|
Мировой опыт малой энергетики и когенерации
Основы когенерации
Обычный (традиционный) способ
получения электричества и тепла заключается в их раздельной
генерации (электростанция и котельная). При этом значительная
часть энергии первичного топлива не используется. Можно
значительно уменьшить общее потребление топлива путем применения
когенерации (совместного производства электроэнергии и тепла).
Когенерация есть термодинамическое производство двух или более
форм полезной энергии из единственного первичного источника
энергии.
Две наиболее используемые формы энергии — механическая и
тепловая. Механическая энергия обычно используется для вращения
электрогенератора. Вот почему именно следующее определение часто
используется в литературе (несмотря на свою ограниченность).
Когенерация есть комбинированное производство электрической (или
механической) и тепловой энергии из одного и того же первичного
источника энергии.
Произведенная механическая энергия также может использоваться
для поддержания работы вспомогательного оборудования, такого как
компрессоры и насосы. Тепловая энергия может использоваться как
для отопления, так и для охлаждения. Холод производится
абсорбционным модулем, который может функционировать благодаря
горячей воде, пару или горячим газам.
При эксплуатации традиционных (паровых) электростанций, в связи
с технологическими особенностями процесса генерации энергии,
большое количество выработанного тепла сбрасывается в атмосферу
через конденсаторы пара, градирни и т.п. Большая часть этого
тепла может быть утилизирована и использована для удовлетворения
тепловых потребностей, это повышает эффективность с 30-50% для
электростанции до 80-90% в системах когенерации.
Преимущества
надежности. • Когенерация —
фактически идеальная форма обеспечения энергией с точки зрения
безопасности энергоснабжения.
Развитие современных технологий усиливает зависимость
человеческой деятельности от энергоснабжения во всех областях: и
в доме, и на работе, и на отдыхе. Непосредственная зависимость
человеческой жизни от бесперебойного энергоснабжения растёт на
транспорте (начиная с лифтов и заканчивая системами обеспечения
безопасности на скоростных железнодорожных магистралях) и в
медицине, полагающейся сегодня на сложные и дорогие приборы, а
не только на стетоскоп и ланцет.
Повсеместное распространение компьютеров только повышает
требования к энергоснабжению. Не только "количество", но и
"качество" электроэнергии становятся критичными для банков,
телекоммуникационных или промышленных компаний. Скачок или сбой
напряжения могут повлечь сегодня не просто остановку или порчу
машины, но и потерю информации, восстановление которой иногда
несравнимо сложнее ремонта оборудования.
• Требования к энергоснабжению формулируются просто —
надёжность, постоянство. И для многих становится ясно, что на
сегодня единственный путь иметь продукт высшего качества —
произвести его самому.
Военные во всём мире знают это давно, промышленники уже пришли к
таким решениям, а семьи и предприятия малого бизнеса начали
осознавать преимущества владения электрогенераторами и тепловыми
котлами только сейчас. Кризис сложившейся монополизированной
энергетической инфраструктуры и начавшаяся либерализация
энергетических рынков одновременно и увеличивают степень
неопределённости будущего, и привлекают открывающимися
возможностями для бизнеса. И тот, и другой фактор увеличивают
спрос потребителей энергии на собственные генерирующие мощности.
• В случае использования системы когенерации потребитель
застрахован от перебоев в централизованном энергоснабжении,
время от времени возникающих либо вследствие крайнего износа
основных фондов в электроэнергетике, либо природных катаклизмов
или других непредвиденных причин.
У него, скорее всего, не возникнет организационных, финансовых
или технических трудностей при росте мощностей предприятия,
поскольку не понадобится прокладка новых линий электропередач,
строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка
теплотрасс и т.д. Более того, вновь приобретенные когенераторы
встраиваются в уже существующую систему.
• Расположение Энергоцентра в непосредственной близости от
потребителя подразумевает то, что Энергоцентр находится в зоне
безопасности конкретного предприятия, и энергоснабжение зависит
только от потребителя.
• Распределенные (автономные) источники энергии, подобные
системам когенерации, снижают уязвимость инфраструктуры
энергетики.
Станции когенерации, рассеянные по Европе и Америке, менее
уязвимы для естественного и умышленного разрушения, чем крупные
центральные электростанции. Когенерация в основном работает на
природном газе и других "бытовых" видах топлива, то есть не
требует экстраординарных мер по обеспечению топливом.
• Когенерация повышает надежность энергоснабжения сооружений —
это существенное преимущество в условиях меняющегося рынка
энергии и высокотехнологичного общества.
Высоконадежное электроснабжение критически важно для большинства
компаний, работающих в информационной, производственной,
исследовательской областях, сфере безопасности и т.д. Сооружения
подобно информационным центрам требуют "6 девяток" или 99,9999%
вероятности бесперебойной подачи электроэнергии.
Распределительные электросети обеспечивают только 4 девятки или
99,99% вероятности — недостаточная вероятность для компании,
которая теряет миллион долларов в минуту при сбоях
электропитания. Автономная энергетика обеспечивает основное
электроснабжение, а сети используются в качестве резерва.
Когенерация может гарантировать широко известные "6 девяток"
надежности электроснабжения цифровым системам, также как
обеспечить охлаждение высокотехнологичного оборудования.
Компьютерные микросхемы, действующие в промышленных процессах,
сетях связи, Интернет-коммуникациях и финансовых сделках, могут,
при потере питания, сохранять информацию только в течение 8
миллисекунд.
• Система когенерации не представляет желаемой цели для
потенциальных террористов, в отличие от, например, атомной
электростанции.
Преимущества
утилизации тепла. •
Когенерация обеспечивает огромный выигрыш в энергетическом КПД.
Это происходит за счет утилизации тепла выхлопных газов, в
водяной рубашке охлаждения, в теплообменнике охлаждения масла и
в промежуточном охладителе топливной смеси (данные действительны
для большинства первичных двигателей). Около 67% энергии
первичного топлива, при традиционном способе генерации
электроэнергии, выбрасывается в окружающую среду. В дальнейшем
имеют место потери при передаче электроэнергии.
• Утилизируемое тепло может быть использовано в технологических
процессах, для производства холода (тригенерация), для отопления
и кондиционирования помещений, для подогрева воды и т.д.
• Реконструкция существующих котельных с применением
когенерационных установок позволяет получать за меньшие деньги
то же количество тепла, при бесплатном получении электроэнергии.
• В мире существует множество программ по использованию тепла
когенерационных установок, например ТАТ (Thermally Activated
Technologies).
Цели программы сфокусированы в направлениях восстановления тепла
КГУ и путях дальнейшего увеличения эффективности. ТАТ считают,
что:
• К 2020 году 5% общего количества потребляемой энергии в США
будет приходиться на утилизируемую тепловую энергию.
• Возвращение в оборот тепловой энергии является крайне
благоприятной возможностью уменьшения энергопотребления.
Американская промышленность требует ускорения разработки ТАТ для
получения конкурентных преимуществ в экономике и энергетике в
будущем.
• ТАТ критичны для обеспечения экологической безопасности и
уменьшения загрязненности воздуха. Промышленность США требует
ускорения разработки технологий осушения и вентиляции воздуха
для мер оздоровления персонала и охраны окружающей среды.
• Осушение и охлаждение может осуществляться с помощью
осушителей воздуха и абсорбционных охладителей, использующих
утилизируемое тепло.
• Утилизация тепла уменьшает экологическую нагрузку любого
энергетического оборудования в среднем в два раза.
Тригенерация.
Едва общество привыкло к понятию
когенерация и конструкторы начали оснащать котельные
когенерационными установками, появилось новое понятие, к
которому мы еще не совсем привыкли — тригенерация. В переводе
это значит комбинированное производство электричества, тепла и
холода. С технологической точки зрения имеется в виду соединение
когенерационной установки с абсорбционной охладительной
установкой.
Это является выгодным с точки зрения эксплуатации
когенерационной установки, т.к. дает возможность утилизации
тепла и летом, вне отопительного сезона, и этим продлить время
работы установки в течение всего года. Именно снижение
возможности утилизации тепла когенерационных установок летом
вело к внедрению установок с более низкой мощностью. Если
удастся изменить тепло на холод, то ничего не мешает тому, чтобы
установки работали на полную мощность и летом. Произведенный
холод может использоваться в системах кондиционирования - в
банках, гостиницах, торговых центрах, больницах, стадионах и
т.п.
Кондиционеры могут быть двух конструкций:
- компрессорные — привод компрессора от электромотора;
- абсорбционные — привод обеспечивается паром, газом, тепло
горячей вода.
Преимуществом абсорбционного охлаждения (кроме выше приведенной
возможности соединения с когенерационной установкой) по
сравнению с компрессорным охлаждением является то, что может
работать на более дешевой подводимой тепловой энергии, а не на
дорогой электрической в случае компрессорного охлаждения.
Абсорбционное охлаждение тихое, простое и надежное. Недостатком
являются более высокие капитальные вложения по сравнению с
компрессорным охлаждением, более крупные габариты и большая
масса.
Основным принципом сорбционной циркуляции является замена
компрессии тепловым процессом, в котором холодоноситель при
низком давлении поглощает абсорбер, потом направляется в другой
теплообменник, который работает при более высоком давлении и где
холодоноситель подводом тепла в растворе кипятком снова
освобождается. В результате образуется холодоноситель с более
высоким давлением, который соответствует условиям конденсации.
Процессы в конденсаторе и испарителе подобны процессам при
паровой циркуляции.
Принцип абсорбционного охлаждения заключается в следующем.
Концентрированный раствор постоянно нагревается в кипятильнике
до температуры кипения каким-либо источником тепла
(электрическим, газовым и т.д.). Так как температура кипения
хладагента значительно ниже температуры кипения растворителя
(абсорбента), то в процессе выпаривания концентрированного
раствора из кипятильника выходят концентрированные пары
хладагента с небольшим количеством растворителя. На пути
движения к конденсатору концентрированные пары хладагента
проходят специальный теплообменный аппарат (дефлегматор), в
котором происходит частичная конденсация концентрированных
паров. При этом образовавшийся конденсат стекает в
концентрированный раствор, выходящий из кипятильника, а более
концентрированные пары хладагента поступают в конденсатор.
Высококонцентрированный жидкий хладагент из конденсатора
поступает в испаритель, где он закипает при отрицательной
температуре, отбирая тепло из холодильной камеры. Слабый раствор
из холодильника поступает в абсорбер и охлаждается окружающей
средой до температуры начала абсорбции. Выходящие из испарителя
пары хладагента также поступают в абсорбер навстречу движущемуся
охлажденному слабому раствору. В абсорбере происходит процесс
поглощения (абсорбции) паров хладагента слабым раствором. При
этом выделяется некоторое количество теплоты абсорбции
(смешения) в окружающую среду. Образовавшийся в абсорбере
концентрированный раствор термонасосом передается в кипятильник.
Абсорбционное охлаждение состоит из трех контуров, между
которыми происходит обмен тепла. Первым является контур
отопительной воды, которая действует в качестве носителя
внутреннего теплообмена. Этот контур подключен к источнику тепла
- к когенерационной установке. Второй контур — это контур
холодной воды, который подключен прямо в контур охлаждения — как
центральное отопление, но вместо горячей воды наполнен водой
холодной, которая в помещении охлаждает воздух и отводит тепло
из помещения. Третьим является контур охладительной воды,
который отводит теплую воду к охлаждению. Охлаждение
осуществляется чаще всего посредством охладительных башен.
Габариты охладительного оборудования и его цена зависят от
температуры контура отопительной воды. Как правило, действует,
что чем выше температура теплой воды, тем меньше и дешевле будет
охладитель. Большинство выпускаемого промышленностью
оборудования работает при температуре от 90°С до 135°С. Контур
холодной воды работает с температурами, необходимыми для отвода
тепла из помещения, и находится в пределах от 7°С до 15°С.
Контур охладительной воды, отводящей тепло из охладителя,
работает при температуре от 20°С до 45°С.
Экологические
преимущества. •
Производство энергии — главный источник загрязнения.
Когенерация, используя первичное топливо в два-три раза
эффективней традиционной энергетики, снижает выбросы
загрязняющих веществ (оксида азота, двуокиси серы и летучих
органических соединений) в 2-3 раза, в зависимости от
конкретного случая.
В настоящее время, электростанции ответственны за 2/3 суммарных
национальных выбросов двуокиси серы (SO2), 1/4 окиси азота (NОх),
1/3 ртути (Нg) и 1/3 выбросов двуокиси углерода (СО2), основного
парникового газа. Эмиссии способствуют усугублению серьезных
экологических проблем, включая глобальное изменение климата,
кислотные дожди, смог, загрязнение водных артерий и эутрофикации
важнейших водоемов (процесса, при котором образуется переизбыток
питательных веществ, что приводит к быстрому росту водных
растений и подавлению других форм жизни, а также избыточному
образованию ила). Те же самые эмиссии вносят свою лепту в
многочисленные проблемы со здоровьем, такие как хронический
бронхит и обострение астмы, особенно у детей.
• Новые крупные электростанции наносят главный удар по экологии.
Станции когенерации малы и обычно расположены внутри
существующих зданий и заводов. Кроме того, уровень выбросов КГУ
на порядок ниже уровня крупных электростанций.
• Системы когенерации могут быть особенно полезны в районах, где
развитие ограничено вследствие экологических ограничений.
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования часто не
обеспечивают должного контроля за влажностью или удовлетворяет
потребности здания с помощью наружного воздуха. В комбинации с
осушителем воздуха (desiccant dehumidifier), когенерационные
системы обеспечивают лучший контроль за влажностью нежели
стандартные системы и снижают потенциал роста плесени и числа
бактерий. В комбинации с системой когенерации, абсорбционные
холодильники могут уменьшать эмиссии парниковых газов.
• Свалки больших городов и очистные сооружения городской
канализации при утилизации метана в малых и средних системах
когенерации дадут не только дополнительную электроэнергию
городу, но и примерно в 20 раз уменьшат загрязнение атмосферы по
сравнению с его сжиганием.
• Копенгаген уменьшил выбросы СО на 20% в 1998 г. по сравнению с
уровнем 1988 г. Такое значительное уменьшение среди прочих
причин вызвано расширением централизованного теплоснабжения (ЦТ)
и комбинированного производства тепла и электроэнергии (когенерации,
СНР).
Экономические
преимущества. Когенерация
предлагает превосходный механизм экономического стимулирования.
• Высокие затраты на энергию могут быть уменьшены в несколько
раз.
Например, при качественной реализации проекта, система
когенерации может вырабатывать энергию, себестоимость которой в
7 раз меньше, чем ее же стоимость у «АО-энерго».
• Уменьшение доли энергии в себестоимости продукции позволяет
существенно увеличить конкурентоспособность продукта.
В России доля энергии в себестоимости продукта колеблется от 10%
до 70%, что в 5-10 раз выше мирового уровня. В себестоимости
продукции химической промышленности на энергию приходится
порядка 70%.В металлургии — до 27%.
Темпы роста тарифов на энергию превышают темпы роста цен на
продукцию большинства отраслей хозяйства. Это явилось одной из
важнейших причин увеличения удельного веса затрат на энергию в
себестоимости продукции. Как показал проведенный анализ
деятельности ряда предприятий машиностроительного комплекса,
доля затрат на электрическую и тепловую энергию в себестоимости
продукции выросла с 1-2% в 1990 году до 16-20% в 1999 году.
Аналогичная тенденция наблюдается и на предприятиях легкой
промышленности, где проведенное обследование позволило
установить увеличение доли затрат на электрическую и тепловую
энергию в себестоимости продукции с 8-9% в 1995 году до 17-19% в
1999 году. Особо следует подчеркнуть, что при уменьшении выпуска
промышленной продукции в 3-4 раза потребление энергии на
предприятиях сократилось всего лишь в 1,5-2 раза. Использование
в производстве морально и физически устаревшего оборудования,
объясняемое, прежде всего, отсутствием у большинства
промышленных предприятий средств на его замену или модернизацию,
приводит к нерациональному расходу энергетических ресурсов и
лишь усугубляет ситуацию.
• Некачественное электроснабжение — главный фактор замедления
экономического роста.
Когенерация является практически самым оптимальным вариантом
обеспечения надежности снабжения электрической энергией. Рынок в
своей оценке перспектив бизнеса обращает пристальное внимание на
энергозависимость. Проблемы с электроснабжением в компании «eBay»,
занимающейся организацией интернет-аукционов, в одночасье
уменьшили её рыночную капитализацию на 20%.
• Энергозависимая экономика требует все больше и больше энергии
для работы и развития.
При традиционном энергообеспечении возникает множество
организационных, финансовых и технических трудностей при росте
мощностей предприятия, поскольку часто необходимы прокладка
новых линий электропередач, строительство новых трансформаторных
подстанций, перекладка теплотрасс и т.д.
В то же время, когенерация предлагает крайне гибкие и быстрые в
плане наращивания мощностей решения. Наращивание мощностей может
осуществляться как малыми, так и достаточно большими долями.
Этим поддерживается точная взаимосвязь между генерацией и
потреблением энергии. Таким образом, обеспечиваются все
энергетические нужды, которые всегда сопровождают экономический
рост.
• Стоимость прокладки энергокоммуникаций и подключение к сетям
могут вылиться в сумму, сравнимую или превосходящую стоимость
проекта когенерации.
Большая часть территории России (по различным оценкам от 50 до
70%) располагается вне зоны действия централизованных
электрических сетей. Природоохранные ограничения, стоимость
земли и воды, государственное регулирование — есть тысячи
препятствий для энергокомпании, решившей построить новую мощную
электростанцию.
• Топливом является газ, его преимуществом является
относительная дешевизна, мобильность и доступность.
• Когенерация позволяет воздержаться от бесполезных и
экономически неэффективных затрат на средства передачи энергии,
к тому же исключаются потери при транспортировке энергии, так
как энергогенерирующее оборудование установлено в
непосредственной близости от потребителя.
Еще в 1962 году Н.И.Сазонов отмечал, что передача газа по
газопроводам в 10-12 раз экономичнее передачи электрической
энергии по высоковольтным линиям электропередачи. Нормативные
потери в теплосетях — 5%, а реальные, в среднем, — 12-16% от
передаваемой тепловой энергии.
• С развитием реформ и принятием соответствующих законов в
России возникает привлекательное использование распределённых
генераторов — превращение миллионов частных домов, офисных
зданий и предприятий в производителей и продавцов
электроэнергии.
Реализация этой "программы-максимум" позволяет не только
рассчитывать на включение собственного генератора в случае
аварии или перегрузки местной электрической сети, но и следить
за разницей цен на газ и электричество и играть на этой разнице,
получившей название "искровой маржи" (spark spread), или просто
продавать энергию в периоды пиковых нагрузок и высоких цен. Чем
ближе создание рынка электроэнергии с изменяющимися в реальном
времени ценами, тем привлекательнее становится такой
"дополнительный" бизнес, способный при некоторых условиях стать
даже прибыльнее основного.
• Значительное и быстрое снижение эмиссий вредных веществ
приносит существенную пользу не только в экологическом
контексте.
Также имеет место моральное и экономическое удовлетворение
подобных усилий: снижение или полное избавление от штрафов,
гранты, налоговые льготы, снятие многих экологических
ограничений.
Существует несметное количество экономических выгод когенерации,
к сожалению, часть этого потенциала остается незамеченной
конечными пользователями, промышленностью, бизнесом и властью
или не реализованной предприятиями-исполнителями.
• Когенерация уменьшает затраты на топливо/энергию — КПД
производства энергии из первичного топлива увеличивается в 2-3
раза, потребители сокращают затраты на топливо на две трети и
получают возможность эффективного применения утилизируемого
тепла (сушка, охлаждение, кондиционирование и т.д.).
• Когенерация оптимизирует потребление природного газа —
снижаются затраты на приобретение газа, требования к газовой
инфраструктуре и беспокойство касательно запасов газа.
• Американский эксперт по распределенной энергетике Том Кастен (Tom
Casten) предсказывает, что США понадобится к 2010 году около 137
000 МВт новых мощностей. По Кастену, выполнение этих требований
потребует 84$ миллиарда для строительства новых электростанций и
220$ миллиардов для новых средств передачи и распределения
электроэнергии, то есть суммарно потребуется 304$ миллиарда.
Выполнение того же требования с применением распределенной
энергетики потребует 168$ миллиардов для новых электростанций,
но 0$ для линий электропередач.
«Когенерация снижает потребности в новых линиях электропередач —
позволяет избежать строительства дорогостоящих и опасных
высоковольтных линий над частной собственностью, экологического
противоборства. Распределенная энергетика в будущем могла бы
уменьшить капитальные вложения на 6 миллиардов и уменьшить
стоимость новой энергии до 3 центов за кВт, - говорит Кастен. -
С когенерационными системами, расположенными в непосредственной
близости от потребителя, исключаются потери энергии. Величины
потерь нынешних сетей лежат в пределах от 5 до 20% суммарной
мощности». |
