Cogeneration System (ระบบผลิตไฟฟ้าและความร้อนร่วม)

ระบบโคเจเนอเรชั่น (Cogeneration System) เป็น Hybrid system ที่สามารถผลิตและจ่ายพลังงานทุติยภูมิตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปจากแหล่งพลังงานปฐมภูมิชนิดเดียว โดยทั่วไปจะเป็นระบบที่ผลิตพลังงานทุติยภูมิที่เป็นแรงขับเคลื่อน (รวมถึงพลังงานไฟฟ้า) และความร้อนพร้อมๆ กัน เรียกว่า “Dual-purpose electricity and steam generation”

ในระยะหลัง โรงงานและอาคารต่างๆ มีการนำระบบโคเจนเนอเรชั่น  มาใช้ติดตั้งกันแพร่หลายมากขึ้น ระบบโคเจนเนอเรชั่นเป็นระบบที่นำความร้อนมาใช้งานแบบคาสเคด คำว่า คาสเคด หมายถึง น้ำตกที่มีลักษณะเป็นชั้นๆ เราจะนำพลังงานความร้อนคุณภาพสูงซึ่งได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิง มาแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าและแรงขับเคลื่อนก่อน แล้วนำความร้อนทิ้งซึ่งมีคุณภาพต่ำลง มาใช้ในวัตถุประสงค์ที่ต้องการอุณหภูมิต่ำกว่า เช่น ไอน้ำที่ใช้ในกระบวนการผลิต การปรับอากาศร้อน-เย็นหรือการจ่ายน้ำร้อนในอาคาร เป็นต้น การนำความร้อนมาใช้งานจากระดับอุณหภูมิสูงไล่ลงไปตามลำดับเช่นนี้ เรียกว่า “การนำความร้อนมาใช้งานแบบคาสเคด” วิธีการนี้สามารถนำพลังงานเคมีที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงฟอสซิล มาใช้งานตามลำดับโดยมีเอ็กเซอร์จีสูญเสียไปน้อยที่สุด กล่าวได้ว่าเป็นระบบในอุดมคติสำหรับการแปลงพลังงาน

รูป การนำความร้อนมาใช้งานแบบคาสเคด

รูป ตัวอย่างโครงสร้างของระบบโคเจเนอเรชั่น

ในทางปฏิบัติแล้ว โรงงานและอาคารต่างๆ จะใช้ก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมันหนักเป็นเชื้อเพลิงของเครื่องจักรผลิตกำลัง เช่น เครื่องยนต์ใช้ก๊าซ ก๊าซเทอร์ไบน์ เครื่องยนต์ดีเซล เพื่อขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือคอมเพรสเซอร์ แล้วนำพลังงานไฟฟ้าและพลังงานกลที่ได้ไปใช้ในโรงงานหรืออาคาร พร้อมกับนำความร้อนทิ้งที่นำกลับมาได้จากไอน้ำหรือน้ำร้อนจากเครื่องจักรพลังความร้อน ไปใช้ในงานที่ต้องการความร้อน

รูป การเปรียบเทียบสมดุลพลังงานระหว่างมีและไม่มีระบบโคเจนเนอเรชั่น

จากการประเมินอย่างง่ายเปรียบเทียบสมดุลพลังงานจากเชื้อเพลิงที่ใช้เครื่องยนต์ใช้ก๊าซ ระหว่างมีและไม่มีระบบโคเจนเนอเรชั่น พลังงานไฟฟ้าเมื่อไม่มีระบบโคเจนเนอเรชั่นนั้น สมมติว่าได้รับพลังงานไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าของผู้ผลิตไฟฟ้าทั่วไปที่มีประสิทธิภาพการกำเนิดไฟฟ้าที่ด้านผู้ใช้เท่ากับ 35.1 % และได้รับพลังงานความร้อนจากหม้อไอน้ำที่มีประสิทธิภาพ 80 %

ถ้าให้พลังงานขาเข้าในกรณีของระบบโคเจนเนอเรชั่นซึ่งมีการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้เป็น 100 หน่วยแล้ว พลังงานขาเข้าในกรณีที่ไม่มีระบบโคเจนเนอเรชั่น จะต้องใช้ถึง 133 หน่วย จะเห็นว่าระบบโคเจนเนอเรชั่นจะมีข้อได้เปรียบมากกว่า

รูปแบบของระบบโคเจเนอเรชั่น

ระบบโคเจเนอเรชั่นมีรูปแบบต่างๆ ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ผลิตกำลังขับเคลื่อนและวิธีใช้ประโยชน์จากความร้อนและกำลังขับเคลื่อน ซึ่งจะมีการเลือกใช้ระบบที่เหมาะสมที่สุดให้สอดคล้องกับสภาพของโรงงานและสถานประกอบการในอุตสาหกรรมที่ใช้ไอน้ำเป็นจำนวนมาก เช่น การกลั่นน้ำมันดิบ, การผลิตกระดาษ เป็นต้น

ตั้งแต่อดีตมาจะมีระบบผลิตไฟฟ้าเองด้วยหม้อไอน้ำความดันสูงและกังหันไอน้ำอยู่แล้ว แล้วนำไอน้ำที่ระบายออกจากกังหันไปใช้เป็นไอน้ำสำหรับกระบวนการผลิตลักษณะนี้ก็เป็นโคเจเนอเรชั่นชนิดหนึ่ง แต่ต่อไปนี้จะอธิบายระบบโคเจเนอเรชั่นแบบใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในที่กำลังเริ่มแพร่หลายมากขึ้นซึ่งสามารถรองรับอุปสงค์พลังงานขนาดเล็กกว่าได้

ตาราง ระบบโคเจเนอเรชั่น

ข้อควรระวังในการเลือกใช้ระบบโคเจเนอเรชั่น

ความคุ้มทุนของระบบโคเจเนอเรชั่นขึ้นอยู่กับว่าสามารถเพิ่ม utilization factor ของระบบได้อย่างไร และจะสามารถใช้ความร้อนทั้งหมดได้อย่างไร ดังนั้น ก่อนการนำมาใช้จึงต้องวางแผนระบบโดยตรวจสอบรูปแบบของอุปสงค์ความร้อนและไฟฟ้าของแต่ละฤดูกาลและช่วงเวลาให้ถี่ถ้วน ในตัวอย่างที่1 ทั้งๆ ที่ประสิทธิภาพพลังงานสูงสุดมีค่าถึง 75 % แต่ประสิทธิภาพเฉลี่ยทั้งปีมีค่าเพียง 52-54 % และในตัวอย่างที่ 2 เทียบกับฤดูร้อนและฤดูหนาวแล้ว ในช่วงระหว่างฤดูทั้งสองประสิทธิภาพรวมจะลดลง 10 %

การปรับการเดินเครื่องเพื่อให้รับการเปลี่ยนแปลงของอุปสงค์ไฟฟ้าเป็นเรื่องที่ยุ่งยาก ดังนั้น โดยทั่วไปจะเชื่อมต่อระบบกับระบบของการไฟฟ้าเพื่อรับการเปลี่ยนแปลงนี้ เนื่องจากถ้าไฟดับแล้วมีกำลังไฟฟ้าส่งย้อนกลับเข้าไปในระบบไฟฟ้าสาธารณะจะเกิดอันตรายขึ้นได้ ในการเชื่อมต่อจะต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันตามแนวทางข้อกำหนดทางวิศวกรรมเกี่ยวกับการเชื่อมต่อระบบไฟฟ้าที่ประกาศโดยกระทรวงเศรษฐกิจและอุตสาหกรรมแห่งประเทศญี่ปุ่น(สำหรับประเทศไทยก็มีข้อกำหนดดังกล่าวเช่นกัน) ถ้าอุปสงค์มีภาระเปลี่ยนแปลงค่อนข้างน้อย และสามารถยอมให้หยุดเครื่องได้ชั่วคราวเป็นระยะเวลาสั้นๆ เช่น ระบบปรับอากาศ ฯลฯ บางครั้งอาจจะจัดทำระบบที่เป็นอิสระจากไฟฟ้าสาธารณะเฉพาะอุปสงค์นั้นก็ได้

เพื่อรองรับการเสียที่ไม่คาดคิดหรือการซ่อมบำรุงตามวาระ จะต้องพิจารณาการแบ่งแยกระบบไฟฟ้าและระบบไฟฟ้าสำรองด้วย

เครื่องยนต์สันดาปภายในจะต้องสัมผัสกับอุณหภูมิสูงและสิ่งแปลกปลอมในเชื้อเพลิง เมื่อเดินเครื่องเป็นระยะเวลานานจะเกิดการสึกหรอและการปนเปื้อนขึ้น ดังนั้น จึงต้องมีการตรวจซ่อมบำรุงอย่างเป็นระบบเพื่อให้สามารถเดินเครื่องได้อย่างมีเสถียรภาพและรักษาประสิทธิภาพเอาไว้ได้

อ้างอิง

สำนักพัฒนาทรัพยากรบุคคลด้านพลังงาน. (2004).การอนุรักษ์พลังงานในระบบความร้อน . Retrieved from DEDE:http: www2.dede.go.th/bhrd/old/Download/file_handbook/Pre_Heat/pre_heat_9.pdf