CHP Cogeneration Power

                                          CHP – Cogeneration Power                                                                          C...
Author: Erik Norton
5 downloads 0 Views 6MB Size
 

                                       

CHP – Cogeneration Power                                                     

 

       

 

   

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

  CHP – Cogeneration Power ........................................................................................................... 4  1.Introduction .............................................................................................................................. 4  1.1 Preface I .................................................................................................................................................. 4  1.2 Preface II ................................................................................................................................................. 5  1.3 Preface III ................................................................................................................................................ 6  1.4 Energy and power measurement ........................................................................................................... 7 

2.Basics ........................................................................................................................................ 8  2.1 What is  a CHP system? ........................................................................................................................... 8  2.2 Energy balances ...................................................................................................................................... 9  2.3 Main advantages of CHP ....................................................................................................................... 11  2.4 Basic CHP schemes ................................................................................................................................ 12  2.5 Fuels ...................................................................................................................................................... 13 

3.Technology .............................................................................................................................. 14  3.1 Internal combustion engine .................................................................................................................. 14  3.2 Steam turbine ....................................................................................................................................... 15  3.3 Gas Turbine ........................................................................................................................................... 17  3.4 Combined cycle ..................................................................................................................................... 18  3.5 Stirling engine ....................................................................................................................................... 19  3.6 Fuel cell ................................................................................................................................................. 21  3.7 Organic rankine cycle ............................................................................................................................ 23  3.8 Heat storage .......................................................................................................................................... 25  3.9 Qualitative comparisons among prime movers .................................................................................... 26  3.10 Quantitative comparisons among prime movers ............................................................................... 27  3.11 How to  pick the proper technology ................................................................................................... 28 

4.How to size a CHP plant ........................................................................................................... 29  4.1 Load profile I ......................................................................................................................................... 29  4.2 Load profile II ........................................................................................................................................ 30  4.3 Sizing approaches .................................................................................................................................. 33  4.4 An example of CHP sizing ...................................................................................................................... 35  4.5 The power‐to‐heat ratio ....................................................................................................................... 38 

5.Micro/mini CHP ....................................................................................................................... 40  5.1 CHP sizes ............................................................................................................................................... 40  5.2 mCHP concept and advantages ............................................................................................................ 41  5.3 Smart grids and virtual power plants .................................................................................................... 42 

6.Trigeneration........................................................................................................................... 45  6.1 What is trigeneration? .......................................................................................................................... 45  6.2 Compression chillers ............................................................................................................................. 46  6.3 Absorption chillers ................................................................................................................................ 47 

  2   

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

6.4 Comparisons ......................................................................................................................................... 49 

7.District heating and cooling ..................................................................................................... 51  7.1 Main concept ........................................................................................................................................ 51  7.2 District heating (DH) .............................................................................................................................. 52  7.3 District cooling (DC) .............................................................................................................................. 54 

8.CHP and RES coupling .............................................................................................................. 56  8.1 Reneweable sources available for CHP ................................................................................................. 56  8.2 Major advantages ................................................................................................................................. 57  8.3 Main aspects of biomass fired CHP plants ............................................................................................ 58 

9.Feasibility ................................................................................................................................ 60  9.1 Implementation .................................................................................................................................... 60  9.2 Costs ...................................................................................................................................................... 61  9.3 Costs‐effectiveness ............................................................................................................................... 63  9.4 Integration of the CHP unit ................................................................................................................... 65  9.5 Control and risks ................................................................................................................................... 66  9.6 Ostacles and barriers ............................................................................................................................ 68 

10.Main CHP policies and conclusions ........................................................................................ 70  10.1 Main incentive mechanism ................................................................................................................. 70  10.2 Conclusions ......................................................................................................................................... 72 

                                            3   

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

CHP – Cogeneration Power  1. Introduction  1.1 Preface I  It is early in the morning, and I have to go to work. As soon as my nose peeks out from behind my front  door, I realise that it´s a pretty cold day outside.  I jump in my car, and the interior is almost frozen. I switch  the engine on, wait a few seconds, then turn the heater on and allow the warm air to flow from the little  fans in front of me. I am ready to go. No, not yet. There is too much silence. The CD of my favourite band is  still in the player. It´s enough to press a button to play the music that makes me feel better. Ok, now I can  leave. Probably not many realise it, but that morning my engine efficiency gained quite a few percentage  points.  That  is,  my  car  was  performing  better  than  during  a  warm  day,  when  I  don´t  need  to  warm  the  interior  up.  That  morning  my  car  engine  suddenly  became  a  combined  heat  and  power  (CHP)  system!  Indeed, starting from the chemical energy contained in the fuel, it provided me with mechanical power to  move, electricity to listen to my favourite band, and heating to warm me up.    First bedrock!   #combinedproduction  A cogeneration system is a device capable of producing electrical, mechanical and thermal energy (from  recovery) directly in the place in which it is installed.   The  winter  is  Siberia  can  be  quite  a  hard  problem  to  cope  with.  Temperatures  fall  very  easily  to  values  lower than ‐60°C.  The Republic of Yakutia (Sakha), situated in north eastern Siberia, is a land of countless  rivers  and  lakes,  hundreds  of  glaciers  and  ice  crusts.  It  is  full  of  natural  contrasts:  it  has  the  longest  and  coldest  winters  and,  at  the  same  time,  the  summers  can  be  extremely  hot.    The  capital  of  the  Sakha  Republic  is  Yakutsk.  The  company  Sakha‐Torg  is  based  here.  It  has  a  problem  that  is  pretty  common  nowadays:  it needs an independent and environmentally friendly source of heat and power.  Sakha‐Torg  decided to install a set of micro turbines running on natural gas to meet its demand. Reliable operation and  low maintenance costs were the main factors in making the choice.  Currently, five micro turbines with heat  recovery modules produce electricity and heat for shopping malls, offices and warehouses in the region 1 .   Second bedrock!   #safe&clean  CHP systems are proven as a safe and clean source of heat and power in cold and remote regions.           

                                                        1 ‐ Sakha‐Torg, Yakutsk, Russia – Capstone, 2008 

4   

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

1.2 Preface II  The  Natural  History  Museum  of  London,  besides  being  a  fantastic  and  unmissable  place  and  one  of  the  many  reasons  why  millions  of  Londoners  should  be  proud  of  their  city,  is  home  to  life  and  earth  science  specimens comprising some 70 million items. Given the age of the institution, many of the collections have  great historical as well as scientific value, such as specimens collected by the father of evolutionary theory,  Charles Darwin. The museum is also particularly famous for its exhibition of dinosaur skeletons and ornate  architecture  .  In  the  years  2006‐07,  the  Museum  decided  to  undertake  an  important  challenge:  make  significant  cost  savings,  make  significant  greenhouse  gas  emissions  savings,  avoid  the  dumping  of  heat,  lower  the  environmental impact and maximise future potential. The whole had to be realised without referring to any  miracle  from  the  sky.  The  miracle  was  actually  a  compact  installation  composed  of  a  gas  fired  internal  combustion  engine,  with  an  engine  cooling  circuit  incorporated  as  a  heating  and  driving  force  for  an  absorption chiller 2.  As  a  result,  the  Museum  now  saves  11,000  MWh  of  energy  each  year  (the  standard  annual  energy  consumption of ca. 550 British families3), reducing the amount of CO2 released in the atmosphere of more  than 2,800 annual tonnes and saving a huge amount of money: £750,000 for any single year of operation.    Third bedrock!   #savings&cooling    CHP  plants  may  be  a  reliable  way  for  saving  money  and  cutting  CO2  emissions.  Cooling  systems  can  be  easily integrated to the plant.                                     

                                                        2 ‐  Mark Howell ‐ Design, Build, Finance, Operate Tri‐generation for the Natural History Museum – Vital Energi, 2009  3 ‐  Typical domestic energy consumption figures ‐ www.ofgem.gov.uk   

5   

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

1.3 Preface III  2012  ‐  October,  22nd‐31st:  hurricane  Sandy  is  the  deadliest  and  most  destructive  hurricane  of  the  2012  Atlantic  hurricane  season.  In  Jamaica,  winds  left  70%  of  residents  without  electricity,  blew  roofs  off  buildings,  killed  one,  and  caused  about  $100  million  in  damage.  Sandy's  outer  bands  brought  flooding  to  Haiti,  killing  at  least  54,  causing  food  shortages  and  leaving  about  200,000  homeless;  the  hurricane  also  caused two deaths in the Dominican Republic. In Puerto Rico, one man was swept away by a swollen river.  In  Cuba,  there  was  extensive  coastal  flooding  and  wind  damage  inland,  destroying  some  15,000  homes,  killing 11 and causing $2 billion in damage. Sandy caused two deaths and damage estimated at $700 million  in  The  Bahamas.  In  Canada,  two  were  killed  in  Ontario  and  an  estimated  $100  million  in  damage  was  caused throughout Ontario and Quebec. In New York City, Governor Andrew Cuomo declared a wide state  of  emergency  and  asked  for  a  pre‐disaster  declaration  on  October  26th,  which  President  Obama  signed  later that day. Following the onslaught of the storm, over 8 million customers in New York and New Jersey  lost power, with many outages lasting weeks. Over 250 large buildings were also without power for several  weeks,  and  in  many  cases  months.  Economists  estimate  the  economic  loss  to  New  York  City  alone  to  be  around  $20  billion.    Nevertheless,  during  those  days  the  New  York  University  (NYU)  Greenwich  Village  Campus  maintained  essential  services.  How  was  this  possible?  In  2004,  the  NYU  planned  for  future  infrastructure  needs  and  identified  the  following  goals:  improve  overall  reliability,  achieve  energy  independence, maintain price stability and increase operating savings.  Through  the  adoption  of  a  CHP  plant,  the  savings  achieved  included  $5  million  annual  reduction  of  the  University's energy costs and an estimated 43,400 tonnes per year of CO2 emissions reduction4.  Among other things, and with all due respect to the victims, Sandy can serve as a further reminder of how  important energy is in our daily lives.  CHP took a front seat during hurricane Sandy, proving its critical value in supporting resilience and ensuring  reliable power and heat supply. Examples like the NYU cogeneration plant highlight the value provided by  CHP/cogeneration  during  major  weather  events.  While  the  majority  of  Manhattan  was  without  power,  most of NYU’s Greenwich Village campus had electricity, heat and hot water. NYU was able to generate its  own electricity and heat via a 15 MW cogeneration plant.  Fourth bedrock!   #reliability  CHP may prove to be of critical value in supporting resilience and ensuring reliable energy.                       

                                                        4  ‐  CHP as a Reliable Energy Model. A Case Study From NYU – International District Energy Association, 2013 

6   

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

1.4 Energy and power measurement  In order  to strengthen the conclusions coming from the  themes included here, a lot of adjectives will be  used,  but  also  (and  especially)  numbers.  Crucial  questions  will  arise:  how  much  energy  could  each  technology deliver, and at what economic costs and risks?  Of course, we cannot just say “CHP is a money  pit”  or  “We  have  a  huge  amount  of  biomasse”.  The  trouble  with  this  sort  of  language  is  that  it’s  not  sufficient  to  know  that  something  is  enough  or  not:  we  need  to  know  how  the  one  “enough”  compares  with another “enough”. To make this comparison, we need numbers, not adjectives. The unit of measure  that will be most widely used in this treatise are the kilowatt (kW) for power, and the kilowatt‐hour (kWh)  for  energy.  Maybe  a  good  way  to  explain  energy  and  power  is  by  an  analogy  with  water  and  water  flow  from taps  5. By referring to the next figure, if you want a glass of water, you actually collect a volume of  water – one litre, perhaps (if you’re thirsty and your glass is pretty capacious). When you turn on a tap, you  create a flow of water – one litre per minute, say, if the tap yields only a trickle; or 10 litres per minute,  from a more generous tap. You can get the same volume (one litre) either by running the trickling tap for  one minute, or by running the generous tap for one tenth of a minute. The volume delivered in a particular  time  is  equal  to  the  flow  multiplied  by  the  time.  A  flow  is  thus  the  rate  at  which  a  certain  volume  is  delivered.  If you know the volume delivered in a particular time, you get the flow by dividing the volume  by  the  time.  Here’s  the  connection  to  energy  and  power:  energy  is  like  water  volume,  and  power  is  like  water flow. For instance, whenever a modern kettle is switched on, it starts to consume power at a rate of  2 kW. It continues to consume 2 kW until it is switched off.  To put it another way, the kettle (if it’s left on  permanently,  but  don´t  do  it!)  consumes  2  kWh  of  energy  per  hour;  it  also  consumes  48  kWh  per  day.  Furthermore,  electrical  and  thermal  energy  will  often  be  distinguished.  Therefore,  the  electrical  kilowatt  (kWe) or kilowatt‐hour (kWhe) will be used for the former, and kWt and kWht for the latter. 

 

                                                        5  ‐  MacKay ‐ Sustainable Energy Without the Hot Air – UIT Cambridge, 2009 

7   

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

2. Basics  2.1 What is  a CHP system?  Imagine  an  oil  tanker  navigating  across  a  sea  –  e.g.  the  Mediterranean  –  heading  from  Arabia  toward  Europe for some re‐supply. How would you feel if you were told that almost three quarters of that oil is  going to be totally wasted, discarded and never ever used? You would not actually be pleased about the  amount  of  wasted  fuel.  Indeed,  a  traditional  fossil  fuel  burning  electricity  plant  has  an  efficiency  varying  between  25%  and  45%,  depending  by  the  fuel  usage  and  load  conditions.    According  to  IEA  6,  in  2010  around 70% of the world’s electricity generation was fuelled by fossil sources (coal, oil, natural gas). There  is something even worse: a typical car engine works mostly at part load, especially if it runs across a traffic  congested city.   Average efficiencies of such engines swing between 8% and 15%. These are the main problems that remain  in  the  background  of  combined  heat  and  power  concepts.  A  cogeneration  system  is  a  device  capable  of  producing electrical, mechanical and thermal energy, directly in the place in which it is installed. The term  "cogeneration"  takes  its  origin  from  the  fact  that  a  system  is  able  to  combine  thermal  energy  recovery  contingent on the electric energy production.   A  CHP  system  consists  of  a  number  of  individual  components  –  prime  mover  (an  engine,  for  instance),  generator, heat recovery system, and electrical interconnection – configured into an integrated whole. The  type of equipment that drives the overall system (i.e. the prime mover) typically identifies the CHP system.  As  it  will  be  shown  in  the  next  chapter,  prime  movers  for  CHP  systems  may  include  different  kinds  of  reciprocating engines, diverse types of turbines and new technologies like fuel cells. These prime movers  are capable of burning a variety of fuels, including natural gas, coal, oil, plus alternative fuels, to produce  shaft power or mechanical energy. The mechanical energy from the driving equipment is most often used  to drive a generator that produces electricity; but it may also be used to drive rotating equipment such as  compressors, pumps and fans. Indeed, thermal energy from a CHP system can be directly used for heating  purposes,  or  indirectly  to  produce  steam,  hot  water  or  hot  air  for  some  specific  processes.  A  further  alternative is to use heat for producing chilled water for cooling purposes.               

                                                        6  ‐  Key World Energy Statistics – IEA, 2012 

8   

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

Basic scheme of a cogeneration system. Source: BKWK. Schrift größer. Unite usw. 

 

2.2 Energy balances  The aim of any cogeneration system is to self‐produce electrical energy and recover heat from the prime  mover´s  cooling  fluids  and  exhaust  gases  and  deliver  it  to  users  linked  to  the  system.  In  respect  to  a  traditional  installation,  advantages  are  many,  from  an  energetic,  environmental  impact  and  economical  point  of  view.  In  order  to  appreciate  such  advantages,  it  is  necessary  to  compare  the  energy  balances  involved.   As commonly accepted, the efficiency of electrical energy production of traditional power plants (powered  by  fossil  fuels)  is  generally  lower  than  40%,  while  it  is  larger  than  50%  for  new  power  plants  based  on  combined  cycles.  Therefore,  from  100  units  of  energy  input  and  fuel  in  the  system,  about  40  units  of  electrical energy are produced. Even an electricity distribution grid will have an efficiency lower than 100%,  so, amongst the 100 energy units, only about 30 electrical units arrive with users. Thermal energy produced  by the system is generally wasted, except for rare cases of district heating (a technique for recovering part  of thermal energy and reusing it for distribution in a neighbouring district), and ao not used for domestic  heating or for producing domestic hot water. Conventionally, thermal energy is produced locally through a  boiler, the efficiency of which is about 90%.   In  the  case  of  cogeneration,  heat  produced  by  the  prime  mover  and  a  great  part  of  the  heat  of  the  hot  exhaust  is  recovered.  In  this  way,  the  system  efficiency  increases  up  to  global  values  of  about  85%,  as  schematically shown in the following figures.   That is, by adopting combined heat and power, only a little bit more than one tenth of our oil tanker cargo  is wasted (see 2.1). 

9   

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

  Traditional generation of heat and power, efficiencies and energy balances. Source: RENAC.   

  CHP generation, efficiencies and energy balances. Source: RENAC.       

  10  

 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

2.3 Main advantages of CHP  The main obtainable benefits when a CHP unit works properly are:    





Increased efficiency of energy conversion and use.  Lower emissions to the environment of all the main greenhouse gases.  In  some  cases,  biomass  fuels  and  some  waste  materials,  such  as  refinery  gases,  process  or  agricultural  waste,  can  be  used.  These  substances  can  easily  fuel  a  CHP  plant  and,  if  available  directly in the place where the system works, may largely increase the cost‐effectiveness, especially  by reducing the costs for fuel supply and waste disposal.  A  real  opportunity  to  develop  more  decentralized  forms  of  power  generation,  where  plants  are  designed  to  meet  the  needs  of  local  consumers,  providing  high  efficiency,  avoiding  transmission  losses and increasing flexibility in system use.  A real opportunity to increase the diversity in electricity generation and to provide competition in  the power generation market.  

  On  the  other  hand,  the  main  disadvantages  are  mainly  linked  to  accurate  sizing,  since  the  energy  production needs to match as much as possible the energy requirements: the availability of an expert and  reliable  know‐how  is  crucial.  Furthermore,  a  CHP  installation  is  generally  coupled  with  high  capital  costs  and  maintenance  efforts.  Strictly  speaking,  CHP  is  not  a  renewable  technology,  but  just  a  more  efficient  way  to  generate  energy.  Nevertheless,  a  CHP  system  easily  creates  the  basis  for  a  decentralized  energy  structure that may even be fuelled by local renewable energy sources. For instance, stationary gas engines  can  run  on  a  variety  of  fuels  which  can  include  biodiesel,  plant  oil,  biogas  or  biomass  possibly  locally  produced. If these alternative fuels are not available, a fossil fuel is used but nevertheless what is produced  is a far more efficient solution, though not renewable. It is obvious to say that, if we are going to generate  electricity,  it  is  better  to  do  it  in  the  most  efficient  way  possible.  In  essence,  CHP  can  easily  provide  the  initial framework towards a renewable energy power and heat system. 

 

A CHP unit engine based. Source: Wikimedia.   

11  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

2.4 Basic CHP schemes  Generally speaking, a CHP system can be schematized by means of two main cycles: the topping and the  bottoming cycle.  According to the next figures, in the topping cycle the electricity (or mechanical power) is produced first,  and then heat is recovered to meet the thermal loads of the facility. It is generally found in facilities which  do not have extremely high process temperature requirements. The basic Brayton and Rankine cycles work  as topping cycles.  Indeed, in the bottoming cycle the thermal energy is the main desired product and it is produced directly  from the combustion of a fuel. This energy usually takes the form of steam that supplies process heating  loads.  Process  heat  waste  is  always  present,  can  be  heat  recovered  and  used  as  an  energy  source  for  running  a  turbine,  producing  electric  or  mechanical  power.  Common  systems  that  use  this  cycle  are  industrial applications with high temperature processes such as steel reheat furnaces, clay and glass kilns  and aluminium re‐melt furnaces.   

 

The topping cycle. Source:  Energy Efficiency Indicators for Public Electricity Production from Fossil Fuels –  IEA, 2008   

 

The bottoming cycle. Source:  Energy Efficiency Indicators for Public Electricity Production from Fossil Fuels –  IEA, 2008   

12  

 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

2.5 Fuels  The choice of a proper fuel is crucial for a CHP unit. Depending on the choice of technology, a wide range of  fuels can be used. Several aspects have to be considered, like present and likely future costs, availability,  possibility of storage and transportation, energy content, emissions, etc. Identification and specification of  the  intended  fuel  is  essential  at  the  outset  and  the  system  must  be  designed  around  the  available  fuel  supply,  also  taking  into  account  any  variation  in  quality.  In  particular,  the  energy  content  of  a  fuel  is  expressed  through  its  Higher  Calorific  Value  (HCV).  This  is  the  total  amount  of  heat  per  unit  of  mass  or  volume  produced  by  the  direct  combustion  of  a  fuel  when  considered  as  totally  dried  (the  water  of  combustion is entirely condensed and the latent heat contained in the phase change from vapour to water   is recovered). Less used is the lower calorific value, where the products of combustion contain the water  vapour plus the unrecovered heat in the water vapour. As is evident, a fuel with a higher HCV will provide  more energy per unit of mass (or volume). 

Calorific value, density and emissions of the most common fuels  Fuel 

HCV (kWh/kg) 

Density (kg/m³) 

CO2 content (%) 



160‐200 

13 

Coke 

7.9 

360‐470 

13 

Wood chips (50% moisture content) 

2.4 

350 

14 

Peat (50% moisture content) 

2.5 

400 

14 

Natural gas 

13.3 

0.81 

11.7 

Hydrogen 

33.3 

0.09 



Kerosene 

11.9 

800 

12 

Fuel oil 

11.9 

840 

12 

Charcoal 

Source: http://www.erab.com/skiss/uk68.pdf  

As  already  mentioned,  it  is  not  always  possible  to  pick  the  fuel  with  the  highest  energy  content  or  the  lowest CO2 content. Diverse aspects play a role as also local availability and the costs involved have to be  taken onto consideration.          CO2 generation during the burning of fossil  energy sources, in kg CO2 per kWh of fuel  consumption. Source: ASUE. 

13  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

3.Technology  3.1 Internal combustion engine  An internal combustion engine, which is what almost all cars and trucks on the roads nowadays have, uses  a four stroke (or two stroke in some cases, but it is not common for CHP plants) process to convert fuel into  motion.    The  four  stroke  processes  of  an  engine  are:  intake,  compression,  combustion  and  exhaust.  The  operation is actually pretty similar to that of a human heart, except for the combustion part.  The intake  stroke is when the intake valve opens and the piston moves down to allow a mixture of fuel and air into the  cylinder.  When  the  piston  moves  upward  and  reduces  the  area  in  the  cylinder,  thus  compressing  the  oxygen  and  fuel  mixture  and  giving  the  explosion  from  the  ignition  power,  the  compression  stroke  is  completed. In the combustion stroke the piston reaches the top of the cylinder and the spark plug emits a  small  spark  able  to  ignite  the  oxygen  and  fuel  mixture.  This  results  in  a  little  explosion  occurring  in  the  cylinder,  which  pushes  the  piston  downward.  Once  the  piston  reaches  the  bottom  of  the  cylinder  the  exhaust stroke begins: the exhaust valve is open and the exhaust gases leave the cylinder, thus completing  the  cycle.  Internal  combustion  engines  use  traditional  spark‐ignition  engines  (as  used  in  cars  and  small  electricity generators) to provide a certain amount of power. In many CHP applications these are converted  to operate on natural gas or biofuels.  For CHP installations, at full load the electrical efficiency is typically  25‐40%, with efficiency increasing with size. The heat produced is usually hot water, rather than steam, and  they  generally  produce  1‐2  units  of  heat  for  each  unit  of  electricity,  with  the  ratio  of  heat  to  power  generally decreasing with size . Internal combustion engines for CHP are typically 70‐1500 kWe in size (but  are available up to about 5 MWe and down to 5.5 kWe) and are best suited to non‐industrial smaller sites  where most of the demand is for hot water. They are usually used in packaged CHP units, along with heat  exchangers  to  recover  heat  coming  from  the  numerous  waste  heat  sources.  These  essentially  include:  engine cooling circuit, engine exhaust gases (that provide the highest temperatures) and oil circuit 7.                 

Typical efficiency and losses              of an internal combustion engine.     Source: Schaumann, Schmitz ‐  Kraft‐Wärme ‐ Kopplung, 2010

                                                         7 ‐  Introducing Combined Heat and Power – Carbon Trust, 2010 

14  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

Example of CHP scheme with an engine as prime mover. Source: ASUE. 

3.2 Steam turbine  Steam turbines are slightly different to other CHP prime movers, as they require a separate boiler to create  a working fluid in the form of steam. In CHP applications, a boiler generates steam which is put through a  steam  turbine.  The  steam  turbine  produces  electricity  and  the  remaining  exhaust  steam  can  be  used  to  provide  energy  to  generate  hot  water  or  for  heating/cooling  purposes.    The  basic  process  behind  steam  power generation is the Rankine cycle. Water is heated in a specific boiler. The temperature and pressure  are such that the water turns into steam. The steam is then transferred to a turbine where the pressure of  the steam is reduced (usually to sub atmospheric pressures) by expansion over the blades in a condenser. If  the  turbine  is  coupled  to  a  generator,  this  process  produces  electricity.  The  exhaust  steam  is  condensed  back to a liquid. This water, referred to as return water, is mixed with new water, referred to as feed water,  and pumped back to the boiler in order to repeat the cycle. Such turbines are particularly appropriate for  CHP when steam is needed, or where the fuel available cannot be burned directly in the prime mover. They  are typically suited to large‐scale applications or where the amount of heat required is much greater than  the  amount  of  power.  Waste  heat  from  a  steam  turbine  can  be  used  for  space  heating  or  cooling  (see  trigeneration), for processes, or it can be used to create chilled or hot water. The huge steam turbines used  in large coal and nuclear power stations have average electrical efficiencies of about 36‐38%.         

15  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

But  in  CHP  applications,  where  the  steam  extraction  reduces  their  electrical  output,  they  have  typical  electrical  efficiencies  of  11‐20%.  However,  the  overall  efficiency  of  a  steam  turbine  based  CHP  system  ranges between 78‐83% 8. 

  CHP plant scheme with a steam turbine as a prime mover.  Source:  http://www.retscreen.net/ang/equipment_for_combined_heat_and_power.php                 

                                                         8 ‐  Introducing Combined Heat and Power – Carbon Trust, 2010 

16  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

3.3 Gas Turbine  The  main  elements  of  a  gas  turbine  are  a  compressor,  which  compresses  incoming  air,  a  combustion  chamber where a fuel is burned with the incoming air, and a proper turbine to convert the energy of the  hot  and  high  pressure  exhaust  gases  into  power.  The  gas  turbine  can  be  seen  as  an  internal  combustion  engine employing a continuous combustion process, instead of an intermittent one. The basic description  of  a  gas  turbine  operation  is  the  Brayton  cycle.  Incoming  air  at  ambient  conditions  is  drawn  into  the  compressor,  where  its  temperature  and  pressure  are  raised.  The  next  step  is  the  combustion  chamber,  where  the  fuel  is  burned  so  that  the  air  arrives  at  high  temperature  and  pressure.  The  resulting  exhaust  gases then enter the turbine, where expanding they move the blades, producing power. The exhaust gases  leaving the turbine are not recirculated, causing the cycle to be classified as an open cycle. Nevertheless,  there  are  some  applications  where  this  open  cycle  can  be  modelled  as  a  closed  cycle:  since  the  temperature  of the exhaust gas leaving the turbine is often considerably higher than the  temperature  of  the  air  leaving  the  compressor,  the  latter  can  be  heated  by  transferring  heat  to  it  from  the  hot  exhaust  gases. This is normally done through a proper heat exchanger, which is also known as a regenerator or a  recuperator. According to the CHP concept, heat from a gas turbine’s exhaust gases can be easily recovered  and used for space or process heating. This technology is usually employed in large‐scale schemes (larger  than  1  MWe)  although  there  are  small‐scale  turbines  of  between  80  kWe  and  100  kWe  available  as  packaged CHP systems. Their electrical efficiency ranges from around 21% for smaller turbines, to 25% for  standard turbines of around 1 MWe, and up to about 36% for very large turbines (above 100 MWe). Even if  gas turbines normally have a higher electrical efficiency than steam turbines, they require a cleaner fuel.  However, they typically have lower electrical efficiencies than internal combustion engines, but are smaller  and require less maintenance 9.                    A CHP plant scheme with a gas  turbine. Source: Enertwin. 

                                                         9 ‐  Introducing Combined Heat and Power – Carbon Trust, 2010 

17  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

 

Scheme of a gas turbine. Source: ASUE.   

3.4 Combined cycle  The combined cycle is one of the most used nowadays in power plants, and forms a hybrid which includes  the Brayton Cycle on the topping portion and a standard Rankine Cycle on the bottoming side.   The  high  temperature  exhaust  from  a  gas  turbine  is  reused  to  generate  high  pressure  steam  which  then  passes  through  a  steam  turbine  to  generate  more  power.  Clearly,  this  combination  provides  higher  efficiencies  than  single  cycles,  up  to  55%,  and  is  typically  used  in  large‐scale  power  generation.  Heat  can  still be recovered from the steam turbine cycle for further applications, exactly as in simple steam turbine  installations.   For  the  higher  efficiency  and  power  generated,  of  course  combined  cycles  are  very  attractive  from  an  economic point of view. Indeed, in the last forty years combined cycle power plants have greatly influenced  the power generation industry. Presently, about 90% of the newly constructed power plants are combined  cycle power plants.   By recovering useful heat at different stages, all the combined cycle power plants can be ideally applied for  cogeneration  to  further  enhance  their  fuel  utilisation.  Since  the  efficiency  of  the  turbines  can  drastically  decrease  if  heat  is  recovered  at  an  early  stage  (i.e.  from  the  incoming  hot  flow),  here  it  is  particularly  important to properly judge the optimal solution for providing electric power and heat. 

   

18  

 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

Scheme of a CHP plant with combined cycle (HRSG stands for: heat recovery steam generator). Source:  retscreen.   

3.5 Stirling engine  In addition to the more established types of prime mover, Stirling engine, fuel cell and ORC based CHP are  emerging in the global market, but are still under development.  The concept of this Stirling engine is fairly simple: referring to the following figure (where the 4 different  phases  are  examined),  the  engine  consists  of  a  heat  exchanger,  an  enclosed  cylinder,  two  pistons,  and  a  flywheel connecting the two pistons by a set of linkages. The main idea is that the heated gas expands the  enclosed cylinder and moves the heat piston. While the heat piston is moving, the other cold piston is also  moving and compressing the cold gas. The linked flywheel is set to motion by the connected pistons thus  converting the thermal energy captured by the air into mechanical motion. The flywheel then stores this  mechanical  energy  and  allows  the  mechanical  energy  to  be  transferred  to  the  generator  to  produce  electricity. The geometry of the linkages determines the relationship between the motion of the cold piston  and the heat piston. 

19  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

One of the advantages of a Stirling engine is its distinctive combustion process. It is external combustion  that allows the engine to run on a multitude of fuels. Essentially, anything that burns can be thrown in the  combustion  chamber  for  fuelling  a  Stirling  engine.  Nevertheless,  the  most  widely  used  fuels  still  include  gasoline, diesel, natural gas, propane and biogas. Another advantage of an external combustion chamber is  that the fuel does not have to be refined as it does for other types of engine with internal combustion. The  external  combustion  is  a  process  that  also  allows  a  complete  combustion,  resulting  in  less  unburned  hydrocarbons emitted with the exhaust gases. Concerning CHP technology, Stirling engines are one of the  most  cited  prime  movers  in  small‐  and  micro‐scale  CHP.  As  any  other  CHP  system,  even  Stirling  engine  micro CHP installations convert primary energy into electricity and heating simultaneously but, given their  size, only for residential purposes. While the energy conversion from fuel energy to electric power is done  by  a  proper  Stirling  engine,  the  heating  of  water  and  space  is  done  by  utilising  waste  through  a  conventional heat exchanger at the cold piston. The micro regime is typically designated to systems where  power generation is less than 3 kW.     

  Diagrams of a Stirling engine. Source: http://www.animatedengines.com/vstirling.html       

20  

 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

Figure 2K – Scheme of a general CHP plant with Stirling engine. Source:  http://asue.de/themen/blockheizkraftwerke/grafiken   

3.6 Fuel cell  A fuel cell is conceptually simple. The basic electrolysis reaction of water into hydrogen and oxygen through  the  application  of  an  electric  current  (2H2O  +  e‐  ‐>  2H2  +  O2)  can  be  reversed  to  produce  water  and  electricity (2H2 + O2 ‐> 2H2O + e‐). In its general form, a fuel cell consists of a porous anode and a porous  cathode. These two electrodes are separated by an electrolyte. An oxidant is fed to the cathode to supply  oxygen, while a fuel is fed to the anode to supply hydrogen. The electrolyte supports the transfer of ions  between anode and cathode to support the reverse electrolysis reaction.   Fuel cells operate with a continuous stream of air providing oxygen and a source of hydrogen (a fuel). While  pure hydrogen (H2) can be used, this is not a very convenient fuel (it is very difficult to obtain, store and  carry). In general, fossil fuels, such as methane, methanol, naphtha, coal gas and other hydrocarbons, are  chemically  broken  down  (not  burned!)  to  provide  hydrogen.  Although  the  only  output  of  reverse  electrolysis itself is water, the fact that such hydrocarbon fuels are broken down to obtain hydrogen means  that fuel cell systems generally exhaust carbon dioxide and other pollutants along with the water.   Nevertheless,  when  compared  to  other  prime  movers,  fuel  cells  are  relatively  non‐polluting,  and  are  in  principle quiet, easy to maintain  (they  have no moving parts) and with conversion efficiencies of roughly  50%. CHP systems based on fuel cells can approach overall efficiencies of up to 80%   10. Since an individual  fuel cell generates from 0.6 to 0.8 volts of electricity, a large number of them have to be stacked in a fuel  cell  system  and  connected  in  series  to  provide  a  useful  power  output.  Furthermore,  a  workable  fuel  cell 

                                                         10 ‐  http://www.vectorsite.net/tpchem_13.html 

21  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

system  always  includes:  a  power  output  subsystem  to  provide  electrical  power  at  the  proper  DC  or  AC  voltages required; and a subsystem for converting the hydrocarbons from fuels into hydrogen gas.  In order  to recover part of the heat produced, the anode and cathode may have channels to allow the distribution  of coolants, such as water. The waste heat provided by fuel cells that operate at high temperatures can be  used  for  heating.  Unfortunately,  in  many  cases  a  catalyst  is  needed  to  help  accelerate  the  reverse  electrolysis  reaction,  particularly  in  fuel  cells  that  operate  at  low  temperatures.  This  factor  turns  into  a  problem since the catalyst is made of platinum for some types of fuel cells, thus strongly influencing their  cost. 

 

Schematic drawing of a hydrogen/oxygen fuel cell. Source: http://www.baxi‐innotech.de   

22  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

Scheme of a CHP plant with fuel cells fuelled by natural gas. Source:  http://www.bios‐ bioenergy.at/en/references/all‐projects/lienz.html   

3.7 Organic rankine cycle  The Organic Rankine cycle (ORC) is the cycle behind a technology that can convert thermal energy from a  source at relative low temperatures (in the range of 80 to 350°C) to electricity. Even if the basic principles  are  similar  to  the  operation  of  a  conventional  steam  turbine  power  plant,  the  operation  at  lower  temperatures opens up the possibility to exploit lower grade heat that otherwise would be wasted. It is a  technology  that  can  play  an  important  role  in  improving  the  energy  efficiency  of  new  or  existing  energy  intensive applications, by recovering thermal energy at the lowest stages.  The problem that has led to the development of the ORC is the following: if the expansion in the turbine  goes too far, the super‐heated steam turns into wet steam, which can erode the turbine blades due to the  impact of tiny water droplets.   In a conventional steam plant, the water steam cycle is suitable for turbine inlet temperatures above 350°C.  At lower temperatures the efficiency significantly decreases and the danger of erosion due to condensation  of droplets within the turbine increases because the expansion goes too deep and part of the steam turns  into water. ORC overcomes these problems by using an organic fluid instead of water (therefore it’s called  organic  Rankine  cycle).  Organic  fluids  have  lower  boiling  temperatures  than  water,  which  make  them  suitable to explore heat potential with temperatures below 350°C. By adopting a working fluid that can be  converted into useful steam thanks to an existing source of waste heat, higher efficiencies can be achieved  than with a conventional steam cycle (similarly, as already seen, in the combined cycle the source of waste  heat was the exhaust of the gas turbine in the bottoming part of the cycle).  

23  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

In the ORC, many organic working fluids are such that the expansion in the turbine always ends within the  dry (super‐heated) region. In this way the danger of blade erosion is excluded and low maintenance costs  are assured.  In general, the ORC technique is characterized by its robustness, compact design, high ability  for automation and the comparatively high efficiency. The efficiency of the sole ORC may actually be only  around 25%, but when such a system is integrated in some industrial or CHP plants, the overall efficiency of  the whole installation can reach 85%. 

  Scheme of a CHP plant with ORC. Source: GMK.   

                   

 

24  

   

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

3.8 Heat storage  CHP  technologies  are  commonly  slow  to  respond  to  changes  in  heat  demand  and  are  not  well  suited  to  frequent turning on and off or partial operation. Whereas the prime movers technologies used in CHP can  respond relatively quickly to changing electricity requests, thermal energy response is slower and much less  capable, particularly when the CHP unit is started from cold and/or fired by solid fuels. One approach is to  use  heat  rejection  radiators  to  disperse  excess  heat  generated  during  peak  power  demand  periods.  However  this  wastes  energy  and  reduces  both  energy  savings  and  economic  benefit  of  the  plant.  A  far  better approach is to install heat accumulators which can  be used to store excess heat generated  during  periods in which electricity demand is high (and the CHP unit has to run at full load) but heat demand is  low. Such stored heat can be used as an additional supply at times of peak heat demand. This decoupling of  heat production from heat demand improves the operational flexibility of the CHP plant. Among the main  and most evident advantages, this technique enables CHP plants to operate at times when electricity tariffs  are  high  and  allows  the  cogenerated  heat  to  be  consumed  later  when  electricity  revenue  is  not  as  favourable. Heat accumulators are effectively large water tanks; as heat is absorbed the temperature of the  internal  water  rises  and  as  heat  is  extracted  the  temperature  decreases.  Hot  water  storage  tanks  are  especially used in the residential sector, where they can be easily integrated with solar energy systems, and  can generally perform within the following ranges:   Temperature: 60‐100°C   Capacity: 0.1‐6000 m³   Energy storage density: 60‐80 kWh/m³   Long duration storage only partly possible   Costs between 0.5 and 7 €/kWh (in EU)    As it is evident, the heat stored in heat accumulators is not of appropriate grade for power generation (the  temperature  is too low). The main function of heat  accumulators is to assist in balancing power demand  variations, improving significantly the ability of any CHP unit to respond to variations in heat demand and  increasing its operating hours. 

 

Heat storage tanks. Source: Buderus. 

25  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

3.9 Qualitative comparisons among prime movers  Summary of CHP technologies.   Source: U.S. Environmental Protection Agency, Combined Heat and Power Partnership – Catalogue of CHP Technologies – 2008 

Engine 

Advantages 

Gas Turbines  High reliability.  

Micro  Turbines 

Limits 

Low emissions.   High grade heat available.   No cooling required. 

Require high pressure gas or in‐house gas  compressor.   Poor efficiency at low partial loads.   Output falls as ambient temperature rises. 

Small number of moving parts.  

High costs.  

Compact size and light weight.   Low emissions.   No cooling required. 

Relatively low mechanical efficiency.   Limited to lower temperature cogeneration  applications. 

Internal  High power efficiency with part load  Combustion  operational flexibility.   Engines   Fast start‐up.   Relatively low investment cost.   Can be used in island mode and have good  load following capability.   Can be overhauled on‐site with normal  operators.  

High maintenance costs.   Limited to lower temperature cogeneration  applications.   Relatively high air emissions.   Must be cooled even if recovered heat is not  used.   High levels of low frequency noise. 

Operate on low pressure gas.  Steam  Turbines   

High overall efficiency.  

Slow start up.  

Any type of fuel may be used.   Ability to meet more than one site heat  grade requirement.   Long working life and high reliability.   Power to heat ratio can be varied. 

Low power to heat ratio. 

Combined  Cycles 

High electrical efficiency, good flexibility in  modulating electrical and thermal  efficiency. 

High costs. 

Fuel Cells 

Low emissions and low noise.  

High costs.  

High efficiency over load range.   Modular design. 

Low durability and power density.   Fuels requiring processing unless pure  hydrogen is used. 

Source: U.S. Environmental Protection Agency, Combined Heat and Power Partnership – Catalogue of CHP  Technologies – 2008   

26  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

3.10 Quantitative comparisons among prime movers  Summary of typical cost and performance characteristics by CHP technology.  Source: U.S. Environmental Protection Agency, Combined Heat and Power Partnership – Catalogue of CHP Technologies – 2008 

 

Steam  Turbines 

Int. Comb. Engines 

Gas Turbines 

Micro Turbines 

Fuel Cells 

Electrical  Efficiency 

15 – 38% 

22 – 40% 

22 – 36% 

18 – 27% 

30 – 63% 

Overall Efficiency 

80% 

70 – 80% 

70 – 75% 

65 – 75% 

55 – 80% 

Typical Capacity  (MWe) 

0.5 – 250 

0.01 – 5 

0.5 ‐ 250 

0.03 – 0.25 

0.005 – 0.2 

Typical Power‐ to‐Heat Ratio 

0.1 – 0.3 

0.5 – 1  

0.5 – 2 

0.4 – 0.7 

1 – 2 

ok 

ok 

poor 

ok 

good 

430 – 1,100 

1,100 – 2,200 

970 – 1,300 

2,400 – 3,000 

5,000 – 6,500 

O&M Costs  ($/kWhe) 

 50,000 

25,000 – 50,000 

25,000 – 50,000 

20,000 – 40,000 

32,000 – 64,000 

1 hr – 1 day 

10 sec 

10 min – 1 hr 

60 sec 

3 hr – 2 day 

Fuels 

All 

Natural gas,  biogas, propane,  landfill gas 

Natural gas,  biogas, propane,  oil 

Natural gas,  biogas, propane,  oil 

Hydrogen, natural  gas, propane,  methanol 

Noise 

High  

High  

Moderate  

Moderate  

Low 

Power Density  (kW/m²) 

> 100 

35 – 50 

20 – 500 

5 – 70 

5 – 20 

Part Load  Behaviour  CHP Installing  Costs ($/kWe) 

Start‐up Time 

             

A fuel cell unit. Source:  www.ceramicfuelcells.de 

27  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

3.11 How to pick the proper technology  Neither technology is better than the other. Instead, each has attributes that make it the most suitable for  specific  conditions  of  fuel  type  and  quality,  electric  and  heat  load  profile,  physical  space,  ambient  conditions, etc. The final choice will depend on the specific and different conditions occurring in each single  case. However, a certain procedure has to be followed, and some basic parameters considered. The main  steps are the following:  1. Identify and analyse energy consumption   Type and quality of energy sources   Temperature and pressure levels   Quantity of energy consumption: amount of energy (kWh per year), maximum power (kW),  and load profile and base load (kW)   Time structure of energy consumption  2. Pre‐selection   Compare  relevant  parameters  such  as:  specific  costs,  efficiencies,  emissions,  space  requirement   Consider availability and financial budget  3. Technical characterization of the supply options   Technical influences: part load behaviour, weather influences, etc.   Design calculation and financial calculation in detail  Tables and graphs for useful comparisons are provided. Topics like power‐to‐heat ratio appear. They will be  taken care of later (see 3.5). Such graphs provide an area of values that fit a certain technology, and can be  helpful in diverse occasions.                      Electrical vs.thermal efficiency for the main CHP prime movers. Source: Webster – Wiley Encyclopedia of  Electrical and Electronics Engineering – John Wiley & Sons, 1999 

28  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

 

Electrical efficiency vs. electrical power for the main CHP prime movers. Source: BKWK.   

4. How to size a CHP plant  4.1 Load profile I  The first step in the design of a CHP installation is to analyse the energy consumption profiles.   The  energy  profiles  are  indispensable  for  a  good  and  reliable  feasibility  study.  Typical  daily,  monthly,  or  yearly profiles of the different loads include electricity, thermal and cooling power. The main parameters to  be kept under control are:     

Peak and average demand (in kW)  Load factor (ratio between average and peak demand, in %)  Annual energy consumption (in kWh/year)  Load demand duration curves (graphs) covering different periods 

  In  particular,  load  demand  duration  curves  reveal  the  characteristics  of  a  building’s  energy  consumption.  They illustrate peak load demand and the frequency of the other demand levels in hours per year, which is  important  information  for  sizing  CHP.  Of  course,  the  more  detailed  a  load  curve  is  (say,  on  a  daily  basis  instead of annual), the better the feasibility study will become.   It is evident that diverse types of users can have very different energy profiles. For instance, while hospitals  are energy intense facilities with long operating hours and more stable and predictable load profiles than 

29  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

other buildings, commercial buildings present fuzzy profiles, fewer operating hours per year if compared to  industrial  plants  and  seasonal  variations.  Evidently,  energy  profiles  can  be  influenced  by  various  parameters, such as seasonality, geographical location, users´ behaviour and technical restrictions.  Starting from such curves, gearing the energy supply of a CHP installation to the user’s electricity and heat  (and  cold)  needs  is  a  complex  matter.  First  of  all,  the  number  of  energy  streams  differs  per  sector.  For  instance,  the  industrial  sector  often  uses  various  steam  types,  cooling  at  various  temperature  levels,  ventilation, tap water and space heating in addition to the provision of electricity. Glasshouse cultivation  mainly requires greenhouse heating, electricity and CO2, whilst office buildings need heat, electricity and  cooling.  The  desired  temperature  at  which  heat  is  to  be  provided  must  also  be  considered.  Besides  the  inventory  of  the  various  energy  streams,  it  is  also  important  to  know  the  capacity  and  exactly  when  demand occurs. Peak hours for electricity are commonly between 7:00 am and 11:00 pm on working days.  Off‐peak hours are all other hours and weekends. 

Example of electrical load daily profile. Source: RENAC. 

 

4.2 Load pofile II  A further important parameter for assessing the profitability of a CHP installation is the number of full load  hours.  The  number  of  full  load  hours  is  the  total  energy  use  expressed  in  kWh  divided  by  the  installed  capacity expressed in kW. A high number of full load hours are desirable for employing CHP, whereas a low  number  suggests  the  installation  is  used  for  only  part  of  the  year.  Thus,  CHP  turns  out  to  be  particularly  suitable  for  shopping  malls,  offices,  and  housing  projects  only  if  their  scale  is  large  enough  [2].  In  the  diagrams  the  capacity  (the  vertical  axis)  is  plotted  against  the  number  of  hours  by  which  this  capacity  is  exceeded. The surface area in the diagram (kW times hours) is an indication for the energy demand. For  example,  as  it  is  evident  from  the  diagram,  offices  are  not  characterized  by  a  large  number  of  operation 

30  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

hours,  so  that  here  CHP  installations  can  only  be  successfully  implemented  if  properly  dimensioned  and  ingeniously  combined.  Based  on  curves  like  these,  rules  of  thumb  can  always  be  used  for  a  preliminary  estimate of the most efficient capacity.  Each load duration curve is unique and major differences can be  seen also within the same sectors. Therefore, hourly energy consumption data must always be requested  or measured before assessing feasibility. In principle, two situations can be distinguished:   

Buildings  for  which  historical  annual  consumption  data  are  available:  consumption  in  existing  buildings has usually been established over a number of years, and users see this information on  their annual energy statement. Energy data can come from a range of sources: heat demand can  come from metered fuel use or other existing heat meters, and electricity demand from monthly  bills.  Quarter  hourly  electricity  demand  data  can  be  obtained  from  the  building’s  electricity  supplier. 

    

New buildings for which no energy consumption data are available: users of new buildings do not  have annual data at their disposal and must therefore make a rough estimate of their annual   consumption (through calculations or benchmarks, see exercises in §4), and normally energy saving  measures are already incorporated in the new buildings. Building simulation software can provide a  valuable tool in establishing likely heat demand profiles. Electricity demands are usually easier to  determine through monitoring main utility meters.                 Reliable energy demand profiles have proved to best come from detailed data gathering 11. 

                                                         11 ‐  Heat and Power. Combined Heat and Power: An Overview and Guideline – GasTerra, 2010 

31  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

Example of load duration curves for different energy uses in some sectors. Source: Ruan, Liu, Zhou,  Firestone, Gao, Watanabe – Optimal option of distributed generation technologies for various  commercial buildings – Applied Energy 86, 1641–1653, 2009      Energy Curves  The duration curves show the load demand characteristics of the energy consumption of the building. They show  the burden of peak demand and each range level of demand with the number of hours per year; this information  is important in making the decision of the ability of a CHP.               

32  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

4.3 Sizing approaches  The  capital  investment  in  CHP  plant  may  be  substantial,  so  it  is  important  to  run  systems  to  achieve  maximum returns. Idle plant accrues no benefits, so it is important that a CHP system operates for as many  hours as possible. Basically, this means matching CHP capacity to base heat and power loads. As a rule of  thumb, applications which have a simultaneous demand for heat and power for more than 5,000 hours per  year will be worth investigating in detail [1]. According to the energy profiles, different sizing approaches  can be adopted. The 3 main sizing criteria are:    1. Sizing based on minimum internal thermal and electric loads. The system is designed for maximum  operating hours at full load. All electricity requirements exceeding the design production are met  with  purchased  power.  The  purchasing  price  of  electricity  is  typically  relatively  low,  and  it  is  not  convenient to sell a certain amount of electrical power back to the grid.                                                     Sizing based on minimum internal thermal and electric daily loads. Source: RENAC.     

33  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

      2. Sizing  based  on  thermal  load  and  selling  excess  electrical  output.  In  these  facilities,  production  follows thermal demand; in this way the CHP system can provide thermally efficient generation and  more/less electrical power than the facility requires (depending on the time). The larger  capacity  system  generally  results  in  lower  capital  and  maintenance  costs  per  installed  kW  and  greater  thermal fuel efficiency. The price of the fuel is relatively low, and it is convenient to sell the surplus  electricity back to the grid.                                                     Sizing based on thermal daily load and selling excess electrical output. Source: RENAC.                   

34  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

3. Sizing to maximize electric production. In some cases, these systems are designed to provide just  enough thermal output to the process. These are often combined‐cycle plants in special industrial  sectors, with some type of fixed or variable steam extraction pressure and flow rate.                                              Sizing based on electrical daily load to maximize electric production. Source: RENAC.   

4.4 An example of CHP sizing  Let´s  consider  an  example  of  CHP  sizing  [1].  We  use  daily  load  profiles  for  both  electrical  and  thermal  demand.  In  the  next  figures  it  is  shown  how  the  CHP  unit  output  (green  line)  would  interact  with  the  demand curve, the red curve standing for the thermal load and the violet curve for the electrical load. In  particular, in the first figure the behaviour of a CHP unit whose output is 500 kWt and 300 kWe is shown.  The  machine  runs  continually  after  it  switches  on  at  7:00  am.  In  some  hours  of  the  day,  there  will  be  a  surplus of heat generation, as it is evident from the left side of the figure. If the machine does not modulate  its output,  heat will be rejected during the afternoon because  there is not enough heat  demand. On the  other hand, electricity surplus is not expected. Indeed, users will have to buy further electrical energy from  the public grid in order to match that which is not covered by the CHP system. Indeed, in the second figure  the behaviour of the same CHP unit is shown, but now the machine often works at partial  

35  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

load and switches on and off several times during mid‐afternoon, in order to follow the heat demand and  not  to  waste  further  heat.  Due  to  the  new  CHP  output,  the  amount  of  electricity  to  be  bought  from  the  public grid is even larger than in the previous case.  In the absence of crucial information, it is extremely  hard to say whether the first or the second solution will perform better. Among other things, there is an  essential dependence upon the type and the price of the fuels involved, the price of electricity and the type  of CHP unit, since some prime movers, like turbines, cannot switch on and off so easily.   

  Load profiles and CHP output if the unit runs continually from 7:00 am. Source: Good Practice Guide.  Combined heat and power for buildings – Action Energy, 2004                   

36  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

  Load profiles and CHP output if the unit switches off during the day. Source: Good Practice Guide. Combined  heat and power for buildings – Action Energy, 2004 

 

37  

 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

4.5 The power‐to‐heat ratio  In order to select and size the proper technology, it is also essential to correlate the electrical and thermal  (both heating and cooling) demand, assessed with:  

Power‐to‐heat ratio, defined as the ratio of useful electrical energy production (or demand) to that  of thermal energy production (or demand)  Frequency distribution of power‐to‐heat ratios 

   Referring  to  the  first  figure,  in  most  of  the  cases  a  very  high  power‐to‐heat  ratio  indicates  limited  cogeneration application potential (even if some compromise solutions are still possible). A high power‐to‐ heat  ratio  indicates  suitability  for  a  system  with  relatively  low  thermal  efficiency  or  an  application  that  features  exportation  of  on‐site  generated  power.  A  low  power‐to‐heat  ratio  indicates  suitability  for  a  system with a higher thermal efficiency. Moreover, the power‐to‐heat ratio may help to pick the optimal  technologies for running a CHP unit on the basis of existing plants or other previous experiences                       

          Typical power‐to‐heat ratios for diverse sectors. Source: Cogen Designs, Inc. 

38  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

Typical power‐to‐heat ratios for diverse technologies. Source: Webster – Wiley Encyclopedia of  Electrical and Electronics Engineering – John Wiley & Sons, 1999     

 

39  

 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

5. Micro/mini CHP  5.1 CHP sizes  In  total  analogy  to  general  CHP,  micro/mini  combined  heat  and  power  (referred  to  as  mCHP)  is  a  technology  that  mixes  conventional  small‐scale  electricity  generation  and  heat  recovery,  since  the  waste  heat  from  cooling  the  prime  mover  and  from  the  exhaust  flue  is  harvested  and  used  to  heat  space  and  water. However, unlike general CHP, here the main output is heat, and electricity is only generated when  heat is needed.  The two main prime movers for mCHP commercially available are the Stirling engine and  the  internal  combustion  engine,  although  also  fuel  cells,  especially  in  Japan,  are  widely  used.  The  typical  ratio of heat and electricity production from a domestic scale CHP is 2:1. Even if there is nothing new to say  about the idea and the technology behind mCHP, it is worth to dedicate a separate chapter to this topic,  referring to the crucial role that mCHP plays in managing smart grids and virtual power plants.  In order to better contextualize mCHP, the commonly accepted framework for CHP sizes is presented:    



Micro CHP (up to 5 kWe): fuelled mostly by natural gas; use especially Stirling and fuel cells; can be  applied for residential or small commercial buildings.  Mini  CHP  (10‐50  kWe):  based  mostly  on  combustion  engines  (gas  or  heating/plant  oil)  and  micro  turbines (30 kWe); can be applied for commercial enterprises, swimming pools, apartment blocks.  Small  CHP  (50‐200  kWe):  based  mostly  on  combustion  engines  (gas  or  heating/plant  oil),  micro  turbines (60‐200 kWe) and steam engines; are often used in modular arrangement (e.g. base load  CHP plant plus 2 peak load boilers).  Medium  CHP  (200  ‐1000  kWe):  based  mostly  on  combustion  engines  (gas  or  heating/plant  oil),  small gas turbines (typically 500 kWe) and steam engines (often propelled with solid fuels as wood,  etc.). 

Large CHP (more than 1 MWe): based mostly on gas/steam turbines and large combustion engines (marine  diesel).                CHP unit in Monheim (GE), 2MWe, natural gas fired engine.  Source: RENAC. 

40  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

5.2 mCHP concept and advantages  When we talk about mCHP, we refer to the scale installed in domestic properties. Micro/mini CHP systems  should always be installed and run to meet the heating needs of the building, rather than to generate more  heat than is needed just to meet electricity demand. These systems are most suitable in a building where  heat  demand  is  quite  high  and  consistent,  for  example  very  poorly  insulated  properties  which  cannot  be  improved using available technology. But these kinds of CHP installations may easily meet the needs of new  or  existing  buildings.  Most  of  the  time  it  is  possible  to  integrate  them  within  an  existing  heating  system,  enabling existing boilers to meet the peak loads.   mCHP  systems  work  as  a  supplement  to  installations  based  on  renewable  energies,  when  the  sun  stops  shining or when the wind stops blowing, the energy demand can still be met with a low‐carbon technology  operating locally, like mCHP.  “Citizens who use micro CHP are saving energy, reducing pressure and energy losses on the local electricity  network. In the end they are helping balance the intermittency of renewable electricity” 12.  Micro/mini CHP, like general CHP, provides thus the following key benefits:       

Supply of both heat and electricity from a single energy source.  Reduction of pollutants emissions by increasing the efficiency (and therefore reducing the losses)  of the generation plant.  Economic  savings  generated  by  reducing  the  amount  of  imported  electricity  and  by  selling  the  surplus  of  electricity  back  to  the  grid  (though  this  latter  operation  is  not  always  possible  or  convenient). Concretely this means lower energy bills for energy customers. 

  Security  of  supply  is  greatly  enhanced  by  reducing  reliance  on  centralised  power  production  and  by  obtaining full control of a local production station.               

                                                         12 ‐  Micro CHP: Empowering People Today For a Smarter Future Tomorrow – COGEN Europe, 2010 

41  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

A scheme of an mCHP plant for domestic use.  Source:http://www.energysavingtrust.org.uk/blog/2013/02/20/maximising‐micro‐machines   

5.3 Smart grids and virtual power plants  CHP systems are usually connected to the national distribution network, in order to buy public electricity  when the unit does not cover the entire power load, or to sell surplus power when necessary.  All these  new connections represent crucial developments that imply a shift away from traditional power grids, with  their  hierarchical  top‐down  structure,  towards  more  diffuse  bi‐directional  networks  capable  of  accommodating major fluctuations in both supply and demand.  Energy companies, network operators and  governments consequently must expect to face a variety of new social, technical and economic challenges.  Important questions arise: how can the demand for electricity be met without compromising comfort and  convenience, cost‐efficiency or security of supply? What is the best combination of technologies? Can local  network  overloads  be  prevented  by  using  smart  standardized  techniques?  Satisfying  answers  cannot  be  found  without  rethinking  and  rearranging  the  entire  operation  of  the  national  grid  and  implementing  intelligent solutions throughout including the parts  of the grid  that go inside users´ homes.  There is  talk  about a “smart grid” when all the limits of an old electricity grid are overtaken and where IT (information  technology) forms an essential control mechanism, matching supply and demand in the most economical  way.   

42  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

A  smart  grid  generally  refers  to  a  class  of  technologies  upgrading  electricity  delivery  systems,  using  computer  based  remote  control  and  automation.    Generally  speaking,  a  smart  grid,  besides  providing  systems for energy storage and distribution, is characterized by:    

Devices for fully monitoring demand response and consumer energy efficiency   Advanced metering infrastructure   Systems for improving communication throughout the network and its security 

It is evident how mCHP is a key component of an emerging smarter energy environment and a player in the  massive  development  of  smart  grids.  Providing  a  vast  number  of  decentralized  and  technologically  advanced  power  stations  connected  to  a  single  national  grid,  such  systems  may  balance  the  inherent  intermittency  of  some  renewable  sources,  but  they  could  also  help  the  grid  to  cope  with  any  capacity  constraint. mCHP plants can definitely be considered as a highly reliable electricity generation solution. A  clustering of distributed mCHP units controlled and remotely operated by a central entity allowing power  generation  to  be  modulated  in  reference  to  the  instantaneous  demand  is  also  known  as  “virtual  power  plants”. 

  Traditional grid. Source: Introduction to Smart Grid – Department of Electrical & Computer Engineering,  Texas Tech University, 2012 

43  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

                      A smart grid. Source: Introduction to Smart Grid – Department of Electrical & Computer Engineering, Texas  Tech University, 2012   

                    Scheme of an mCHP virtual power  plant. Source: The Role of Micro CHP in a Smart Energy World –  Ecuity, 2013 

44  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

6. Trigeneration  6.1 What is trigeneration?  A  cogeneration  system  is  efficient  when  thermal  users  are  present  and  when  thermal  and  electrical  demand is simultaneous. Cogeneration plants used for the domestic or tertiary sector only work efficiently  during a limited period of the year, when buildings heating is necessary. That means that during warmer  months  the  cogeneration  system  has  to  be  arrested  or  kept  working,  wasting  the  heat  produced;  both  these  conditions  are  to  the  detriment  of  economic  feasibility  and  global  efficiency  of  the  installation.  Indeed, during summer periods consumers usually demand cooling energy (i.e. fluids at a low temperature)  for  a  building’s  air‐conditioning.  Such  cooling  fluids  are  usually  provided  by  using  vapour  compression  refrigeration cycles, through systems in which a compressor is activated by an electrical engine, with high  absorption  of  electrical  energy.  This  is  the  reason  why  during  warmer  summer  days  the  highest  levels  of  electrical  energy  consumption  are  reached,  bringing  national  electrical  systems  close  to  the  blackout  threshold  in  many  countries.  Absorption  refrigeration  systems  are  commercially  available,  and  make  it  possible to generate cooling energy by using heat as a primary energy source, instead of electricity. Such  systems  certainly  embrace  a  cogeneration  system,  as  they  make  it  possible  to  use  an  installation  even  during summer months; the thermal energy produced by the cogeneration unit can be used for activating  the  refrigeration  system.  And  in  this  case  we  talk  about  "trigeneration".  A  trigeneration  system  is  an  installation  able  to  produce  three  distinct  useful  energy  forms  –  electrical,  thermal  and  cooling  energy.  Trigeneration  systems  are  based  on  the  same  engine  installations  used  for  cogeneration,  but  the  temperature of the hot fluid that has to be provided to the absorption machine needs to be at least 90°C  for a single effect machine.  Generally speaking, there are actually two basic refrigeration techniques most  commonly used for CHP systems:  

Vapour‐compression chillers: indirect, electrical activating power 



Vapour‐absorption chillers: operation with hot water or steam, direct heating through combustion            The idea of trigeneration with    absorption chillers. Source:  http://esisrl.eu/demoeng/index.php?op   tion=com_content&view=article&id=16 &Itemid=119

45  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

6.2 Compression chillers  The operation of a compression chiller is based upon the standard vapour compression refrigeration cycle.  The elements of the basic system are: condenser, evaporator, valve (restrictor) and compressor (driven by  electricity).  Referring  to  the  first  figure,  let´s  start  from  the  evaporator,  where  a  refrigerant  substance  enters in the form of a cold and low pressure mixture of liquid and vapour. A certain amount of heat (Q0) is  transferred from a relatively warm source to the refrigerant, causing the latter to boil. The resulting vapour  moves  then  from  the  evaporator  to  the  compressor,  driven  by  electricity  (P),  where  its  pressure  and  temperature  increase.  This  hot,  high  pressure  refrigerant  vapour  leaves  the  compressor  and  enters  the  condenser, where it transfers a part of its heat (Q) to ambient air or water at a lower temperature. As a  result  of  such  transfer,  the  refrigerant  vapour  condenses  into  a  liquid  again.  This  liquid  refrigerant  then  flows to an expansion valve, which creates a pressure drop that brings the pressure of the refrigerant back  to that of the evaporator. At this low pressure, a small portion of the refrigerant boils (or flashes), cooling  the  remaining  liquid  refrigerant  to  the  desired  evaporator  temperature.  With  the  adjacent  phase  of  evaporation a certain amount of heat (Q0) can be collected and expelled from a certain ambient. The cycle  then restarts. In CHP units, compression chillers operate in electrical bottoming cooling production mode:  the compressor is powered by the electricity produced by the cogeneration unit.   

    Scheme of the vapour compression cycle. Source: RENAC.   

46  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

A trigeneration system with compression chiller (COP = 3 in this case). Source: RENAC.   

6.3 Absorption chillers  Similar to the vapour compression cycle, a refrigerant in the absorption cycle flows through a condenser,  expansion  valve  and  an  evaporator.  What  is  really  different  in  the  absorption  cycle  are  the  kind  of  refrigerants used and the method of its compression. In fact, absorption refrigeration systems replace the  compressor with a generator and an absorber (driven not by electricity but thermal energy). Referring to  the first figure, refrigerant enters the evaporator in the form of a cool, low pressure mixture of liquid and  vapour. Heat (Q0) is transferred from a relatively warm external source, is cooled at the refrigerant, causing  the  liquid  refrigerant  to  evaporate.  Using  an  analogy  of  the  vapour  compression  cycle,  the  absorber  acts  like the suction side of the compressor: it draws in the refrigerant vapour to mix with the absorbent. The  pump performs the compression process itself: it pushes the mixture of refrigerant and absorbent up to the  high  pressure  side  of  the  system.  Eventually,  the  generator  acts  like  the  discharge  of  the  compressor:  it  delivers the refrigerant vapour (produced by using  a certain amount of heat  QH coming from an external  source) to the rest of the system. The refrigerant vapour leaving the generator then enters the condenser,  where  heat  (Q)  is  transferred  to  an  external  heat  sink  at  a  lower  temperature,  causing  the  refrigerant  vapour  to  condense  into  a  liquid.  The  liquid  refrigerant  then  flows  to  the  expansion  device  (restrictor),  which creates a pressure drop reducing the pressure of the refrigerant to that of the evaporator. Just as for  compression chillers, the refrigerant evaporates and through this phase in the evaporator a certain amount  of heat (Q0) is collected and expelled from a certain ambient that is to be cooled. The resulting mixture of  liquid and vapour refrigerant travels to the evaporator to repeat the cycle. In CHP units, absorption chillers  operate in thermal bottoming cooling production mode: the cooling side is powered by the thermal power  produced by the cogeneration unit. This is the classic case of trigeneration as known from literature and as  can be seen in most installations.   

47  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

        Scheme of the absorption cycle.  Source: RENAC.                 

 

An example of a trigeneration system with absorption chiller. Source: RENAC.         

48  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

6.4 Comparisons  Summary: comparison between electric and absorption chillers.   Item 

Electric Chiller 

Absorption Chiller 

Energy Source 

High electricity. 

Gas, oil, steam, hot water. 

Expensive power receiving facility. 

Small electricity. 

Refrigerant: CFCs, HCFCs, HFC. 

Refrigerant: H2O, ammonia  endangering humans and  animals.  Safe and harmless. 

Refrigerant 

Environmental pollution. 

Principle 

Dynamic process.  Noise and vibration. 

COP 

≈ 4 

Energy Efficiency 

≈ 20 % 

Static process.  Low noise and vibration.  0.7 – 1.2  14 – 20 % 

  Source: http://www.scielo.org.co/scielo.php?pid=S0012‐73532011000400010&script=sci_arttext 

Similarities of absorption and vapour compression refrigeration:    

 

Both cycles circulate a refrigerant inside the chiller to transfer heat from an internal source to an  external sink.  Both cycles include a device to increase the pressure of the refrigerant and an expansion device to  maintain  certain  pressure  conditions  which  are  critical  to  ensure  controlled  evaporation  and  condensation, which is critical to the overall heat transfer process.   Refrigerant  vapour  is  condensed  at  high  pressure  and  temperature,  rejecting  heat  to  the  surroundings.  Refrigerant vapour is vaporized at low pressure and temperature, absorbing heat from an internal  ambient or fluid. 

  Differences between:   



 

49  

The  absorption  systems  are  powered  by  heat  energy  in  the  form  of  steam,  direct  fuel  firing  or  waste heat.   The  absorption  cycle  uses  a  pump,  not  a  compressor,  to  create  the  pressure  rise  between  evaporator and condenser. Pumping a liquid is much easier and cheaper than compressing a gas.  However,  there  is  a  large  heat  input  in  the  generator.  So,  the  system  basically  replaces  the  electrical input of a vapour‐compression cycle with a heat input.   The  absorption  cycle  uses  different  refrigerants,  for  example  lithium  bromide,  and  absorption  system  uses  distilled  water,  which  is  harmless,  or  ammonia  which  is  dangerous  for  human  and  animal life,  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  



as the refrigerant. The vapour compression refrigeration cycle generally uses more dangerous fluids  (such  as  HCFCs)  as  the  refrigerant  with  attached  environmental  hazards,  like  ozone  depletion  or  global warming potential.   Compared  to  compression  chillers,  absorption  systems  contain  very  few  moving  parts,  offer  less  noise and vibration, are compact for large capacities and require little maintenance.  

Compared with electrical chillers, absorption systems have a low coefficient of performance (COP = chiller  load/work input). However, absorption chillers can substantially reduce operating costs because they can  be powered by low‐grade waste heat. The COP of an absorption chiller is not sensitive to load variations  and does not reduce significantly at part loads.       

                                              An absorption chiller. Source: www.colibri‐bv.com           

50  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

7. District heating and cooling  7.1 Main concept  District heating and cooling is a technological concept comprising infrastructure for delivering heating and  cooling  services  to  customers.  The  basics  are  similar  to  those  of  CHP  and  trigeneration:  the  fundamental  idea is to use local heat and fuel sources that under normal circumstances would be lost or remain unused.  Once again this comprises a flexible infrastructure that is able to integrate a wide range of traditional and  renewable  energy  sources.  Heat  and  cold  are  delivered  directly  to  consumers,  and  because  of  this  no  boilers and burning flames are needed inside users’ buildings. Individual substations for delivering thermal  energy (heat exchangers) are small and silent, which is much more convenient than the conventional CHP  solutions  requiring  individual  heating  and  cooling  equipment  in  each  building.  Particularly  in  the  case  of  district  cooling,  the  aesthetics  of  buildings  can  be  enhanced  as  air  conditioners  are  eliminated  from  façades,  saving  valuable  commercial  space.  Since  benefits  are  most  apparent  in  areas  with  high  energy  demands,  district  heating  and  cooling  represent  the  most  suitable  energy  solutions  for  satisfying  urban  heat and cold demands. But energy demands from industry and intensive agriculture are also quite suitable  for this technological concept. The most important aspect is probably that district heating and cooling can  reduce potentially unstable dependency on energy imports by reducing the overall need for primary energy  and by replacing imported energy with local resources. As practically any type of fuel or energy source can  be  utilised,  a  relatively  quick  switch  to  other  fuel  sources  can  be  achieved:  imported  energy  can  be  substituted with local resources, e.g. biomass. The district cooling market has emerged quite recently and is  consequently less developed than the district heating market. It has, however, grown fast within the last  decade. To get an idea, there are more than 5,000 district heating systems in Europe currently supplying  more than 9% of total European heat demands with an annual turnover of €19.5 billion and 556 TWh of  heat  sales  .  Nowadays,  Europe  is  once  again  leading  the  world  in  district  energy  technology.  Increased  interest for such solutions is particular in the Middle East, Asia and North America 13. 

 

District Heating Plant in Köln (GE), serving 80,000 homes. Source: Rheinenergie AG. 

                                                         13 ‐  District Heating and Cooling – A Vision toward 2020, 2030, 2050 – DHC, 2009 

51  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

7.2 District heating (DH)  DH  refers  to  a  system  where  a  number  of  buildings  or  dwellings  are  heated  from  a  central  source.  The  heating  fluid  is  conventionally  water,  distributed  through  a  double  pipe  network  and  then  transferred  to  buildings for use in space heating, hot water generation and process heating. Often, DH systems cover large  areas  and  are  very  complex  systems  serving  many  stations  and  thousands  of  consumers.  A  system  may  include more than one CHP plant.  A DH system has three main elements: the heat producing station, the  distribution  system  and  the  customer  interfaces.  In  large  systems,  the  distribution  system  may  be  separated in a transmission and a distribution system. The transmission part is responsible for transporting  large amounts of heat energy over long distances, and a dedicated distribution system serves each building  connected to the system. A transmission system may serve an entire region and cover several distribution  systems in different towns. In more detail, when compared to owning and operating an own on‐site boiler,  conversion to DH can benefit the user through many further advantages:    

Building space can be used more productively.  The customer interface requires far less floor space  as required by a conventional system (boiler station for example).  



DH  is  a  more  convenient  way  to  heat  a  building  because  it  eliminates  the  need  to  operate  and  maintain a conventional boiler plant. This results in savings in staff, administration, electricity and  supply  costs.  In  larger  buildings  (industrial  or  agricultural  sector),  the  savings  in  staff  can  be  significant. 



Since  users  usually  pay  only  for  the  heat  that  is  actually  used,  they  do  not  have  to  pay  for  the  inefficiency  of  the  system.  Conventional  boilers  are  often  quoted  at  having  efficiency  well  above  80%.  Cyclical  firing,  under  part  load  conditions,  means  that  realistic  efficiencies  are  somewhat  lower.  Global  efficiencies  on  a  yearly  basis,  within  a  range  of  45‐65%,  are  not  unusual.  Such  inefficiencies of individual boilers can entail significant costs for users. 



The combined generation of heat and power substantially reduces fuel consumption. 



A  building’s  appearance  can  be  improved  because  no  flue  or  chimney  is  required.  Also,  the  DH  operator takes responsibility for the control of any air emissions. 

 

 

   

           

52  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

 

 

Scheme of a DH network. Source: RENAC.  References:  [1] District Heating and Cooling – A Vision toward 2020, 2030, 2050 – DHC, 2009  [2] Skagestad, Mildenstein – District Heating and Cooling Connection Handbook – IEA   

             

53  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

7.3 District cooling (DC)  In  complete  analogy  to  DH,  DC  comprises  a  system  in  which  chilled  water  is  distributed  in  pipes  from  a  central cooling plant to buildings for space cooling and process cooling. A district cooling system contains  three major elements: the cooling source, a distribution system and customer installations, also referred to  as  energy,  or  heat,  transfer  stations.  Chilled  water  is  the  typical  energy  carrier,  and  is  generated  at  the  district  cooling  plant  by  compressor  or  absorption  chillers.  District  chilled  water  is  distributed  from  the  cooling  sources  to  the  customers  through  supply  pipes  and  is  returned  after  extracting  heat  from  the  building’s  secondary  chilled  water  systems.  Pumps  distribute  the  chilled  water  by  creating  a  pressure  differential between the supply and return lines.    Among the main advantages:  

If  a  building  owner  is  allowed  to  eliminate  an  on‐site  chiller,  s/he  no  longer  needs  to  purchase  utilities, operate and maintain the system, and replace components at the end of their life cycles.  As for DH, because of the higher efficiencies that district cooling systems provide and their ability  to  utilise  inexpensive  or  waste  energy  sources,  the  building  owners  can  expect  more  stability  in  their energy costs into the future.    For  new  buildings,  the  overall  capital  costs  are  reduced,  because  the  cost  of  the  chiller  room  is  eliminated.  A DC system also provides significant benefits to the municipalities where they are built. The most obvious  benefit  to  the  municipality  is  the  significant  amount  of  infrastructure  that  will  be  added,  enabling  a  sustainable and reliable provision of energy. A benefit that is often overlooked is the ability of a DC system  to capture cash flows that were previously leaving the community. Typically, energy expenditures leave the  community to pay for the natural gas and electricity that is imported. A DC (but even DH) system service  expands  the  opportunities  of  using  local  energy  sources  like  CHP  to  keep  more  of  the  money,  currently  being spent for imported energy, circulating within the community.                   

54  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

  Scheme of a DC network. Source: RENAC. 

References:  [1] District Heating and Cooling – A Vision toward 2020, 2030, 2050 – DHC, 2009  [2] Skagestad, Mildenstein – District Heating and Cooling Connection Handbook – IEA         

 

55  

 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

8. CHP and RES coupling  8.1 Reneweable sources available for CHP  Energy  from  renewable  sources  (RES)  plays  a  vital  role  in  the  mitigation  of  greenhouse  gas  emissions.  Moreover, it has several other well recognised benefits such as improved security of supply, contributing to  improve air quality and creating new jobs and businesses – many of them able to revitalize industry and to  improve  local  living  standards  in  rural  areas.    But  how  can  a  CHP  approach  benefit  renewable  energy  sources? CHP is a valid approach for all fuel sources that use thermal electricity production. Hence the CHP  principle  can  be  applied  to  bioenergy  and,  very  rarely  but  with  growing  interest,  concentrating  solar  and  geothermal. The main CHP and RES coupling applications are:    

Biomass  for heat  production.  Combustion  of  solid  biomass  (wood  derived)  for  heat  production  is  the main CHP bioenergy route in the world, and has proven to be an important factor for improving  efficiency  and  reducing  pollutant  emissions.  Firewood,  pellets,  wood  waste  and  garbage  derived  fuels are typically burned. Heat produced on a medium or large‐scale system through cogeneration  can also be used to generate steam for industrial processes or to supply heating to networks.  



Biogas fuelled applications. Biogas production through anaerobic digestion (either via conversion of  bioenergy  or  capture  from  garbage  in  landfills)  is  growing.  Drawn  by  EU  legislation,  for  instance,  many small‐medium sized CHP are now operating on biogas. Biogas, like any other biomass derived  fuel, produces no net carbon emissions.  

 

  Biofuel  fuelled  applications.  Today  biofuels  are  made  from  biomass  such  as  vegetable  oils.  Among  these,  the  most  important  are  bioethanol  and  biodiesel  and  it  seems  that  biodiesel  could  become  price  competitive in the future.                 

56  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

  The Piesteritz (GE) biomass combustion plant. Source: Econcern.  References:  [1] Sustainable Bioenergy Development in UEMOA Member Countries – 2008  [2] Biomass for Power Generation and CHP – IEA, 2007  [3] Biomass Heating, a Practical Guide for Potential Users – Carbon Trust, 2009  [4] Planning and Installing Bioenergy Systems – DGS, 2005   

8.2 Major advantages  The major drivers for implementing a biomass/biofuel heating systems are as follows:     



   

57  

Significant  carbon  savings.  Producing  no  net  carbon  emissions,  biomass  fired  systems  can  play  a  major role in reducing carbon footprints. In many industrialized countries, many organisations now  have  commitments  or  requirements  to  reduce  their  overall  emissions  and  improve  their  environmental performance. Biomass can significantly help to meet such requirements.  Operational  cost  savings.  The  costs  of  biomass  fuels,  if  considered  as  cost  per  kWh,  are  typically  lower than that of common fossil fuels, especially if the source is locally available. The amount of  savings depends on the price of the fossil fuel being replaced and the cost of the biomass fuel used.  In  those  cases  when  biomass  is  directly  available  in  the  place  where  a  CHP  plant  is  installed,  the  supply cost  may even be null, and also costs for disposal are drastically cut.  In fact, using certain  biomass  resources  as  fuels  can  divert  them  from  becoming  wastes  and  being  sent  to  landfill.  Disposing of such wastes normally has a considerable associated cost. 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  



Reduced  fuel  price  volatility.  Security  of  energy  supply  is  a  recurrent  concern  when  dealing  with  fossil  fuels;  geopolitical  instabilities  in  oil  and  gas  producing  regions  can  threaten  availability  and  lead to unexpected price changes. While biomass fuels will be subject to changes in price over time,  these  are  likely  to  be  less  extreme  than  those  occurring  with  fossil  fuels  and  may  also  be  more  manageable and predictable if the biomass is sourced locally. 

  A small biogas plant for domestic purposes in India. Source: ADATS.    References:  [1] Sustainable Bioenergy Development in UEMOA Member Countries – 2008  [2] Biomass for Power Generation and CHP – IEA, 2007  [3] Biomass Heating, a Practical Guide for Potential Users – Carbon Trust, 2009  [4] Planning and Installing Bioenergy Systems – DGS, 2005   

8.3 Main aspects of biomass fired CHP plants  Generally  speaking,  when  considering  all  the  types  of  biomass,  including  biogas  and  biofuels,  there  are  three basic configurations of biomass fired CHP plants that can be realised:     

 

58  

Biomass co‐fired in existing boilers. Particularly in the industrial sector, with a CHP unit based on a  steam turbine or a combined cycle where boilers respecting the levels of temperature and pressure  requested already exist, it is usually not cost‐effective to install new biomass fired boilers with the  same output, unless a large steam addition is foreseen for further processes. Moreover, in several  cases it may be technically difficult to combine the new equipment that biomass requires with the  existing  installations.  These  include  new  fuel  handling  facilities  (receipt,  storage  and  preparation)  and several modifications to furnaces to allow for the different characteristics of the chosen range  of biomass fuels. 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  



Biomass  co‐fired  in  a  new  boiler.  Remaining  in  the  industrial  sector,  the  possibility  of  installing  a  new,  free‐standing  biomass  fired  boiler  can  offer  the  benefits  of  fuel‐specific  design  and  an  independent operation of both the traditional and biomass boilers. In this case, the technical issues  associated  with  connecting  a  new  steam  supply  to  an  existing  system  are  much  reduced  but,  of  course,  the  costs  of  this  option  are  substantially  greater,  since  the  boiler  is  the  main  cost  in  a  biomass fired scheme [22].   Biomass fired new plant. It is evident that this option offers the greatest flexibility and opportunity  for fuel‐specific design, and maximises the improvements in supply reliability. Any technology can  be  chosen,  according  with  the  characteristic  of  the  particular  situation.  However,  a  new  plant  evidently comes at the greatest capital cost and complexity.   Biogas/biofuels co‐fired in a combustion chamber. In cases where the prime mover of a CHP plant  is a combustion engine or a gas turbine, biogas or any kind of biofuel can be directly burned in the  combustion chamber to run equipment. Biofuels, in particular, can also be mixed with conventional  fuels  and  fired  without  modifying  anything  in  the  prime  mover.  Some  precautions  may  be  necessary in order to avoid the emission of special substances present in the fuel.    Fuel  storage  and  delivering  facilities  account  for  a  significant  proportion  of  the  overall  capital  cost  of  biomass  projects  and  careful  consideration  needs  to  be  given  to  their  design  and  functionality.  A  well‐ designed  system  for  delivering,  storing  and  transferring  solid  biomass  is  essential  to  ensure  a  smooth‐ running biomass plant. Main common problems to be addressed are:   

Allow delivery by vehicles of different size and weight  Prevent the ingress of water but also allow moisture to dry off from stored fuel 

Meet necessary building regulations and safety requirements 

  Biogas plant in Shuby (Germany). Source: BioConstruct     

59  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

Scheme of a CHP plant with biogas. Source: RENAC.  References:  [1] Sustainable Bioenergy Development in UEMOA Member Countries – 2008  [2] Biomass for Power Generation and CHP – IEA, 2007  [3] Biomass Heating, a Practical Guide for Potential Users – Carbon Trust, 2009  [4] Planning and Installing Bioenergy Systems – DGS, 2005   

9. Feasibility  9.1 Implementation  Once  the  CHP  energy  potential  has  been  assessed,  and  a  decision  made  to  move  forward,  it’s  time  to  complete  the  project  development  phase  of  the  CHP  plant.  This  can  be  a  very  complicated  and  time‐ consuming process. This chapter outlines some of the basic steps in developing a project, highlighting the  main problems occurring when a feasibility study is conducted and when looking into, among other things,  environmental assessment, permissions, risks and liabilities, connecting to the grid and economic aspects.   Generally speaking, implementation of actions and interventions on buildings or technical equipment, such  as  the  installation  of  a  new  CHP  unit,  the  aim  of  which  is  to  achieve  concrete  and  measurable  energy  savings,  follows  diverse  main  steps,  summarized  in  the  figure.  Both  technical  and  economic  factors  are  considered  in  a  proper  feasibility  study,  as  well  as  potential  obstacles.  Overall,  the  study  should  indicate  whether or not the project should move forward, as well as providing the data and assumptions leading to  that  conclusion.  Some  of  the  technological  factors  include:  energy  profiles,  plant  design,  operational  strategy,  environmental  aspects,  availability  of  technical  services,  etc.  Some  of  the  economic  factors  include:  investment  costs,  fuel  costs,  operation  and  maintenance  (O&M)  costs,  revenues  and  energy  savings, as well as, electricity tariffs.   

60  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

  Flow chart of executive and decisional phases. Source: RENAC. 

 

9.2 Costs  One of the first and most important phases is to assess the costs involved in the project. When planning a  new CHP plant, costs are diverse. The main ones include the following:  Capital  costs.  Include  anything  necessary  for  installing  and  starting  the  CHP  unit.  Whilst  the  capital  and  installation costs of CHP are significantly higher than for conventional boiler heating  plant, CHP can yield  very  considerable  savings  in  running  costs.  In  the  right  applications,  it  can  provide  important  economic  returns on investment.   Running  costs.  Fuel  is  one  of  the  main  running  (operational)  costs.  When  deciding  upon  a  supplier,  consideration should be given to price as well as to security of supply. In particular, a forecast of the future  price of fuel is a very important aspect to consider, since the economics of CHP enable a sustainable and  reliable provision of energy highly sensitive to changes in fuel costs.     

61  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

Maintenance  is  the  other  major  running  cost.  Once  a  CHP  unit  has  been  installed  and  started,  it  is  important to plan and carry out regular maintenance to ensure a high number of operating hours.   Electricity  tariffs.  Electrical  energy  fees  play  a  very  important  role  in  the  decision‐making  process  of  an  appropriate  CHP  system.  The  profitability  and  optimization  of  a  CHP  investment  is  heavily  dependent  on  the  structure  and  the  pricing  of  electricity  (selling  and  buying)  that  are  applied  before  and  after  the  installation of such a plant. There are three kinds of fees when purchasing electricity:    

Fixed fees: these are applied to all consumers and cannot be changed or improved  Volumetric fees: these are computed in proportion to the electricity consumed each month  Demand  fees:  these  depend  on  maximum  power  demand  during  the  month,  regardless  of  how  often it occurs    There are 3 basic possible arrangements for selling surplus electricity produced back to the grid:  





                 

62  

Sale of excess power only. The CHP plant produces a fixed output and either purchases power or  exports power, depending on the level of varying on‐site loads.     Sale  of  a  contracted  amount  of  power.  The  facility  takes  on  an  obligation  to  provide  a  specified  amount  of  power  to  the  grid.  This  is  usually  done  at  facilities  with  fairly  constant  loads  that  are  significantly below generating capacity.   Sell‐all/buy‐all. A facility enters into an agreement with the utility or a third party to export all of  the  power  generated  on‐site  and  to  purchase  all  of  the  power  required  by  the  facility.  This  arrangement may occur when the value of exported power is greater than the price of purchased  power,  or  when  the  host  facility  only  has  a  marginal  electricity  requirement  compared  with  the  amount it can generate. 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

  Main costs in a CHP Project. Source: RENAC.   

9.3 Costs‐effectiveness  Relatively small investments in energy management may be authorized without detailed financial scrutiny,  but if the energy audit points to substantial investment as the only way to achieve meaningful long‐term  savings  (this  is  the  case  of  CHP),  those  in  control  of  the  finances  in  an  organisation  will  need  to  be  convinced  that  it  is  worthwhile.  A  number  of  standard  techniques  are  in  use  in  order  to  assess  the  cost‐ effectiveness of a project and to filter out unpromising proposals. Generally speaking, such methods may  be divided into non‐discounted and discounted. The main difference exists in the purpose of discounting:  i.e.  to  take  into  account  the  time  value  of  money,  according  to  a  certain  discount  rate,  defined  as  the  interest that has to be paid to acquire the capital to invest in the project  14. Several and diverse methods  exist, and two among the fundamental and most used ones are explained in the following:     

                                                         14 ‐   Harris – A Guide to Energy Management in Buildings – Spon Press, 2012 

63  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

The payback period method is the simplest of all to understand and to calculate. The total amount of the  initial  capital  cost  of  the  project  is  simply  divided  by  the  expected  annual  savings,  resulting  in  a  value  in  years. The advantages are that it is easily understandable, and a simple calculation. The disadvantages are  that it does not take into account future aspects, as the timing of costs and benefits.  The  discounted  cash  flow  (DCF)  method  acknowledges  the  importance  of  timing:  it  involves  discounting  future  outflow  and  inflows  of  cash  back  to  present  day  values,  thus  establishing  a  common  base  for  the  comparison  of  investment  alternatives  involving  different  periods  of  time.  The  main  idea  is  that  funds  invested  in  the  future  have  less  impact  than  funds  invested  now,  and  the  funds  received  early  on  in  the  lifetime of a project are worth more than funds received later. The present value of the funds invested in  the start‐up phase is compared with the value, reported to the present, of the net cash flows expected to  be generated over the life of the investment.  Different approaches can even be merged together to produce quick and easy‐to‐read results. Either way,  all the methods follow a common path: the first step is to identify and enumerate the total cost impact of  an efficiency  measure. One framework for this is known as life cycle cost analysis. Such analyses capture  the  total  sum  of  expenses  and  benefits  associated  with  an  investment.  The  result  (a  net  gain  or  loss  on  balance) can be compared to other investment options. 

  Life cycle cost analysis. Source: http://availagility.co.uk/2012/02/02/the‐science‐of‐kanban‐economics 

64  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

9.4 Integration of the CHP unit  After a proper feasibility study has been conducted and accepted, the CHP system has to be installed, and  new problems may arise. CHP cannot be considered in isolation and requires good integration with other  energy systems on‐site. It is unlikely that all the power and heat requirements will be supplied by the CHP  unit  at  any  moment.  CHP  units  usually  work  alongside  existing  boilers,  with  the  boilers  providing  top‐up  heat  to  meet  peak  demands.  In  fact,  a  CHP  installation  should  always  operate  as  the  leading  boiler,  if  savings are to be maximised. The electricity generated is best utilised on‐site, as greater value is realised for  it (the selling price of surplus electricity is usually very low). However, in some cases, particularly where on‐ site electricity demand is low, it may still be worthwhile to export electricity back to the public grid.  There  are essentially two ways of connecting a CHP plant with a conventional boiler plant as shown in the figure:  in  series  or  in  parallel  with  the  boilers.  Connection  in  series  is  most  frequently  used  when  a  new  CHP  system is installed in addition to an existing heating system, as it creates the minimum interference with  existing  equipment.  Connection  in  parallel  is  more  common  in  completely  new  installations,  especially  where the CHP plant is likely to supply a significant proportion of the total heat load.  In order to operate  the CHP in parallel with the grid, technical approval must be obtained from the local distribution network  operator: it will be necessary to ensure that the CHP unit can be isolated from the public grid in the event  of a failure of either the CHP or the grid. In cases where the excess power can be sold back to the electricity  supplier, special meters will need to be installed in addition to the existing ones. When exporting back to  the  grid,  care  should  be  taken  to  ensure  that  feed‐in  tariffs  are  high  enough  to  justify  doing  this.  Most  small‐scale packaged CHP units incorporate continuous monitoring devices as part of the control system.  Such devices may significantly improve CHP reliability. The main function of a control system is to maintain  optimum performances, by ensuring that the CHP unit operates correctly with other energy systems on‐site  and  by  continuously  monitoring  the  system  to  detect  faults,  malfunctions  or  under‐performance,  so  that  corrective action can be taken before a system failure. 

  CHP units fitted in series may well be placed before the boilers. The CHP unit provides the base load and  temperature. The following boiler tops‐up to provide for peak demand and higher temperatures. 

65  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

References:  [1] Good Practice Guide. Combined heat and power for buildings – Action Energy, 2004 

9.5 Control and risks  Controls to be carried out during the construction phase should include:  



Control of contracts: control of compliance of offered components, control of use of offered and  appropriate materials/components, control of deadlines and procedures.    Control  of  compliance:  control  of  compliance  with  regulations  for  construction,  control  of  compliance with permitting condition, and control of compliance with further agreements. 

  

Control  of  costs:  control  of  progress  and  billing,  control  of  additional  tasks  and  unforeseen  administration of contracts and subcontracts.    Of course, there are usually some elements of risk involved, both technical and financial. The following tab  summarises the main risks that may occur when planning and installing a CHP system.   

  Construction of a new CHP plant. Source: RENAC. 

       

66  

 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

Main risks when installing a CHP system. Source: RENAC.  Risk 

Description 

Potential Mitigation 

Planning Risk 

CHP unit oversized. 

Long and thorough planning phase with  experts involving energy efficiency  measures. 

Supply Risk 

E.g. supply of natural gas from Russia. 

Search for multi fuel capable technology  (natural gas/LPG). 

Market and  Distribution Risk 

The produced products or services  (electricity, heat) cannot be sold in the  expected amount and/or price. 

Long‐term contracts with solvent buyer. 

Technology Risk (in  the broader sense)  

The chosen proven technology might get  Thorough technological analysis to  outperformed by competing innovative  choose the best available technology  technology.  with a proven track record but also with  a competitive edge.  

 

Malfunction, damage. 

Fixed feed‐in tariff provides the best risk  mitigation 

Set liabilities in purchasing contracts.  Uphold maintenance plan from supplier   Check operation records regularly. 

Stability Risk of  Regulatory  Framework and  Country Risk 

Change of framework conditions (e.g.  feed‐in tariffs, tax breaks, etc.) during  the life time of a project. Legal  uncertainty. Unclear ownership rights,  etc. 

For investors: export guarantees;  investment preferential in countries with  a reliable political framework. 

 

Change on environmental regulations.  

Select technologies/fuels according to  strong regulations (“one step ahead”). 

Currency Risk 

Currency devaluation. 

Hedging with respective financial  derivatives. 

Interest Rate Risk 

Increase of interest rate. 

Hedging with respective financial  derivatives. 

Inflation Risk 

Increase of inflation beyond expectation.  Hedging with respective financial  derivatives. 

Force Majeure Risk 

Unforeseeable events with negative  impact on the project (e.g. earthquake,  fire, flood, war). 

     

67  

For governments: provide reliable  conditions to attract investments. 

Insurances where feasible. 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

9.6 Ostacles and barriers  The typical obstacles faced by CHP are due to market and users´ conditions. Particularly when we consider  gas as the main fuel for producing thermal energy, for instance:   

Unfavourable and unstable gas and electricity prices  



Uncertainty about how a particular site’s heat demand will evolve over time 

    

The need for high initial capital investment     The  balance  between  gas  and  electricity  price  along  a  certain  period  of  time  may  play  a  crucial  role:  a  change  can  reduce  the  return  on  investment  in  CHP  and  erode  the  advantage  over  conventional  generation. In certain cases a conventional heat generating plant may still be preferred, as it requires lower  capital investment and is seen as less risky.  The main parameter that impacts upon the attractiveness of  investment in CHP is probably the spark‐gap, which is the difference between the price of electricity and  gas.  The  larger  the  spark‐gap  (higher  electricity  price  and  lower  gas  price)  the  more  favourable  are  the  conditions for operating a CHP unit15.  CHP also has higher associated operation and maintenance (O&M)  costs  than  conventional  generation.  This  is  a  consequence  of  the  higher  technical  sophistication  when  compared  with  conventional  methods  of  heat  generation.  In  summary,  the  volatility  in  fuel  prices,  the  relative prices of gas and electricity, uncertainties regarding a particular site’s energy demand in the future  and the high investment attached to CHP installations are all considered obstacles to the installation of new  CHP. Some of these are characteristics of CHP technology, while others are characteristics of the present  state of the energy market. But besides operational and economic factors, obstacles and barriers are often  due  to  psychological  effects  and  knowledge  deficits.  The  next  figure  summarizes  the  main  motives  and  obstructions of rational energy use.                   

                                                         15 ‐   Analysis of the UK potential for Combined Heat and Power – www.defra.gov.uk, 2007 

68  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

                        Common motives and obstructions of rational energy use. Source: RENAC                       

69  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

10. Main CHP policies and conclusions  10.1 Main incentive mechanism  Incentives provided for CHP.   Source: Legal Guide Energy Efficiency – RENAC, www.renac.de  Measure 

Description 

Where? 

Priority access  Priority access means that connected CHP plants  to the grid  are sure that they will be able to sell and transmit  their electricity: all electricity from CHP sold and  supported can be fed to the grid anytime. 

Several countries in EU. 

ESCOs (Energy  ESCOs can provide a wide range of measures to  Service  improve energy efficiency through the  Companies)  implementation of energy savings projects; they  also help to overcome financial constraints and can  help to pay off initial costs through the energy  savings resulting from reduced consumption. An  ESCO can be commissioned to directly implement  (and operate) energy saving measures in the  company in question. The contractor carries out  the promised energy saving measures and, in  return, receives a percentage of the saved energy  costs.  

In the United States (U.S.), ESCOs  started to operate in the 1970s. In  the United Kingdom, the commercial  sector is the most important ESCO  market. In Germany, energy  contracting is promoted through the  exemption of various levies and the  promotion of combined heat and  power. 

Legal  minimum  feed‐in fees  for electricity  from CHP 

As of 2010, feed‐in tariff policies had  been enacted in over 50 countries,  including Algeria, Australia, Austria,  Belgium, Brazil, Canada, China,  Cyprus, the Czech Republic,  Denmark, Estonia, France, Germany,  Greece, Hungary, Iran, Republic of  Ireland, Israel, Italy, Kenya, the  Republic of Korea, Lithuania,  Luxembourg, the Netherlands,  Portugal, South Africa, Spain,  Switzerland, Tanzania, Thailand,  Turkey and the United Kingdom 16. 

Under a feed‐in tariff, eligible CHP plants are paid a  cost based price for the electricity they supply to  the public grid. This enables diverse technologies  to be developed and provides investors with a  reasonable return.   The tariffs may differ by CHP technology, location,  size and region.  

   

                                                         16 ‐   http://en.wikipedia.org/wiki/Feed‐in_tariff#By_country 

70  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

Legal  minimum  energy saving  quotas 

Subsidies and  investment  incentives 

Tax  exemptions 

   

71  

The basic idea of energy saving quotas is to oblige  energy suppliers, utility companies or grid system  operators to achieve a certain amount of energy  savings (usually expressed in kWh) among their  customers and to provide proof of the saving.  Energy saving quotas can apply to all forms of fossil  energy, e.g. electricity, natural gas and oil. Any  revenues from a buy‐out option or penalties should  be restricted to energy efficiency programmes.  A major challenge of this approach is to determine  the actual energy saving achieved by energy  efficiency measures. This requires the obliged  parties to determine the actual energy  consumption and to compare it to the estimated  hypothetical energy consumption without the  energy efficiency measure.  Direct financial incentives are generally set up by  public banks to operators of industrial and  commercial power plants. The source of the  funding can be public or private. 

Energy saving quotas have so  far been introduced in the  following countries and  regions (among others): Italy,  United Kingdom, France,  Belgium, the State of New  South Wales (Australia), the  States of Connecticut,  Pennsylvania, and Nevada  (U.S.). 

Some U.S. states such as  Connecticut and Pennsylvania  have energy efficiency funds.  The Southeast Europe Energy  Efficiency Fund provides  funding for Southern Europe  and Turkey. Other instances  exist in: Latin America, Asia,  sub‐Saharan Africa, including  the Caribbean and Pacific  Island States, North Africa and  other EU neighbouring  countries.  In general, taxation is a powerful tool to influence  Examples are: Germany and  the behaviour of taxpayers, even at short notice:  other EU countries, India,  by taxing the amount of primary energy used when  Costa Rica.  generating energy, such as fossil fuels,, or by taxing  the amount of energy consumed by the end‐user at  the price of energy rises. Since electricity  companies as well as most end‐users (especially  energy‐intensive companies) are highly susceptible  to higher costs, tax exemptions create a very  favourable economic incentive to conserve energy. 

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

10.2 Conclusions  Management  of  energy  is  the  result  of  the  combination  of  several  elements,  including  technology,  experience, knowledge, operative efficiency and investments. The goal of any CHP system is a reduction of  cost via the right allocation of resources. For an increase in the cost of all energy forms and a variation of  the availability of the majority of them to be predictable, it is necessary to work with the aim of reducing  energy consumption in buildings without compromising the quality of life.       Yet the individuation of new possibilities for saving energy is a creative activity, a branch of engineering for  which fundamentals can be sketched only at large. It is common knowledge that universal recipes do not  exist. Each case is different from the other, only a deep knowledge of all the technical installations involved  in a specific structure, a right understanding of their operation and, of course, a solid basic preparation and  experience can help define the best feasible interventions for any specific case.   Having said that, this treatise has engaged the main fundamentals of the combined generation of heat and  power, a technology better known as cogeneration, or CHP. CHP integrates the production of usable heat  and power (electricity), in one single, highly efficient process. It is a technology that generates electricity  whilst also capturing usable heat that is produced in the process. This contrasts with conventional ways of  generating electricity where vast amounts of heat are rejected and simply wasted.   This  report  is  not  to  be  considered  thorough:  only  general  aspects  and  fundamentals  of  the  main  topics  related to CHP are dealt with. For this reason the reader, does not need to hold any specific background. Of  course, people with a technical education will find everything easier here.   After having reached and read this page, the reader should be able to describe a CHP system, to properly  contextualize it and to understand the basic principles behind its operation. The most common ways to fuel  a  CHP  system  with  a  renewable  source  should  be  clear,  as  well  as  the  way  to  use  CHP  for  cooling  (trigeneration).  The  reader  should  be  familiar  with  the  main  basic  technologies,  the  main  international  norms  and  all  the  principal  problems  that  may  arise  while  developing  a  feasibility  study  for  a  new  CHP  plant.  Furthermore, after having understood and carried out the exercises presented, the reader will be also able  to conduct a first complete assessment of benefits and profits arising from the adoption of a CHP system,  and to properly interpret data and results of other and diverse projects regarding this technology.             

72  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

  CHP share of total national power production per country. Source: CHP: Evaluating the Benefits of Greater  Global Investment – IEA, 2008

73  

   

CHP ‐ Cogeneration Power  

 

Renewables Academy (RENAC) AG  Schönhauser Allee 10‐11  10119 Berlin (Germany)  Tel: +49 (0) 30‐52 689 58 70  Fax: +49 (0) 30‐52 689 58 99  E‐Mail: [email protected] 

74  

www.renac.de

Suggest Documents