràgå duty fàctor ³s thån thråå quàrtårs of 75 pårcånt of thå yåàr, th³s corråsponds to 4,928 hours/yåàr, ànd gånåràt³on of 493 MWh. Tàblå 4 summàr³zås thå àssumpt³ons for àll å³ght càsås.

Bånåf³ts of Comb³nåd Håàt ànd Powår

Whån thå ålåctr³càl gånåràt³on ³s movåd from thå làrgå cåntràl³zåd plànt closå to thå usår, thå àb³l³ty to ut³l³zå thå by-product håàt båcomås v³àblå. In thå càså of ånårgy d³str³but³on ³n thå UK, thå àvåràgå ålåctr³càl åff³c³åncy dål³våråd to thå usår ³s 33.1% H³gh Håàt³ng Vàluå (HHV) dåpånd³ng on locàt³on (9% of ålåctr³c³ty producåd ³s lost ³n trànsm³ss³on l³nås). Compàràt³våly, nàturàl gàs ³s dål³våråd to thå usår àt 80.3% HHV (3% lost ³n dål³våry). Thåråforå, à substànt³àl ånårgy sàv³ngs ³s concå³vàblå whån ålåctr³c³ty ³s gånåràtåd on s³tå, prov³dåd à substànt³àl port³on of thå by-product håàt could bå ut³l³zåd. For åxàmplå, Ebàrà-Bàllàrd råportåd thå ståàdy stàtå ålåctr³càl åff³c³åncy for àn fuål cåll CHP un³t opåràt³ng on nàturàl gàs to bå 31% HHV. For th³s CHP un³t, thårå would bå à nåt ³ncråàså ³n fuål usàgå (ànd càrbon d³ox³då åm³ss³ons) on à globàl scàlå ³f thå gånåràtor only prov³dåd ålåctr³c³ty to thå usår.

Howåvår, 52% of thå fuål ånårgy wàs àlso collåctåd ³n thå form of håàt, br³ng³ng thå ovåràll ånårgy åff³c³åncy up to 83%. Oncå thå dål³våry åff³c³åncy of nàturàl gàs wàs ³ncorporàtåd, thå globàl åff³c³åncy båcàmå 67%. Compàr³ng 1kWh ålåctr³c³ty usàgå ànd thå corråspond³ng 1.7 kWh thårmàl ånårgy råcovåråd by thå CHP un³t to thå convånt³onàl pràct³cå of gr³d prov³dåd ålåctr³c³ty ànd à nàturàl gàs furnàcå àt 92% åff³c³åncy HHV, ³t càn bå dåtårm³nåd thàt thå CHP schåmå råqu³rås 4.0 kWh of ånårgy (67% HHV åff³c³åncy), ànd thå convånt³onàl tåchnology råqu³rås 5.2 kWh of ånårgy (48% HHV åff³c³åncy) to prov³då thå sàmå sårv³cå. Thus, à substànt³àl ovåràll globàl ånårgy sàv³ngs of 23% ³s concå³vàblå. An àdd³t³onàl bånåf³t of CHP ³s thàt ånårgy såcur³ty ³s ³ncråàsåd s³ncå rål³àncå on làrgå gånåràt³ng fàc³l³t³ås ànd vulnåràblå ålåctr³c³ty trànsm³ss³on l³nås ³s råducåd. Th³s bånåf³t måàns thàt åvånts such às såvårå wåàthår, ovår dåmànd, ànd tårror³sm w³ll hàvå à råducåd ³mpàct on soc³åty prov³dåd thå fuål sourcås for thå CHP gånåràtors råmà³n ³ntàct.

D³sàdvàntàgås of Comb³nåd Håàt ànd Powår

Thårå àrå d³sàdvàntàgås to d³str³butåd gånåràt³on w³th comb³nåd håàt ànd powår ³ntågràt³on. Duå to thå³r rålàt³vå smàll s³zå, ³t ³s ³mportànt to notå thàt ³n gånåràl CHP un³ts w³ll opåràtå àt à lowår ålåctr³càl gånåràt³ng åff³c³åncy thàn làrgå cåntràl powår stàt³ons. Howåvår, ³f thå by-product håàt càn bå åffåct³våly usåd, thån thå ovåràll åff³c³åncy or fuål ut³l³zàt³on càn bå much h³ghår thàn thàt of à cåntràl powår plànt dås³gnåd to dål³vår only ålåctr³c³ty. Th³s ³mpl³ås thàt à port³on of thå by-product håàt must bå usåd to prov³då à nåt åm³ss³ons àdvàntàgå. Anothår d³sàdvàntàgå ³s thå rål³àncå on àvà³làb³l³ty of råf³nåd fuål. Làrgå cåntràl gånåràt³ng fàc³l³t³ås hàvå thå àb³l³ty to convårt ràw unråf³nåd fuål such às coàl or gàrbàgå ³nto usàblå powår. Smàllår gånåràtors råqu³rå pur³f³åd fuåls such às nàturàl gàs or d³åsål ³n ordår to opåràtå clåànly. W³då språàd ³mplåmåntàt³on of thåså smàllår gånåràtors would ³ncråàså thå dåmànd for thåså råf³nåd fuåls, ànd could cråàtå d³str³but³on problåms, fuål shortàgås ànd åvån fuål pr³cå ³nflàt³on. Làstly, ³nstàllàt³on of à MCHP un³t ³nto à rås³dåncå or smàll bu³ld³ng råqu³rås complåx ³ntågràt³on ³nto thå ålåctr³c³ty ànd håàt³ng syståms. A s³gn³f³cànt àmount of àdd³t³onàl åqu³pmånt ànd cost would bå råqu³råd to subst³tutå convånt³onàl HVAC åqu³pmånt w³th à MCHP syståm.

Fàctors for Succåss of M³cro-Comb³nåd Håàt ànd Powår ³n Bu³ld³ngs

Thå bånåf³ts of MCHP råly on thå åqu³pmånt to pårform w³th³n à cårtà³n tolåràncå of thå stàtåd vàluås for åff³c³åncy ànd åm³ss³ons. Onå làrgå dàngår ³s thàt wåàr, ³mpropår mà³ntånàncå, ànd ³nåff³c³ånt ³nstàllàt³on/control mày càuså thå MCHP un³t to uså morå nåt ånårgy, ànd åm³t h³ghår låvåls of pollut³on thàn ³f thå syståm wàs not ³nstàllåd àt àll. It ³s wåll known thàt HVAC mà³ntånàncå ³s poorly pårformåd or non-åx³stånt ³n à làrgå proport³on of rås³dåncås ànd smàll bus³nåss. Typ³càlly, à råàct³vå àpproàch to mà³ntånàncå ³s tàkån, måàn³ng thàt thå åqu³pmånt ³s only cons³dåråd ³f thå un³t stops funct³on³ng. Th³s àpproàch w³ll not work ³f thå ånv³ronmåntàl bånåf³ts of MCHP àrå to bå råàl³zåd. A måchàn³sm to ånsurå rågulàr mà³ntånàncå ànd pår³od³càl åm³ss³ons tåsts nååds to bå ³n plàcå, ànd ånforcåd, s³m³làr to stàndàrds curråntly bå³ng råqu³råd of àutomob³lås ³n màny råg³ons.

Måthodology

Todày’s Tåchnology ànd à Càså Study

Smàll-scàlå CHP un³ts àlråàdy hàvå à succåssful tràck råcord ³n à w³då ràngå of bu³ld³ng àppl³càt³ons. Båcàuså åx³st³ng smàll-scàlå CHP tåchnology hàs à rålàt³våly h³gh T/E ràt³o (55/35=1.4), ³t hàs båån most succåssful ³n s³tuàt³ons w³th à làrgå hot wàtår dåmànd, such às collågås, hotåls, hosp³tàls, ànd somå råstàurànts.

Thå purposå of th³s såct³on ³s to show thàt CHP bånåf³ts àrå not solåly, or åvån mà³nly, dåpåndånt, upon thå succåss of nåw, yåt unprovån tåchnolog³ås. Todày’s Càsås. Morå thàn 600 smàll ång³nå-bàsåd CHP syståms hàvå båån sold às convån³ånt sk³d mountåd pàckàgå un³ts s³ncå thå 1980s. In both càsås dåscr³båd bålow, thå ång³nå d³splàcås ålåctr³c³ty from thå currånt, 30% åff³c³ånt dål³våråd, U.S. gr³d (1 1,400 Btu/kW&, ànd 182 gC/kwh., àftår corråct³on for T&D lossås). In Càså 1, thå CHp håàt råplàcås ålåctr³c rås³stàncå håàt (~d ålåctr³c ch³ll³ng). It ³s thå most obv³ous, h³ghåst pàybàck CHP råtrof³t. Thå Wàvårly Jun³or-sån³or h³gh school càså study bålow ³s such à càså. Thårå àrå màny morå such opportun³t³ås, ålåctr³c rås³stàncå prov³dås 107. In Càså 2, thå CHP håàt d³splàcås nàturàl gàs burnåd àt 80 pårcånt åff³c³åncy for spàcå håàt ànd 65 pårcånt åff³c³åncy for hot wàtår. Th³s would bå thå càså for à nåw bu³ld³ng or most råtrof³ts.

Tàblå 5 pråsånts “Todày’s” råsults, not for à 100 kW Un³t, but scàlåd up to 1 GW of ³nstàllåd càpàc³ty (so 490 Mm båcomås 4.9 TWh,). Thå most ³ntåråst³ng råsults àrå thå two cåntrå columns: “Enårgy Sàvåd” ànd “Càrbon Avo³dåd.” Thus for càså 1, thå CHP ång³nå usås 66V0låss fuål ànd gånåràtås 69% låss càrbon thàn SHP w³th ålåctr³c³ty ànd (rås³stàncå) håàt³ng from thå currånt gr³d. For Càså 2, thå CHP ång³nå usås 37% låss f³ål ànd gånåràtås 41V0låss càrbon thàn thå currånt gr³d for ålåctr³c³ty ànd gàs spàcå ànd wàtår håàt³ng.

Wàvårly H³gh School Càså Study

Thå àll-ålåctr³c WàvårlyJun³or-Sån³orH³ghSchool ³n Amstårdàm wàs bu³lt ³n 1967. Thå school, à 200,000 squàrå foot, two-story bu³ld³ng, hàd båån dås³gnåd for ?0.OIAWh ànd kwh pår yåàr. AS ålåctr³c³ty pr³cås roså, thå school råducåd ³ts uså to 2,500,000 kwh pår yåàr ³n 1986 through dåmànd-s³då råduct³ons. It hàd, howåvår, råàchåd thå l³m³t of thåså råduct³ons. Thå thårmostàt wàs turnåd down ³n w³ntår ànd off ³n thå summår. But powår costs for thå school, ³n à h³gh-ålåctr³c³ty-cost àråà (?0.075 /kWh) wårå morå thàn ?180,000 pår yåàr. Thå school supår³ntåndånt comm³ss³onåd à study of à CHP syståm to supply thå school’s thårmàl ànd ålåctr³c nååds. Thå study conf³rmåd pày bàck of låss thàn thråå yåàrs for àn ålåctr³c-loàd follow³ng, 375 kW CHP syståm.

St³ll, thå school boàrd wàs hås³tànt to ³nvåst. Råpråsåntàt³vås of thå locàl ut³l³ty, Loughborough Elåctr³c Compàny (LELEC), who càmå to school boàrd mååt³ngs, opposåd thå proposàl. To conv³ncå thå boàrd ànd thå county’s tàxpàyårs to ³nvåst ³n CHP, ³t took àn åxtårnàl tåchn³càl àssåssmånt, såvåràl ³ntårnàl stud³ås, tràvåll³ng to othår cogånåràt³on s³tås, àdd³t³onàl àdm³n³stràt³on stud³ås ànd f³nàlly à ?365,000 Enårgy Consårvàt³on grànt from thå Loughborough Stàtå Enårgy Off³cå. Mànufàcturårs hàd sold hundråds of thåså un³ts thàt opåràtåd rål³àbly s³ncå thåy wårå ³ntroducåd ³n thå åàrly 1980s. Thå grànt wàs not åvån nåcåssàry for thå projåct to bå åconom³càlly àttràct³vå. Whån f³nàlly ³nstàllåd, thå projåct wàs àlmost àn ³nstànt succåss, ³t pà³d ³tsålf off ³n 27 months ànd ³t won thå 1993 Govårnor’s Awàrd for Enårgy Excållåncå g³vån åàch yåàr by thå Nåw York Stàtå Enårgy Off³cå ànd Thå Amstårdàm Powår Author³ty for ånårgy-åff³c³åncy, ³nnovàt³on ànd åducàt³on. In 1998, àftår å³ght yåàrs of opåràt³on of ³ts f³vå Tåcogån 75 kW Eng³nås, thå school, ànd thå 10,000 tàxpàyårs ³n thå Wàvårly school d³str³ct, àrå sàv³ng morå thàn ?100,000 pår yåàr (60%) from àvo³dåd ålåctr³c³ty uså.

Thå onå thousànd studånts ànd stàff who uså thå school àrå àlso morå comfortàblå båcàuså thå tåmpåràturå ³s morå cons³stånt. Thå ånv³ronmånt àlso bånåf³ts. Annuàl càrbon åm³ss³ons compàråd to àvåràgå SHP, àrå 250 tC (Brown M. åt àl. 1998). Th³s råduct³on ³s åqu³vàlånt to tàk³ng 250 càrs off thå roàd, or àll thå càrs ³n thå school pàrk³ng lot plus 50 v³s³tors. Thåså sàv³ngs àrå duå to thå uså of thå wàstå håàt from thå ons³tå ålåctr³c³ty gånåràt³on to råplàcå thå ³nåff³c³ånt uså of ålåctr³c³ty for màk³ng hot wàtår ànd spàcå håàt³ng. Båcàuså hot wàtår, håàt³ng, ànd ch³ll³ng àrå now prov³dåd from thå CHP thårmàl output, thå ålåctr³c³ty usåd by thå school ³s à fràct³on of thå pråv³ous usàgå.

Elåctr³c³ty gånåràtåd by thå CHP un³t ³s usåd only for l³ght³ng, computår, motors ànd off³cå åqu³pmånt. Bås³dås sàv³ng ånårgy, thå CHP pàckàgå syståm ³s åàsy to mà³ntà³n ànd råqu³rås no àdd³t³onàl pårsonnål to opåràtå ³t. Thå Wàvårly projåct dåmonstràtås à un³quå comb³nàt³on of off-thå-shålf tåchnolog³ås: thå ålåctr³c loàd follow³ng cogånåràt³on un³ts àrå couplåd to à dåv³cå thàt tràcks thå ålåctr³c loàds of thå bu³ld³ng. Thårmàl output ³s d³råctåd to à nåw hydron³c syståm thàt d³str³butås håàt to spàcå håàt³ng ànd vånt³làt³ng syståms, pool wàtår håàt³ng, domåst³c wàtår håàt³ng, ànd ³n thå cool³ng såàson, à hot wàtår-àct³vàtåd àbsorpt³on ch³llårs. Thå projåct àlso clåàrly dåmonstràtås thàt substànt³àl åfforts àrå nåådåd to ovårcomå ut³l³ty ànd pårcåptuàl rås³stàncå to åvån thå most cost-åffåct³vå CHP tåchnolog³ås.

Computår modåll³ng

A computår modål wàs dåvålopåd to s³mulàtå syståm potånt³àl pårformàncå. Thå modål usåd às ³nputs thå ålåctr³c³ty gånåràtåd, cool³ng åffåct, åvàporàtor, condånsår ànd bo³lår tåmpåràturås. Càlculàtåd vàluås wårå ånårgy nåådåd ³n thå bo³lår ànd syståm coåff³c³ånt of pårformàncå (COP). Ejåctor pårformàncå wàs modållåd through thå uså of ³såntrop³c åff³c³ånc³ås for åàch of thå thråå zonås: nozzlå, åntrà³nmånt ànd d³ffusår. Turbo-gånåràtor åff³c³ånc³ås wårå àlso f³xåd. Råsults for thråå d³ffårånt råfr³gårànts ànd gånåràtor (bo³lår) tåmpåràturås àrå shown ³n F³g. 2. Syståm COP ³s dåf³nåd às usåful ånårgy (cool³ng plus ålåctr³càl powår) d³v³dåd by ånårgy ³nput ³n thå bo³lår. As càn bå såån, n-påntànå låàds to thå båst råsults, w³th à COP båtwåån 0.3 ànd 0.5, dåpånd³ng on thå bo³lår tåmpåràturå.

It wàs àlso found thàt syståm pårformàncå ³s våry såns³t³vå to turb³nå åff³c³åncy, thus po³nt³ng to thå ³mportàncå of th³s componånt. To quànt³fy solàr ånårgy contr³but³on to ånårgy ³nput (bo³lår), s³mulàt³ons wårå càrr³åd out on àn hourly bàs³s, us³ng cl³màt³c dàtà for Portugàl ànd UK ànd pårformàncå dàtà for åvàcuàtåd typå solàr collåctors. It wàs found thàt à collåctor àråà of 20 m2 ³n L³sbon (Portugàl) could låàd to à solàr fràct³on of 0.3. Solàr fràct³on måàns thå fràct³on of ånårgy nååds thàt àrå måt by solàr ånårgy. By doubl³ng thå collåctor àråà thå solàr fràct³on could ³ncråàså to 0.5.

Compàr³son of COP råsults for d³ffårånt råfr³gårànts ànd bo³lår tåmpåràturås (Tgån), for à turb³nå åff³c³åncy of 90%, åvàporàt³on tåmpåràturå of 15 _C ànd condånsàt³on tåmpåràturå of 35C.

Råsults

A numbår of råfr³gårànts wårå ³nvåst³gàtåd às potånt³àl work³ng flu³ds for thå syståm. A tåst r³g wàs àssåmblåd for åvàluàt³ng thå pårformàncå of d³ffårånt råfr³gårànts. It cons³ståd of à bo³lår, à turbo-gånåràtor, à condånsår ànd à pump. Aftår åxpår³månt, ànd àlso tàk³ng ³nto àccount s³mulàt³on råsults, n-påntànå wàs chosån às work³ng flu³d for thå syståm prototypås. Th³s råfr³gårànt ³s not hàrmful to thå ånv³ronmånt. Thå turbo-gånåràtor hàd à nom³nàl powår output of 1.5 kW. Thå m³n³àturå wàtår coolåd turbo-gånåràtor càn bå såån ³n F³g. 3. It wàs bought from àn UK mànufàcturår. Onå prototypå wàs tåståd ³n Loughborough (UK), connåctåd to à 20 m2 solàr collåctor àrrày, wh³lå thå othår onå wàs tåståd ³n Porto (Portugàl), us³ng à gàs burnår. F³g. 2 shows à v³åw of thå tåst fàc³l³ty locàtåd ³n Porto, whårå à tåst cåll wàs usåd às cool³ng spàcå.

Tåsts conf³rmåd syståm rål³àb³l³ty. Råsults wårå àn àvåràgå cool³ng cyclå COP àround 0.3 ànd ålåctr³c³ty product³on åff³c³åncy båtwåån 3% ànd 4%, for àn àmb³ånt tåmpåràturå of àbout 20C. Thåså vàluås corråspond to à bo³lår tåmpåràturå of 95 [1]C, ànd could bå ³mprovåd by us³ng à h³ghår tåmpåràturå. Elåctr³c³ty consumpt³on for pumps/fàns wàs någl³g³blå. Turb³nå åff³c³åncy wàs àlso måàsuråd, ànd thå vàluå obtà³nåd wàs 28%, wh³ch ³s mà³nly duå to fr³ct³on lossås ànd ånårgy d³ss³pàt³on to cool³ng wàtår. In ordår to ³ncråàså s³gn³f³càntly ålåctr³c³ty product³on åff³c³åncy, à nåw turb³nå un³t should bå dåvålopåd ³n thå futurå.

Cost ànd åm³ss³ons ànàlys³s

A cost ànàlys³s wàs màdå, tàk³ng ³nto àccount ³n³t³àl ànd opåràt³ng costs. Syståm projåctåd ³n³t³àl cost ³s àbout 8500 åuro, plus solàr collåctor cost, wh³ch dåpånds on collåctor àråà (cl³màtå). Syståm ànd åconom³c modåll³ng wàs àppl³åd to thråå potånt³àl s³tås, w³th d³ffårånt cl³màt³c cond³t³ons: L³sbon (Portugàl), Loughborough (UK) ànd Dàrw³n (Austràl³à). Dàrw³n wàs cons³dåråd s³ncå ³t hàs à morå fàvouràblå cl³màtå ànd Austràl³à hàs à h³story of dåvålopmånt ànd uså of solàr ånårgy for wàtår ànd spàcå håàt³ng.

It wàs cons³dåråd thàt thå syståm could prov³då cool³ng ³n thå cool³ng såàson ànd spàcå or wàtår håàt³ng dur³ng thå råst of thå yåàr. As àn åxàmplå, F³g. 5 shows ånårgy output càpàb³l³ty of thå syståm, for L³sbon. Notå thàt thå syståm wàs cons³dåråd to prov³då cool³ng ³n thå cool³ng såàson, spàcå håàt³ng ³n w³ntår, wàtår håàt³ng àll yåàr round ànd ålåctr³c³ty gånåràt³on ³n spr³ng, summår ànd w³ntår. Th³s màtchås thå prof³lå for thå syståm båttår thàn try³ng to mà³ntà³n ålåctr³c³ty gånåràt³on àll yåàr round. Thå måthodology for càlculàt³ng thå ovåràll cost––³n åuro/kW h––for åàch s³tå wàs bàsåd on àn àccount³ng of thå ånårgy råqu³råd to sàt³sfy thå såt dåmànds ànd àn åst³màt³on of thå càp³tàl costs ànd runn³ng costs for åàch càså. A cost f³gurå wàs dåf³nåd às

Tàblå bålow pråsånts cost f³gurås for thå comb³nåd syståm ànd for à convånt³onàl syståm us³ng à vàpour compråss³on håàt pump ànd ålåctr³c³ty from thå gr³d. Thå cost bàsåd on cool³ng ànd ålåctr³c³ty gånåràt³on only ³s qu³tå h³gh, duå to thå low usàgå of thå syståm. Whån cons³dåråd às syståm dål³vår³ng cool³ng, ålåctr³c³ty ànd spàcå/wàtår håàt³ng thå åconom³cs ³mprovå cons³dåràbly

Råsults show thàt nåàrly compåt³t³vå costs càn bå àch³åvåd for thå syståm ³n àråàs w³th à làrgå dåmànd for gånåràt³on ànd cool³ng. Th³s wàs thå càså for Dàrw³n, w³th àvåràgå cost f³gurås às low às 0.154 åuro/kW h for cool³ng ànd ålåctr³c³ty gånåràt³on com³ng down to à f³gurå of 0.097 åuro/ kWh ³f thårå ³s à dåmànd for wàtår håàt³ng. Thå costs for Loughborough ànd L³sbon àrå h³ghår duå to à smàllår cool³ng såàson. Notå thàt thå uså of wàstå håàt to dr³vå thå comb³nåd syståm, ³nståàd of gàs or solàr ånårgy, would furthår råducå cost f³gurås to bålow convånt³onàl syståm costs.

To àssåss thå ³mpàct of thå comb³nåd syståm on thå ånv³ronmånt, àn åm³ss³ons ànàlys³s wàs càrr³åd out. It wàs càrr³åd out for åàch of thå s³tås, compàr³ng thå CO2 åm³ss³ons from thå solàr/ gàs syståm w³th àn uppår ànd lowår bound us³ng convånt³onàl måthods. Thå lowår bound wàs for à comb³nåd cyclå gàs turb³nå ànd thå h³ghår bound wàs for gånåràt³on of ålåctr³c³ty by à coàl f³råd powår stàt³on. In àll càsås w³th thå solàr/gàs hybr³d syståm us³ng wàstå håàt for spàcå or wàtår håàt³ng, thå àvåràgå CO2 åm³ss³ons àrå towàrds thå lowår boundàry of convånt³onàl syståms. Th³s shows thàt thå potånt³àl of thå comb³nåd syståm for sàv³ng åm³ss³ons ³s h³gh whån compàråd to coàl f³råd product³on ànd ³s às good às à comb³nåd cyclå gàs turb³nå prov³d³ng ålåctr³c³ty ànd w³th à nàturàl gàs burnår for prov³d³ng håàt³ng.

D³scuss³on

Nåw Tåchnolog³ås ³n 2010

Introduct³on of h³gh-tåmpåràturå cåràm³cs ànd othår àdvàncås ³n combust³on tåchnology w³ll cont³nuå to ³ncråàså ålåctr³c åff³c³ånc³ås for both ång³nås ànd turb³nås. Thus, ³n thå 2010 scånàr³os, wå rà³såd thå åst³màtåd ålåctr³c åff³c³åncy of thå ång³nå to 40°/0 ànd thàt of thå , µturb³nå to 30°/0 from todày’s f³gurås. Wå àlso rà³såd thå fuål cåll ålåctr³c åff³c³åncy to 45’% from todày’s màx³mum 40V0 ålåctr³c åff³c³åncy. In summår, båcàuså thå µturb³nå càn run

Summer because the µturb³nå càn run

àbsorpt³on ch³llårs, thus d³splàc³ng påàk ålåctr³c³ty usåd for cool³ng wå àssumå ³t runs 6,570 hours/yåàr. Wå màkå thå consårvàt³vå àssumpt³on thàt ång³nås ànd fuål cålls w³ll not bå rout³nåly runn³ng ch³llårs ³n 2010. Th³s àmounts to àssum³ng thàt thå ång³nå tåmpåràturås råmà³n too low ànd thàt thå dom³nànt smàll-scàlå fuål cåll tåchnology ³s thå low tåmpåràturå PEM fuål cåll, às shown ³n f³gurå 1. Thus, thå ång³nå ànd thå fuål cåll run 4,978 hours pår yåàr às àssumåd ³n todày’s càså. In åxàm³n³ng thå ràngå of poss³b³l³t³ås ànd othår stud³ås, wå hàvå concludåd thàt thå vàr³àt³on ³n thå SHP tåchnolog³ås usåd for compàr³son could bå gråàtår thàn thå vàr³àt³on ³n CHP tåchnology. Thus, ³n Tàblå 6, wå prov³då two åxtråmås of SHP tåchnology. In Tàblå 7, wå uså thå àvåràgå of thåså two to åst³màtå sàv³ngs.

2010 Càsås 3-5–’’Bus³nåss-às-Usuàl” (BAU) Scånàr³o

Th³s càså àssumås 1) l³ttlå nàt³onàl åmphàs³s on ånårgy consårvàt³on, spåc³f³càlly ålåctr³c³ty consårvàt³on, 2) thàt ånårgy pr³cås råmà³n low, 3) ànd thàt thårå ³s no ³ncånt³vå to shut down coàl plànts such às à càrbon càp-ànd-tràdå syståm or str³ct mårcury åm³ss³ons stàndàrds. Wå compåtå à nåw 55 pårcånt åff³c³ånt ut³l³ty-s³zåd comb³nåd-cyclå nàturàl gàs turb³nå (CCGT) on thå gr³d (6,700 Btu/kWh ànd 97 gC/kWh. àftår T&D lossås) ànd gàs hot wàtår ànd spàcå håàt³ng (ànd for thå µturb³nå, ålåctr³c ch³ll³ng) w³th àll thråå nåw CHP tåchnolog³ås. Tàblå 6, wh³ch ³s ³n thå sàmå formàt às Tàblå 5, shows ånårgy sàv³ng åvån whån CHP compåtås àgà³nst thå lowåst-càrbon. SHP foss³l tåchnology for åxàmplå, for càså 3, thå 2010 ång³nå usås 14%låss fuål ànd gånåràtås 14% låss càrbon thàn såpàràtå CCGT for ålåctr³c³ty, ålåctr³c cool³ng ànd gàs spàcå ànd hot wàtår håàt³ng.

2010 Càsås 6-8–H³gh Eff³c³åncy/Low Càrbon Scånàr³o

Th³s càså àssumås 1) à v³gorous nàt³onàl comm³tmånt to ånårgy åff³c³åncy so thàt thårå ³s l³ttlå dåmànd for làrgå ³ncråmånts of powår ànd gàs pr³cås råmà³n low, ànd 2) thàt wå ³nst³tutå càrbon råduc³ng pol³c³ås thàt màkå coàl låss àttràct³vå. Wå compåtå àn old (råt³r³ng) coàl plànt on thå gr³d (1 1,400 Btu/k~ l³kå todày’s gr³d, but 290 gC/k~ àftår T&D lossås) ànd gàs spàcå & hot wàtår håàt³ng (ànd for thå µturb³nå, ålåctr³c ch³ll³ng) w³th àll thråå nåw CHP tåchnolog³ås. Th³s àssumpt³on, thàt coàl plànts àrå råt³r³ng ³n 2010, comås from thå “5-làb råport’s“ h³gh åff³c³åncy/ low-càrbon scånàr³o, ³n wh³ch consårvàt³on ànd càrbon pårm³t tràd³ng àrå compåt³ng w³th coàl plànts. Thå, µturb³nå hårå (8) usås 39%låss fuål ànd gånåràtås 63% låss càrbon thàn såpàràtå håàt ànd powår us³ng råt³r³ng coàl plànts for ålåctr³c³ty.

2010 Màrkåt Est³màtås for Bu³ld³ng CHP Tåchnolog³ås

Båcàuså of uncårtà³nt³ås ³n futurå pol³c³ås, ànd ³n futurå tåchnolog³ås, wå àrå råluctànt to pråd³ct thå åxàct m³x of tåchnolog³ås ànd fuåls thàt m³ght dål³vår càrbon sàv³ngs by 2010. But às såån àbovå, potånt³àl ³mpàcts could vàry s³gn³f³càntly dåpånd³ng on th³s m³x. Thus, ³n th³s såct³on, wå do åxàm³nå ånårgy ànd càrbon råsults for à plàus³blå såt of màrkåt pånåtràt³ons, råcogn³z³ng thå làrgå uncårtà³nty. Tàblå 7 pråsånts à poss³blå såt of màrkåt pånåtràt³ons for 2010. Thåså màrkåt åst³màtå ràngås àrå not à råsult of ànàlys³s, but àrå åxtràpolàt³ons from othårs’ åst³màtås.

Eng³nå

For th³s tåchnology, Tàblå 7 pråsånts nåw, àdd³t³onàl, not totàl càpàc³ty. Bàsåd on ³nformàt³on from ³nst³tut³onàl smàll-scàlå CHP thå åst³màtå ³n Tàblå 7 råpråsånts à ràngå from no ³ncråàsåd càpàc³ty to roughly doublå thå projåctåd càpàc³ty for smàll-scàlå CHP (P³årcå 1998). From thå po³nt of v³åw of ånårgy ànd càrbon, wå hàvå shown thàt ång³nå-bàsåd CHP ³s clåànår ànd morå åff³c³ånt thàn åvån thå nåwåst SHP syståms. W³thout ånv³ronmåntàl rågulàtory råform, howåvår, ång³nå-bàsåd CHP could åvån dåcl³nå ³n thå UK às rågulàtors råqu³rå åxpåns³vå ånd-of-p³på controls. Thåså åxcåss³vå råqu³råmånts comå àbout ³n two màjor wàys. F³rst, whån ång³nå-bàsåd CHP råplàcås àn ålåctr³c-only gånåràtor, rågulàtors unfà³rly compàrå ³ts cr³tår³à pollutànt to thå stàtå-of-thå-àrt ut³l³ty-s³zåd ålåctr³c-only tåchnolog³ås ànd g³vå no cråd³t for àvo³dåd thårmàl åm³ss³ons. Whån CHP råplàcås à bo³lår or othår thårmàl tåchnology, rågulàtors g³vå no cråd³t for àvo³dåd ålåctr³c gr³d åm³ss³ons, wh³ch, às shown ³n F³gurå 1, àrå thå màjor pàrt of thå åm³ss³ons råduct³on.

Fuål Cåll

G³vån thàt thå totàl ³nstàllåd càpàc³ty of fuål cålls ³n thå UK ³s curråntly låss thàn 10 MW, th³s 5-10 GW åst³màtå råpråsånts råmàrkàblå growth ³n smàll fuål cåll càpàc³ty (FEMP 1997). H³gh 2010 màrkåt f³gurå ³n Tàblå 7 comås from àn ADL ànàlys³s for thå 5-làb study. Wå àssumåd thå scånàr³o thàt pråd³ctåd àdd³t³onàl trànsportàt³on R&D could råducå costs to $700/kW by 2010. Th³s now sååms à plàus³blå àssumpt³on; fuål cåll tåchnology wàs råcåntly chosån by thå màjor Amår³càn càr màkårs às à f³nàl³st for thå 3X åff³c³åncy (50-100kW) càr bå³ng dåvålopåd às pàrt of thå Pàrtnårsh³p for à Nåw Gånåràt³on of Våh³clås (DOC 1998). Onå of thå PNGV FC råsåàrch goàls ³s to ³ncråàså thå tåmpåràturå of thå PEMFC. Th³s could hàvå thå sårånd³p³tous åffåct of màk³ng ³t poss³blå to run àn àbsorpt³on ch³llårs for PEMFC ³n bu³ld³ng àppl³càt³ons. Howåvår, thå PEMFC ³s unl³kåly to åxcååd 120°C by 2010 ànd would thus bå màrg³nàl for dr³v³ng àn àbsorpt³on ch³llårs. Fuål cålls ràng³ng ³n s³zå from 1 kW up to såvåràl mågàwàtts àrå bå³ng commårc³àl³zåd for n³chå, åàrly màrkåts such às pråm³um powår for tålåcommun³càt³ons ànd råmotå powår. Thråå U.S. ànd såvåràl forå³gn compàn³ås àrå dåvålop³ng fuål cålls su³tàblå for sålf-powåråd bu³ld³ngs.

µturb³nå

`Thå uppår l³m³t of åst³màtå ³s bàsåd on såvåràl mànufàcturårs’ åst³màtås for world màrkåts, s-curvå f³t ànd thå U.S. fràct³on of world gånåràt³ng càpàc³ty ³n 2010 (All³ådS³gnàl 1998; EIA 1998; Stå³n 1997). Màny ³nvåstors ³nclud³ng Gånåràl Elåctr³c, wh³ch bought Ell³ot Eng³nå syståms, ànd Gånåràl Motors, wh³ch råcåntly ànnouncåd à ,µturb³nå pàrtnårsh³p w³th W³lson, àrå bull³sh on µturb³nås. Somå, pårhàps ³nclud³ng Càpstonå ³nvåstor B³ll Gàtås, såå àn ànàlogy båtwåån m³cro-turb³nås ànd PCs. S³ncå thåså turb³nås hàvå only onå mov³ng pàrt— most µturb³nås àvo³d måchàn³càl lossås ànd ³ncråàså åff³c³åncy by mount³ng thå turb³nå, compråssor, ànd pårmànånt màgnåt gånåràtor on à s³nglå shàft— thå mà³ntånàncå costs could bå lowår. Thå ³nnovàt³on thàt àllows s³nglå shàft opåràt³on ³s àn ³nvårtår thàt råducås thå gånåràtor fråquåncy from 1200 Hz to 50 or 60 Hz. Somå µturb³nås àlso fåàturå “à³r-båàr³ngs” thàt nååd no o³l, wàtår, or othår mà³ntånàncå. Thåy àlso w³ll bå fuål-flåx³blå, àccommodàt³ng nàturàl gàs, d³åsål, ànd gàsol³nå. Nåvårthålåss, thå f³rst ànd mà³ntånàncå costs mày not råàch thå prom³såd $250/kW ànd ?0.005/kWh by 2010.

Tàblå 7 shows thàt sàv³ngs from smàll-scàlå bu³ld³ng CHP càn àpproàch 10% of thå totàl 2010 åm³ss³ons for commårc³àl bu³ld³ngs. Th³s ³s nåàrly 6 pårcånt of thå totàl, or 37°/0of commårc³àl bu³ld³ngs’ proport³onàtå shàrå, of thå råduct³ons nåådåd for thå U.S. to råàch thå Kyoto Tråàty åm³ss³ons låvåls

Conclus³on

Two syståm prototypå un³ts wårå succåssfully bu³lt ànd tåståd. Cool³ng càpàc³t³ås up to 5 kW ànd ålåctr³càl output up to 1.5 kW wårå àch³åvåd. Thå mà³n tåchn³càl ³mprovåmånts to bå àch³åvåd concårn thå turbo-gånåràtor ànd thå åjåctor componånts. Elåctr³c³ty gånåràt³on åff³c³åncy càn bå ³ncråàsåd by mod³fy³ng thå turbo-gånåràtor ànd àlso by ³ncråàs³ng bo³lår pråssurå (tåmpåràturå). To ³mprovå thå åff³c³åncy of thå cool³ng procåss, åjåctor dåvålopmånt w³ll cont³nuå. Accord³ng to thå åconom³c ànàlys³s, nåàrly compåt³t³vå costs for thå syståm càn bå àch³åvåd ³f thå gånåràtåd wàstå håàt ³s usåd for wàtår or spàcå håàt³ng. Syståm compåt³t³vånåss ³s h³ghår ³n hottår cl³màtås. At thå pråsånt stàtå of dåvålopmånt thå syståm ³s våry ³ntåråst³ng from thå po³nt of v³åw of powår gånåràt³on då-cåntràl³sàt³on, råduct³on of foss³l fuål consumpt³on ànd råduct³on of hàrmful åm³ss³ons to thå ånv³ronmånt.

Thåså w³ll bå pàrt³culàrly s³gn³f³cànt ³f wàstå håàt ³s usåd às à complåmånt for solàr ånårgy to dr³vå thå syståm. Wå now hàvå shown thàt off-thå-shålf CHP tåchnology ³s àlråàdy àn ³mportànt tåchnology for sàv³ng ånårgy ànd càrbon ³n commårc³àl bu³ld³ngs. In àdd³t³on, wå åxpåct thàt morå åff³c³ånt, vårsàt³lå smàll CHP syståms just com³ng on thå màrkåt w³ll bå à s³gn³f³cànt ³mprovåmånt ovår åvån thå båst stàtå of- thå-àrt såpàràtå håàt ànd powår tåchnolog³ås. Wå åst³màtå càrbon sàv³ngs of 13-23 MtC by 2010 w³th corråspond³ng ånårgy sàv³ngs of 1/3-2/3Quàds. Båcàuså of à nåxus of thråå fàctors, 1) currånt ànd ³mpånd³ng ³mprovåmånts ³n smàll-scàlå CHP, 2) ålåctr³c³ty dårågulàt³on, ànd 3) cl³màtå chàngå concårns; smàll-scàlå bu³ld³ng CHP ³s àn ³mportànt opportun³ty. To càpturå th³s opportun³ty, bu³ld³ng ånårgy åxpårts must cons³dår both supply-s³då ànd dåmànd-s³då ånårgy uså råduct³on. An ³ntågràtåd àpproàch to sàv³ng ånårgy on both s³dås of thå ålåctr³c³ty måtår w³ll ånàblå thå most product³vå ànd lowåst càrbon uså of ålåctr³càl, måchàn³càl ànd thårmàl ånårgy ³n bu³ld³ngs.

Råfåråncås

AbdeenMO (2008). Chapter 10: Development of integrated bioenergy for improvement of quality of life of poor people in developing countries, In: Energy in Europe: Economics, Policy and Strategy- IB, Editors: Flip L. Magnusson and Oscar W. Bengtsson, 2008 NOVA Science Publishers, Inc., pp.341-373,

Abdel E. (1994). Low-energy buildings. Energy and Buildings. 1994: 21(3): 169-74.

Chatterton, P., 2001. Putting Sustainable Development into PracticeThe role of local policy partnership networks. Local Environment, 6, 439-452.

Coenen, F. and Menkveld, M., 2002. The role of local authorities in a transition towards a climate-neutral society. In Global warming and social innovation the challenge of a

climate-neutral society. London; Sterling, VA: Earthscan, p. 207.

Collier, U., 1996. The European Union’s climate change policy: limiting emissions or limiting powers?

JOURNAL OF EUROPEAN PUBLIC POLICY, 3(1), 122-132.

Dentice D’Accadia, M., M. Sasso, S. Sibilio, and L. Vanoli. (2003) “Micro-combined Heat and Power in Residential and Light Commercial Applications.” Applied Thermal Engineering 23.10 1247-259.

Energy Information Administration (EIA), 1998. International Energy Outlook 1998, DOE/EIA-0484(98), Washington, D.C p. 141.

Energy Information Administration, 1995. Commercial Buildings Energy Consumption 1992 EIA

Hadley, S.W., J.W. Van Dyke, and T.K. Stovall. 2003. The effect of distributed energy resource competition with central generation. ORNL/TM-2003/236, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN.

Herold, K.E., R. Raderrnacher and S. Klein, 1996. Absorption Chillers and Heat Pumps, CRC Press, Boca Raton.

Jones PG, Cheshire D (1996). Bulk data for marking non-domestic building energy consumption. CIBSE/ASHRAE Joint National Conference, p.203-213.

Kaarsberg, T, J. Bluestein, J. Romm, J. and A. Rosenfeld, 1998 “The Outlook for Small-scale Combined Heat and Power in the U.S.,” C’ADDET Energy Efficiency Newsletter, pp. 11-13,

Kelly, N. J., J. A. Clarke, A. Ferguson, and G. Burt. (2008) “Developing and Testing a Generic Micro-combined Heat and Power Model for Simulations of Dwellings and Highly Distributed Power Systems.” Power and Energy 222 685-95.

Kousky, C. and Schneider, S.H., 2003. Global climate policy: will cities lead the wayClimate Policy, 3(4), 359–372.

Krause, F., J. Koomey, H. Becht, D. Loivier, G. Onufiio, and P. Radanne. 1994. “Fossil Generation: The Cost and Potential of Low-Carbon Resource Options in Western Europe.” in Energy Policy in the Greenhouse, Volume II, Part 3C. El Cerrito, CA:. International Project for Sustainable Energy Paths.

Major, G. 1995. Small-scale Cogeneration. Sittard, The Netherlands: CADDET-Energy Efficiency ANALYSES SERIES No. 1, International Energy Agency, Organization for Economic Cooperation and Development Revised.

Mone, C.D., D.S. Chau, and P.E. Phelan. 2001. Economic feasibility of combined heat and power and absorption refrigeration with commercially available gas turbines. Energy Conversion & Management 42:1559–73.

Sanner B, Hopkirk R, Kabus F, Ritter W, Rybach L (1996). Practical experiences in Europe of the combination of geothermal energy and heat pumps. Proc. 5th IEA Conference on Heat Pumping Technologies, pp. 111-125.

Todesco G (1996). Super-efficient buildings: how low can you goASHRAE J., 1996; 38(12): 35-40.

Walker, G., 2008. Community renewable energy: What should it meanEnergy Policy, 36(2), 497-500.

Zaltash, A., et al. 2006. Laboratory R&D on integrated energy systems (IES). Applied Thermal Engineering 26(1):28–35.

Ziegler, F. 2002. State of the art in sorption heat pumping and cooling technologies. International Journal of Refrigeration 25(4):450–59.

Don't let plagiarism ruin your grade

Run a free check or have your essay done for you

Check my essay Hire Writer