コージェネレーション

従来型発電と熱電併給発電の損失を比較した図

コージェネレーションまたは熱電併給（CHP ）は、熱機関^{[ 1 ]}または発電所を使用して電気と有用な熱を同時に生成するものです。

コージェネレーションは、発電時に本来は廃棄されるはずの熱を生産的な用途に利用する、燃料や熱のより効率的な利用方法です。熱電併給発電（CHP）プラントは、本来は廃棄されるはずの熱エネルギーを回収し、暖房に利用します。これは地域熱電併給発電とも呼ばれます。小規模CHPプラントは分散型エネルギーの一例です。^{[ 2 ]}中温（100～180℃（212～356℉））の副生熱は、吸収式冷凍機で冷却に利用することもできます。

高温の熱は、まずガスタービンまたは蒸気タービンを動力源とする発電機を駆動します。その結果生じる低温の廃熱は、給湯や暖房に利用されます。小規模（通常1MW未満）では、ガスエンジンまたはディーゼルエンジンが使用される場合があります。地熱発電所では、比較的低品位の熱を発生することが多いため、コジェネレーションも一般的に利用されています。発電において許容できる熱効率を達成するには、バイナリーサイクルが必要となる場合もあります。原子力発電所では、NIMBY（無関心・無関心）や安全上の配慮から、同等の化学発電所よりも人口密集地から離れた場所に建設されることが多く、また地域暖房は人口密度の低い地域では送電ロスのため効率が低いため、コジェネレーションはあまり採用されていません。

コージェネレーションは、初期の発電設備の一部で実践されていました。中央発電所が電力を配電する以前は、自家発電を行う産業では、排蒸気をプロセス加熱に利用していました。大規模なオフィスビルやアパート、ホテル、店舗では、自家発電を行い、廃蒸気を建物の暖房に利用することが一般的でした。初期の購入電力は高コストであったため、これらのコージェネレーション事業は、公益事業による電力供給が開始された後も長年にわたり継続されました。^{[ 3 ]}

概要

デンマークのマスネド熱電併給発電所。この発電所では、わらを燃料として燃焼させています。隣接する温室は、この発電所からの地域暖房によって暖められています。

化学工場、製油所、パルプ・製紙工場など、多くのプロセス産業では、化学反応器、蒸留塔、蒸気乾燥機などの操作に大量のプロセス熱を必要とします。この熱は通常蒸気の形で利用されますが、加熱に使用される低圧で発生させることも、はるかに高い圧力で発生させてタービンに通し、発電に利用することもできます。タービンでは、蒸気の内部エネルギーが仕事に変換されるため、蒸気の圧力と温度が低下します。タービンを出た低圧の蒸気は、プロセス熱として利用されます。

火力発電所の蒸気タービンは、通常、高圧蒸気が供給されるように設計されており、蒸気は、周囲温度より数度高く、絶対圧力が数ミリメートル水銀柱の状態で稼働している凝縮器からタービンを出て行きます。（これは復水タービンと呼ばれます。）実用上、この蒸気が凝縮する前の有用なエネルギーはごくわずかです。コジェネレーション用の蒸気タービンは、蒸気がいくつかのタービン段を通過した後に、低圧で一部の蒸気を抽出するように設計されており、抽出されなかった蒸気はタービンを通って凝縮器に送られます。この場合、抽出された蒸気はタービンの下流段で機械的動力損失を引き起こします。あるいは、抽出の有無にかかわらず、背圧で最終排気される（非凝縮）ように設計されています。^{[ 4 ] [ 5 ]}抽出または排出された蒸気は、プロセスの加熱に使用されます。通常のプロセス加熱条件での蒸気にはまだ発電に使用できるかなりの量のエンタルピーが含まれているため、コジェネレーションには機会費用がかかります。

製紙工場における典型的な発電タービンの抽出圧力は、160 psi（1.10 MPa）と60 psi（0.41 MPa）です。典型的な背圧は60 psi（0.41 MPa）です。実際には、これらの圧力は各施設に合わせてカスタム設計されます。逆に、上端で発電するのに十分な圧力ではなく、単に工業用途のプロセス蒸気を生成することも機会費用となります（蒸気供給と排気の条件を参照）。高圧ボイラー、タービン、発電機の資本コストと運用コストは高額です。これらの設備は通常連続運転されるため、自家発電は通常、大規模な操業に限られます。

フランス、メスにある熱電併給発電所。45MWのボイラーは廃木質バイオマスをエネルギー源として利用し、3万世帯に電気と熱を供給している。

複合サイクル（複数の熱力学サイクルによって発電する）は、発電所のボトミングサイクルの凝縮器として加熱システムを使用し、熱を抽出するためにも使用される。例えば、モスクワのRU-25 MHD発電機は、従来の蒸気発電所のボイラーを加熱し、その凝縮水を暖房に利用していた。より近代的なシステムでは、天然ガスを動力源とするガスタービンを使用し、その排気ガスで蒸気発電所を駆動し、その凝縮水で熱を得る。複合サイクル発電ユニットをベースとした熱電併給発電所は、80%を超える熱効率を実現できる。

CHP の実現可能性 (利用率と呼ばれることもある)、特に小規模 CHP 設備の場合の実現可能性は、オンサイト (または近隣サイト) の電力需要と熱需要の両方の点で、良好なベースロード運用に左右されます。実際には、熱と電力のニーズが完全に一致することは稀です。CHP プラントは、熱の需要を満たすか (熱駆動運用)、廃熱を一部利用して発電所として稼働させることができますが、後者は利用率、ひいては全体的効率の点で不利になります。実現可能性は、トリジェネレーションの機会がある場合に大幅に向上します。このような場合、CHP プラントからの熱は、吸収式冷凍機によって冷却を行うための主要エネルギー源としても使用されます。

CHPは、熱を敷地内または非常に近い場所で利用できる場合に最も効率的です。熱を長距離輸送する必要がある場合、全体的な効率は低下します。これには、高価で非効率な断熱性の高いパイプが必要です。一方、電気は比較的シンプルな電線で送電でき、同じエネルギー損失ではるかに長い距離を輸送できます。

冬季には、自動車のエンジンがCHPプラントとなり、その排熱は車内暖房に活用されます。この例は、CHPの導入は熱機関付近の熱利用状況に依存することを示しています。

熱増進回収（TEOR）プラントは、しばしば大量の余剰電力を生産します。発電後、これらのプラントは残った蒸気を重質油井に送り込み、油の流れを良くすることで生産量を増加させます。

コージェネレーションプラントは、都市の地域暖房システム、大規模建物（病院、ホテル、刑務所など）のセントラル暖房システムによく見られ、産業界ではプロセス水、冷却、蒸気生成、またはCO2肥料_の熱生成プロセスでよく使用されています。

ドイツの瀝青炭火力熱電併給発電所、ロストック発電所

トリジェネレーションまたは冷熱電併給（CCHP）とは、燃料の燃焼または太陽熱集熱器から電気と有用な冷暖房を同時に生成することを指します。コジェネレーションおよびトリジェネレーションという用語は、電気、熱、工業用化学物質（例：合成ガス）を同時に生成する電力システムにも適用されます。トリジェネレーションは、廃熱が通常は吸収式冷凍機で暖房と冷房の両方に使用されるという点でコジェネレーションと異なります。冷暖房電力併給システムは、コジェネレーションや従来の発電所よりも高い全体効率を実現できます。米国では、建物におけるトリジェネレーションの適用は、建物冷房、暖房、電力と呼ばれています。暖房と冷房の出力は、必要性とシステム構成に応じて同時にまたは交互に動作する場合があります。

植物の種類

フィンランドのヘルシンキにある石炭火力熱電併給発電所、ハナサーリ発電所

トッピングサイクル発電所は、主に蒸気タービンで発電を行います。部分的に膨張した蒸気は、加熱用凝縮器で凝縮され、地域暖房や淡水化などに適した温度に保たれます。

ボトミングサイクルプラントは、工業プロセス用の高温熱を生産し、廃熱回収ボイラーから発電所に供給します。ボトミングサイクルプラントは、ガラスや金属の製造炉など、非常に高温を必要とする工業プロセスにのみ使用されるため、あまり一般的ではありません。

大規模なコージェネレーションシステムは、工業団地や町全体に暖房用水と電力を供給します。一般的なコージェネレーションプラントの種類は以下のとおりです。

• ガスタービン熱電併給発電プラントは、ガスタービンの排ガス中の廃熱を利用します。燃料としては通常、天然ガスが使用されます。
• ガスエンジンCHPプラントは往復動型ガスエンジンを使用し、出力約5MWまではガスタービンよりも一般的に競争力があります。使用されるガス燃料は通常天然ガスです。これらのプラントは、一般的に完全パッケージユニットとして製造され、プラント室内または外部プラント敷地内に設置でき、ガス供給、配電網、暖房システムに簡単に接続できます。標準的な出力と効率については^{[ 6 ]、}標準的な大規模事例については^{[ 7 ]を参照してください。}
• バイオ燃料エンジンCHP プラントは、使用するバイオ燃料に応じて改造した往復動ガス エンジンまたはディーゼル エンジンを使用しますが、それ以外はガス エンジン CHP プラントと設計はよく似ています。バイオ燃料を使用する利点は、化石燃料の消費量が減り、その結果として炭素排出量も減ることです。これらのプラントは通常、プラント室内または外部プラント敷地内に設置でき、サイトの電気分配システムや暖房システムに簡単に接続できる完全パッケージ ユニットとして製造されます。もう 1 つのバリエーションは、木質ガス化CHP プラントです。このプラントでは、木質ペレットまたは木質チップのバイオ燃料が酸素のない高温環境でガス化され、生成されたガスがガス エンジンの動力として使用されます。
• CHPに適応した複合サイクル発電所
• 溶融炭酸塩燃料電池と固体酸化物燃料電池は排気ガスが高温になるため、加熱に非常に適しています。
• 加熱システムを蒸気タービンの蒸気凝縮器として使用する蒸気タービンコージェネレーションプラント
• 原子力発電所は、他の蒸気タービン発電所と同様に、タービンに蒸気抜き装置を設置し、部分的に膨張した蒸気を暖房システムに送り出すことができます。暖房システムの温度が95℃の場合、1MWの電力損失につき約10MWの熱を取り出すことができます。温度が130℃の場合、得られる熱量はわずかに少なく、1MWeの電力損失につき約7MWです。^{[ 8 ]}コージェネレーションの選択肢に関するレビューは^{[ 9 ]}にあります。チェコの研究チームは、使用済み燃料棒の熱を住宅暖房用に回収する「テプレーター」システムを提案しました。^{[ 10 ]}

小型のコージェネレーションユニットでは、レシプロエンジンまたはスターリングエンジンが使用される場合があります。熱は排気とラジエーターから除去されます。小型のガスエンジンやディーゼルエンジンは、ガスや石油を燃料とする小型の蒸気発電所よりも安価であるため、これらのシステムは小型で人気があります。

一部の熱電併給発電所は、バイオマス^{[ 11 ]} 、または産業廃棄物や都市ごみ（焼却を参照）を燃料としています。一部のコージェネレーション発電所は、廃ガスを発電と熱供給の燃料として利用しています。廃ガスには、動物の排泄物、埋立地ガス、炭鉱ガス、下水ガス、可燃性産業廃ガスなどがあります。^{[ 12 ]}

一部のコージェネレーションプラントでは、ガス発電と太陽光発電を組み合わせることで、技術的および環境的性能をさらに向上させています。^{[ 13 ]このようなハイブリッドシステムは、建物レベル[ 14 ]}や個々の住宅レベルにまで縮小することができます。^{[ 15 ]}

マイクロCHP

マイクロコージェネレーション（熱電併給発電）は、いわゆる分散型エネルギー源（DER）です。住宅や小規模事業所に設置される場合、通常5kW _e未満の出力となります 。燃料を燃やして単に空間や水を暖めるのではなく、エネルギーの一部を熱に加えて電気に変換します。この電気は家庭や事業所内で使用することも、送電網管理者の許可があれば電力網に売電することもできます。

デルタeeのコンサルタントは2013年、燃料電池マイクロコージェネレーション（MCO）が世界販売の64%を占め、2012年には従来型システムの販売台数を上回ったと発表した。 ^{[ 16 ]} 2012年には、エネファームプロジェクト全体で2万台が日本国内で販売された。寿命は約6万時間。夜間に停止するPEM燃料電池ユニットの場合、これは推定寿命10年から15年に相当します。 ^{[ 17 ]}設置前の価格は22,600ドルです。^{[ 18 ]} 2013年には5万台分の国からの補助金が支給されます。^{[ 17 ]}

マイクロCHP設備は、マイクロタービン、内燃機関、スターリングエンジン、閉サイクル蒸気エンジン、燃料電池の5つの異なる技術を使用します。ある著者は2008年に、スターリングエンジンに基づくマイクロCHPが、炭素排出量の削減において、いわゆるマイクロジェネレーション技術の中で最も費用対効果が高いと述べました。^{[ 19 ]} Ecuity Consultingによる2013年の英国のレポートでは、MCHPが家庭レベルでガスを使用してエネルギーを生成する最も費用対効果の高い方法であると述べています。^{[ 20 ] [ 21 ]}しかし、往復エンジン技術の進歩により、特にバイオガス分野でCHPプラントの効率が向上しています。^{[ 22 ]} MiniCHPとCHPはどちらも排出量を削減することが示されているため^{[ 23 ]} _{、建物からのCO2}削減の分野で大きな役割を果たす可能性があり、建物でCHPを使用すると14％を超える排出量を削減できます。^{[ 24 ]}ケンブリッジ大学は、2017年に費用対効果の高い蒸気エンジンマイクロCHPのプロトタイプを報告しましたが、これは今後数十年で商業的に競争力を持つ可能性があります。^{[ 25 ]}ごく最近では、一部の個人宅に、水素、天然ガス、LPGなどの他の燃料で稼働する燃料電池マイクロCHPプラントが設置されています。 ^{[ 26 ] [ 27 ]}天然ガスで稼働する場合、燃料電池で使用する前に天然ガスを水蒸気改質して水素に変換します。したがって、これはまだ_CO2を排出します（反応を参照）が、水素が（天然ガス）配管システムを通じて分配され始めるまで、（一時的に）これで稼働することは良い解決策になり得ます。

マイクロコージェネレーション（MicroCHP）のもう一つの例は、天然ガスまたはプロパンガスを燃料とする発電兼凝縮炉です。これは、単一の燃焼源から電力と有用な熱を生成するという、燃料節約技術であるコジェネレーションを組み合わせたものです。凝縮炉は、二次熱交換器を備えた強制空気ガスシステムで、燃焼生成物から熱を抽出して周囲温度まで下げるとともに、水蒸気からも熱を回収します。煙突は、建物の側面に排水口と通気口が設置されています。

トリジェネレーション

三世代サイクル

電気、熱、冷気を生成するプラントは、トリジェネレーション^{[ 28 ]}またはポリジェネレーションプラントと呼ばれます。吸収式冷凍機または吸着式冷凍機と連携したコージェネレーションシステムは、廃熱を冷凍に利用します。^{[ 29 ]}

熱電併給地域暖房

アメリカ合衆国では、コンソリデーテッド・エジソン社が7つのコージェネレーションプラントを通じて、年間660億キログラムの350°F（177°C）の蒸気をマンハッタンの10万棟の建物に供給しています。これはアメリカ合衆国最大の蒸気供給地区です。ピーク時の供給量は毎時1000万ポンド（約2.5ギガワット）です。^{[ 30 ] [ 31 ]}

産業用コージェネレーション

コージェネレーションは、パルプ・製紙工場、製油所、化学工場で依然として一般的です。この「産業用コージェネレーション/CHP」では、通常、高温（100℃以上）で熱を回収し、プロセス蒸気や乾燥に利用します。これは低品位廃熱よりも価値が高く柔軟性に優れていますが、発電量はわずかに減少します。持続可能性への関心の高まりにより、産業用CHPはより魅力的なものとなっています。これは、工場内で蒸気を生成したり燃料を燃焼させたりして電力網から電力を輸入するよりも、 二酸化炭素排出量を大幅に削減できるためです。

小規模な産業用コージェネレーションユニットの出力容量は5～25MWで、遠隔地での様々な用途において、炭素排出量を削減するためのオフグリッドの選択肢として有効です。^{[ 32 ]}

公共事業からの圧力と自家発電産業

産業用コージェネレーションプラントは通常、公益事業施設よりもはるかに低いボイラー圧力で稼働します。その理由としては、以下のようなものが挙げられます。

1. コージェネレーションプラントは、戻り凝縮水による汚染の可能性に直面しています。コージェネレーションプラントからのボイラー給水は、100%復水式発電所に比べて戻り率がはるかに低いため、産業界は通常、ボイラー補給水を比例して多く処理する必要があります。ボイラー給水は完全に酸素を除去し、脱塩する必要があり、圧力が高いほど給水の純度レベルが重要になります。^{[ 5 ]}
2. 公益事業は通常、産業よりも大規模な電力であるため、高圧にかかる高い資本コストを相殺するのに役立ちます。
3. 公益事業では、蒸気または電力需要のかなりの割合を占める可能性のあるユニットの停止や起動を扱う工業事業よりも、急激な負荷変動が発生する可能性は低くなります。

熱回収蒸気発生器

排熱回収ボイラ（ HRSG）は、コージェネレーションプラントのガスタービンまたはレシプロエンジンからの高温の排気ガスを利用して水を加熱し、蒸気を発生させる蒸気ボイラーです。生成された蒸気は蒸気タービンを駆動したり、熱を必要とする産業プロセスに利用されたりします。

CHP 業界で使用される HRSG は、主に次の特徴によって従来の蒸気発生器と区別されます。

• HRSG は、結合されるガスタービンまたは往復エンジンの特定の機能に基づいて設計されます。
• 排気ガス温度は比較的低いため、熱伝達は主に対流によって行われます。
• 排気ガスの速度は、ヘッドロスを抑える必要性から制限されます。そのため、透過係数は低くなり、大きな伝熱面積が必要になります。
• 高温ガスと加熱対象流体（蒸気または水）の温度差が小さく、熱伝達率も低いため、蒸発器とエコノマイザはプレートフィン熱交換器を使用して設計されます。

バイオマスを利用したコジェネレーション

バイオマスとは、サトウキビ、植物油、木材、有機廃棄物、食品産業や農業産業からの残渣など、熱源や電力源として再利用できるあらゆる植物または動物性物質を指します。ブラジルは現在、バイオマス発電において世界をリードする国とみなされています。^{[ 33 ]}

バイオマス発電の利用が拡大している分野は砂糖・アルコール部門で、主にサトウキビの搾りかすを火力発電や電力発電の燃料として利用している。^{[ 34 ]}

砂糖・アルコール部門における電力コジェネレーション

サトウキビ産業では、砂糖精製時に発生するバガス残渣を燃料としてコジェネレーションが利用されています。このバガスを燃焼させることで蒸気を発生させ、その蒸気の一部をタービンに送り込み、発電機を回して電力を生成します。^{[ 35 ]}

ブラジルのサトウキビ産業におけるエネルギーコジェネレーションは、近年増加傾向にあります。砂糖・アルコール部門におけるエネルギーコジェネレーションの導入により、サトウキビ産業は操業に必要な電力需要を賄うだけでなく、商業化可能な余剰電力を生み出すことができます。^{[ 36 ] [ 37 ]}

サトウキビバガスを利用した熱電併給発電の利点

天然ガスなどの化石燃料をベースとした火力発電所による発電と比較して、サトウキビの搾りかすを使った発電は、CO2排出量の削減により環境的に有利_である。^{[ 38 ]}

環境面での利点に加え、サトウキビバガスを用いたコジェネレーションは、生産されたエネルギーの最終用途によって、熱電発電と比較して効率面でも優位性があります。熱電発電では発生した熱の一部が失われますが、コジェネレーションではこの熱を生産プロセスで利用できる可能性があり、プロセス全体の効率が向上します。^{[ 38 ]}

サトウキビバガスを利用した熱電併給発電の欠点

サトウキビ栽培では、塩化カリウム（KCl）などの高濃度塩素を含むカリウム源が一般的に使用されます。KClは大量に使用されるため、サトウキビは高濃度の塩素を吸収することになります。^{[ 39 ]}その結果、サトウキビの搾りかすを燃焼させると、ダイオキシン^{[ 39 ]}と塩化メチル^{[ 40 ]}が発生します。ダイオキシンは非常に毒性が強く、発がん性があります^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]。}一方、塩化メチルは深刻なオゾン層破壊を引き起こします^{[ 40 ]}。

ヒートポンプとの比較

ヒートポンプは、次のようにコージェネレーションユニットに例えることができます。熱エネルギーを供給するために、ターボ発電機からの排気蒸気を、システムが最大の電力を生成する温度よりも高い温度で取り出さなければならない場合、失われる電力生成量は、出力温度が低く効率の高い発電機から電力を取り出して同じ熱を供給したのと同じになります。[ ^{44 ]通常}、電力損失1単位につき、約90℃（194°F）で約6単位の熱が利用可能になります。したがって、コージェネレーションの有効成績係数（COP）は、ヒートポンプが6です。^{[ 45 ]}ただし、遠隔操作されるヒートポンプの場合、電気配電網での損失が約6％考慮される必要があります。損失は電流の2乗に比例するため、ピーク時には損失がこれよりはるかに大きくなり、広範囲にわたる（つまり、市全体でのヒートポンプの適用）と、配電網と送電網が大幅に強化されない限り、過負荷になる可能性があります。

ヒートポンプと組み合わせた熱駆動運転も可能です。この場合、余剰電力（熱需要が決定要因であるため）はヒートポンプの駆動に使用されます。熱需要が増加すると、ヒートポンプを駆動するための電力が増加し、廃熱も加熱流体を加熱します。

ヒートポンプの効率は高温端と低温端の温度差に依存するため（温度差が小さくなるほど効率は上昇する）、家庭暖房には適さない比較的低品質の廃熱であっても、ヒートポンプと組み合わせる価値があるかもしれない。例えば、15℃（59℉）の冷却水を貯めた十分な容量の貯水池があれば、 -20℃（-4℉）の夜間に冷気を利用する空気熱源ヒートポンプと比較して、そのような貯水池から熱を引き出すヒートポンプの効率を大幅に向上させることができる。夏場、エアコンと温水の両方の需要がある場合、同じ水がエアコンから排出される廃熱の「捨て場」と、温水を供給するヒートポンプの「熱源」の両方として機能することもある。こうした考慮から、「冷熱地域暖房」と呼ばれるものがあり、これは地域暖房で通常使用される温度よりもはるかに低い「熱」源を使用する。^{[ 46 ]}

分散型発電

ほとんどの先進国では、電力需要の大部分を、大規模な集中型施設で賄っています。これらの施設は規模の経済の恩恵を受けますが、長距離送電が必要となるため、送電ロスが発生する可能性があります。コジェネレーションやトリジェネレーションは、地域的な需要の制約を受けるため、場合によっては需要に合わせて熱供給や冷房供給を削減する必要が生じることがあります。大都市におけるコジェネレーションとトリジェネレーションを組み合わせたシステムの例として、ニューヨーク市の蒸気システムがあります。

熱効率

すべての熱機関は、カルノーサイクルまたは蒸気タービン発電所の場合はサブセットランキンサイクル、蒸気タービン付きガスタービンの場合はブレイトンサイクルの理論上の効率限界に従います。蒸気発電による効率損失の大部分は、タービンが低温・低圧の蒸気を凝縮器に排出する際に回収されない蒸気の蒸発潜熱に起因します。（凝縮器への蒸気は通常、絶対圧力で数ミリメートルで、凝縮器の容量に応じて冷却水の温度より約 5 °C（41 °F）高くなります。）コジェネレーションでは、この蒸気は高温でタービンを出て、プロセス熱、建物熱、または吸収式冷凍機による冷却に使用できます。この熱の大部分は、蒸気が凝縮する際の 蒸発潜熱によるものです。

コージェネレーションシステムにおける 熱効率は次のように定義されます。

$${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}\equiv {\frac {\text{電力出力 + 熱出力}}{\text{総熱入力}}}}$$

どこ：

• ${\displaystyle \eta_{th}}$ = 熱効率
• ${\displaystyle W_{out}}$ = すべてのシステムによる合計作業出力
• ${\displaystyle Q_{in}}$ = システムへの総熱入力

吸収式冷凍機により、熱出力は（例えば夏季には）冷房にも利用されます。同時に冷房も行われる場合、トリジェネレーションシステムの 熱効率は以下のように定義されます。

$${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}\equiv {\frac {\text{電力出力 + 熱出力 + 冷却出力}}{\text{総熱入力}}}}$$

どこ：

• ${\displaystyle \eta_{th}}$ = 熱効率
• ${\displaystyle W_{out}}$ = すべてのシステムによる合計作業出力
• ${\displaystyle Q_{in}}$ = システムへの総熱入力

典型的なコージェネレーションモデルには、他のシステムと同様に損失があります。以下のエネルギー分布は、総入力エネルギーに対する割合として表されます。^{[ 47 ]}

• 電気 = 45%
• 熱 + 冷房 = 40%
• 熱損失 = 13%
• 電線損失 = 2%

従来の中央集中型石炭火力発電所や原子力発電所は、投入熱の約33～45％を電気に変換している。^{[ 48 ] [ 5 ]}ブレイトンサイクル発電所は最大60％の効率で稼働している。従来の発電所の場合、この熱の約10～15％がボイラーの煙突から失われる。残りの熱のほとんどは、タービンから発生する低品位の廃熱であり、地元で特に利用されることはない。そのため、通常は環境に排出され、凝縮器を通過する冷却水に利用される。^{[ 5 ]}タービン排気は通常、周囲温度よりわずかに高いため、コジェネレーションの目的でタービンから高温の​​蒸気を排出することで、潜在的な発電量がいくらか犠牲になる。^{[ 49 ]}

コージェネレーションを実用化するためには、発電と熱利用が比較的近接している必要があります（通常2km未満）。小規模な分散型発電機の効率は大規模な中央発電所よりも低いかもしれませんが、その廃熱を地域の暖房や冷房に利用することで、一次燃料供給全体の利用率は最大80%に達する可能性があります。^{[ 48 ]}これは経済的にも環境的にも大きなメリットをもたらします。

費用

典型的には、ガス火力発電所の場合、1kWあたりの設置コストは約400ポンド/kW（577米ドル）で、これは大規模な中央発電所と同程度です。^{[ 50 ]}

歴史

ヨーロッパにおけるコジェネレーション

イタリアのフェレラ・エルボニョーネにある熱電併給火力発電所（PV）

EUは、コージェネレーションをCHP指令を通じてエネルギー政策に積極的に取り入れてきました。2008年9月、欧州議会都市提案グループ公聴会において、エネルギー担当委員のアンドリス・ピエバルグス氏は、「供給の安定性は、真にエネルギー効率から始まる」と述べました。^{[ 51 ]}エネルギー効率とコージェネレーションは、欧州連合のコージェネレーション指令2004/08/ECの冒頭で言及されています。この指令は、コージェネレーションを支援し、各国のコージェネレーション能力を算定する方法を確立することを目的としています。コージェネレーションの発展は長年にわたり非常に不均一であり、ここ数十年間は各国の状況に左右されてきました。

欧州連合（EU）は、電力の11%をコジェネレーションによって発電している。^{[ 52 ]}しかし、加盟国間でエネルギー節約率は大きく異なり、2%から60%の範囲である。ヨーロッパには、世界で最もコジェネレーションが普及している3カ国、デンマーク、オランダ、フィンランドがある。^{[ 53 ]}フィンランドでは、2012年に従来型火力発電所で発電された28.46 TWhの電力のうち、81.80%がコジェネレーションによるものであった。^{[ 54 ]}

他のヨーロッパ諸国も効率化に多大な努力を払っている。ドイツは現在、国内の総電力需要の50％以上をコジェネレーションで賄えると報告している。これまでに、ドイツは2020年までに電力コジェネレーションを国内電力の12.5％から25％に倍増させる目標を設定しており、それに応じて支援する法律を可決した。^{[ 55 ]}英国も熱電併給を積極的に支援している。2050年までに二酸化炭素排出量を60％削減するという英国目標に照らし、政府は2010年までに政府電力使用量の少なくとも15％をコジェネレーションから調達するという目標を設定している。^{[ 56 ]} CHP成長を促進するための英国の他の措置には、財政的インセンティブ、補助金支援、より広範な規制枠組み、および政府のリーダーシップとパートナーシップがある。

IEA 2008 による G8 諸国のコジェネレーション拡張モデルによれば、フランス、ドイツ、イタリア、英国だけでコジェネレーションを拡張すると、2030 年までに既存の一次燃料節約量が実質的に倍増します。これにより、ヨーロッパの節約量は現在の 155.69 Twh から 2030 年には 465 Twh に増加します。また、各国のコジェネレーション総電力は 2030 年までに 16% ～ 29% 増加します。

各国政府は、 COGEN Europeのような組織からコージェネレーション（熱電併給）事業の推進を支援しています。COGEN Europeは、欧州のエネルギー政策に関する最新情報を提供するハブとして機能しています。COGENは、コージェネレーション業界の利益を代表する欧州の統括組織です。

欧州官民パートナーシップ「燃料電池・水素共同事業第7次枠組み計画」プロジェクト「ene.field」は、2017年に12州に1,000基の家庭用燃料電池熱電併給発電（マイクロCHP ）設備を展開する予定である^{[ 57 ]}。2012年時点では最初の2基が設置されている^{[ 58 ] 。 [ 59 ] [ 60 ]}

英国におけるコジェネレーション

英国では、熱電併給品質保証制度（CoVQA）が熱電併給発電を規制しています。この制度は1996年に導入されました。この制度では、入力と出力の計算に基づき、従来の熱電併給発電と比較した一次エネルギーの節約量に基づいて「高品質コージェネレーション（CHP）」を定義しています。コージェネレーション設備が政府の補助金や税制優遇措置を受けるには、この制度への適合が求められます。^{[ 61 ]}

米国のコジェネレーション

マサチューセッツ州ケンブリッジにある250MWの ケンドール・コジェネレーション・ステーション

おそらく、エネルギーリサイクルの近代的な応用はトーマス・エジソンによって初めて実現されたと言えるでしょう。1882年に建設された世界初の商用発電所であるパー​​ルストリート発電所は、熱電併給発電所で、電気と熱エネルギーの両方を生産し、廃熱を近隣の建物の暖房に利用していました。^{[ 62 ]}リサイクルにより、エジソンの発電所は約50%の効率を達成しました。

1900年代初頭には、地方電力会社が管理する集中型発電所の建設を通じて農村部の電化を促進するための規制が整備されました。これらの規制は、農村部全体の電化を促進しただけでなく、コージェネレーションなどの分散型発電を阻害する要因にもなりました。

1978 年までに、議会は中央発電所の効率が停滞していることを認識して、公益事業規制政策法(PURPA) を制定し、公益事業会社が他のエネルギー生産者から電力を購入することを奨励して、効率性の向上を図ろうとしました。

熱電併給発電所は急増し、すぐに米国の全エネルギーの約8％を生産するようになった。^{[ 63 ]}しかし、この法案は各州の実施と執行に委ねられ、その結果、国の多くの地域ではほとんど何も行われなかった。

米国エネルギー省は、 2030年までにコージェネレーション（CHP）を発電容量の20%にするという積極的な目標を掲げています。全米に8つのクリーンエネルギー応用センター^{[ 64 ]}が設立されています。これらのセンターの使命は、「クリーンエネルギー」（熱電併給、廃熱回収、地域エネルギー）技術を現実的なエネルギー選択肢として普及させ、その導入に伴うリスクを軽減するために必要な技術応用知識と教育基盤を構築することです。応用センターの重点は、エンドユーザー、政策立案者、公益事業会社、そして業界関係者へのアウトリーチ活動と技術展開プログラムを提供することです。

ニューイングランドと中部大西洋岸地域は電気料金が高いため、これらの地域はコジェネレーションに最も有利です。^{[ 65 ] [ 66 ]}

発電システムへの応用

化石

以下の従来の発電所はいずれも冷熱電併給システムに転換できる可能性がある。^{[ 67 ]}

• 石炭
• マイクロタービン
• 天然ガス
• 油
• 小型ガスタービン

核

• 原子力
• 地熱発電・地熱暖房
• 放射性同位元素熱電発電機は、放射性同位元素ヒーターユニットとしても機能し、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する際の低い（1桁パーセント）効率を部分的に補う。

再生可能

• 太陽熱
• バイオマス
• 水素燃料電池（グリーン水素を使用）
• 圧縮空気エネルギー貯蔵などのあらゆるタイプのコンプレッサーまたはターボエキスパンダー

参照

• 空気分離 – 化学プロセス
• カルノーサイクル – 理想化された熱力学サイクル
• カルノー法 - エネルギー配分法
• CHP指令 – 熱電併給発電に関するEU指令
• 電力源別の電力コスト – 異なる電力源のコストの比較
• 分散型発電 – 分散型電力発電（CHPを含むより一般的な用語）
• 地域暖房 – 集中熱供給システム
• 発電 – 電力を生成するプロセス
• 電化 – 何かを電気を使うように変えるプロセス
• 欧州連合のエネルギー政策 – 欧州連合におけるエネルギー分野の立法
• 発電による環境への影響
• 欧州バイオマス協会 – 欧州バイオエネルギー組織リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 産業ガス – 産業用途で生産されるガス状物質
• マイクロ熱電併給発電 – 小規模な熱電併給発電
• ニューヨーク市の蒸気システム - ニューヨーク市の地域暖房システム
• ランキンサイクル – 蒸気タービンシステムの性能を予測するために使用されるモデル
• 有機ランキンサイクル – ランキン熱力学サイクルのバリエーション
• スターリングエンジン – 閉サイクル再生熱機関
• 吸収式冷蔵庫 - 熱源を利用する冷蔵庫
• ボイラー – 流体を加熱する密閉容器

さらに読む

• 蒸気、その生成と利用（第35版）。バブコック・アンド・ウィルソン社。1913年。

参考文献

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