Когенерация и ее особенности в Украине

Когенерацией называется использование теплового двигателя или тепловой электростанции для одновременного производства, как полезного тепла, так и электроэнергии. Обычные электростанции сбрасывают в окружающую среду тепловую энергию, вырабатываемую в качестве побочного продукта при генерации электроэнергии, через градирни, вместе с теплом выхлопных газов или иными способами. В основе когенерации лежит утилизация сбрасываемой тепловой энергии для использования в промышленности или быту или в непосредственной близости к энергомодулю, или (в особенности в Скандинавии и Восточной Европе) для распределения потребителям по трубопроводам. Эта схема носит название децентрализованного энергоснабжения.

В Соединенных Штатах теплоэлектроцентраль Кон Эдисон производит 30 миллионов фунтов пара ежегодно на семи когенерационных установках. Температура этого пара составляет 538°С, всего система обслуживает 100 000 домов в Манхеттене, являясь самой большой коммерческой системой такого типа в мире. Утилизируемая тепловая энергия, характеризующаяся умеренными температурами (100-180°С), также может использоваться в абсобционных чиллерах (термотрансформаторах) для производства холода. Энергомодуль, производящий электроэнергию, тепло и холод, иногда называют тригенерационной установкой. Когенерация — это термодинамически эффективное использование топлива. При производстве электроэнергии некоторое количество энергии неизбежно теряется, но в когенерационных схемах эта тепловая энергия может найти полезное применение.

ОБЗОР

Тепловые электростанции (в том числе использующие ядерное топливоили сжигающие уголь, нефть или природный газ), а также тепловые двигатели в целом, не преобразуют всю доступную энергию в электричество. В большинстве тепловых двигателей более чем половина энергии рассеивается как следствие второго закона термодинамики (тепловая теорема Карно). Если использовать это дополнительное тепло, теряемое в традиционных тепловых электростанциях, то к.п.д. когенерационной установки может достигать 89% в сравнении с 55% к.п.д. самых лучших установок без утилизации тепла. Это означает, что потребность в топливе, необходимом для производства той же полезной энергии, уменьшается. Также можно говорить о меньшем загрязнении окружающей среды, необходимом для получения того же экономического эффекта. Некоторые теплоэлектростанции используют рабочие процессы, основанные на нескольких термодинамических циклах, а затем используется теплообменник для утилизации рассеянной тепловой энергии.

Например, МГД-генератор РУ-25 в Москве служит источником тепла для парового котла, поставляющего пар для традиционной паровой турбины, а конденсат служит для обогрева помещений. Более современные системы могут использовать газовую турбину, работающую на природном газе, а выхлопные газы служат для получения водяного пара, конденсат (в свою очередь) используется для отопления. К.п.д. таких двухконтурных (с использованием трех термодинамических циклов) установок может достигать 80%. Очень трудно соблюсти точное соотношение между потребностью в электроэнергии и потребностью в тепле.

когенерационная установка в Украине

Когенерационная установка может быть ориентирована на получение тепловой энергии в первую очередь, или приоритетно вырабатывать электроэнергию, при этом рассеянное тепло используется по необходимости. Когенерация наиболее эффективна, когда тепло используется на той же площадке или очень близко к ней. Полный к.п.д. падает, когда тепло необходимо передать на большие расстояния. При этом требуются хорошо изолированные трубопроводы, которые дороги и неэффективны. В то же время электричество может передаваться на большие расстояния по проводам значительно проще, при этом потери даже на больших расстояниях существенно меньше.

Типичными примерами когенерационных установок являются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) больших городов, а также меньшие по мощности когенерационные установки используются там, где есть повышенные требования к автономности функционирования, например: отели пять звезд, больницы, тюрьмы, на нефтеперерабатывающих предприятиях, целюлозно-бумажных комбинатах, и промышленных предприятиях с большими потребностями в тепловой энергии.

ТИПЫ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

Энергоустановки основного цикла в первую очередь производят электричество при помощи паровой турбины. На выходе пар конденсируется и низкотемпературный теплоноситель может быть утилизирован для нужд отопления. Энергоустановки вторичного цикла используют высокотемпературный теплоноситель для промышленных целей, а рассеиваемое тепло при помощи экономайзеров служит для выработки электроэнергии. Энергоустановки вторичного цикла используются только в случаях, когда промышленный процесс требует высоких температур (например, стекло- и сталеплавильные печи) — поэтому они встречаются реже. Большие когенерационные установки поставляют горячую воду и производят электроэнергию для больших промышленных предприятий и целых городов.

Основные типы когенерационных установок:

  • Газотурбинная когенерационная установка, использующее тепло выхлопных газов;
  • Установки смешанного цикла, приспособленные для когенерации;
  • Паротурбинная когенерационная установка, в которой конденсатор пара используется для выработки тепла для нужд отопления.

Современные топливные элементы на СО+Н2 циклах — они работают при высоких температурах, соответственно имеет смысл утилизировать теп ло выхлопных газов. Меньшие по размеру когенерационные установки могут использовать поршневые двигатели или двигатели Стирлинга. Тепло отбирается у выхлопных газов и от системы охлаждения двигателя. Эти системы весьма популярны для небольших потребителей, потому что небольшой газопоршневой или дизельный мотор значительно дешевле небольшой паровой электростанции. Некоторые когенерационные установки используют биомассу вместо топлива, также возможно использование промышленных или бытовых отходов.

МИКРО-КОГЕНЕРАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

Типичные установки этой категории производит менее 5 кВт электроэнергии. Вместо того, чтобы просто сжигать топливо на отопление, некоторая часть энергии используется для выработки электроэнергии в дополнение к теплу. Эта электроэнергия может использоваться для домашних потребностей или в бизнесе, или (если позволяет политика энергокомпании) быть продана обратно в сеть.

МИНИ-КОГЕНЕРАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

Мощность типичной установки — от 5 кВт до 500 кВт, обычно применяется для обеспечения энергетических потребностей отдельного здания или среднего бизнеса. В настоящее время используются пять различных технологических подходов для построения когенерационных установок: микротурбины, двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга, паровые машины закрытого цикла, топливные элементы.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИНИ-КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК В УКРАИНЕ

В настоящее время ситуация с электроснабжением вновь строящихся и реконструируемых объектов в Украине достигла критического порога. Состояние электрогенерирующих мощностей и электрораспределительных сетей в скором времени можно охарактеризовать как «коллапс».

В крупных городах электрораспределительные сети не позволяют под ключать новых потребителей, а в районных центрах как правило не хватает как энергогенерирующих мощностей, так и качественных электрораспределительных сетей. С другой стороны, состояние газового хозяйства внушает осторожный оптимизм. Поэтому представляется рациональным использовать природный газ как топливо для получения электроэнергии на объектах (таких как больницы, гостиничные и торгово-развлекательные комплексы, производственные помещения и т.п.). Также следует принять во внимание, что с принятием законов «О комбинированном производстве тепловой и электрической энергии (когенерации) и использование сбросного энергопотенциала», №2509-IV от 05.04.2005г. (далее «Закон про когенерацию») и «Отеплоснабжении», №2633-IV от 02.05.2005г. в Украине открылись возможности для широкого внедрения когенерационных установок и когенерационных газовых электростанций (мини-ТЭЦ). Определены отношения субъектов хозяйствования в вопросах, связанных с производством, передачей и потреблением электрической и тепловой энергии от когенерационных установок и газовых электростанций.

Довольно простой экономический анализ (покрытие капитальных затрат и расходов на обслуживание кредита за счет экономии затрат на энергоресурсы), проведенный в отделе НИОКР компании «АЭРОТЕРМ» показывает, что для условий сегодняшнего дня цена 1 кВт установленной мощности когенерационной установки не должна превышать 2000 грн. К сожалению, этот показатель для поставщиков колеблется от 2500 грн. (когенерационные газодизельные установки российского производства) до 6000 грн. и выше(Англия, Италия, США, Китай и т.д.). Как видно из сравнения этих двух чисел — основное препятствие для широкого внедрения мини-когенерационных установок в Украине — это высокая цена.

Компания «АЭРОТЕРМ» провела анализ стоимостных компонент газопоршневых мини-когенерационных установок и установила, что основным вкладом в превышении цены за разумные (экономически обоснованные) пределы является тот простой факт, что они произведены не в Украине (транспортные расходы, таможенные пошлины, НДС при ввозе и т.п.). В то же самое время промышленный потенциал Украины достаточно велик и подобные установки можно достаточно легко изготавливать в Украине из украинских комплектующих.

Компанией «АЭРОТЕРМ» в отделе НИОКР был построен опытный образец когенерационной установки на 60 кВт установленной электрической мощности, созданы конструкторская документация и технология производства когенерационных установок 30, 60, 100 кВт электрической мощности на основе синхронных генераторов производства Украины.

Ведутся работы по созданию экономичного варианта пиролизного генератора (для получения топлива из отходов деревообработки и бросовой древесины), а также абсорбционного термотрансформатора (чиллера) для получения холода.

Издание: Журнал «А+С» №3, 2008г.