Распределенная когенерация на муниципальных котельных

В настоящее время, когда строительство крупных тепловых электростанций сталкивается со многими социальными, экологическими и инвестиционными трудностями, теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) небольшой мощности становятся более привлекательными. Такие станции называют когенерационными.
К 2015 году три четверти генерирующих мощностей российских электростанций исчерпают свой ресурс. Поэтому эффективность небольших энергоисточников сегодня весьма актуальна. Во-первых, по причине происходящих в РФ процессов либерализации энергетического рынка и кризиса в эксплуатации крупных систем централизованного теплоснабжения. В связи с этих одним из путей повышения эффективности энергетического производства является развитие локальных децентрализованных источников комбинированного производства электроэнергии и тепла.
Технологии мини-ТЭЦ становятся приоритетными по целому ряду причин. В первую очередь из-за меньшего влияния на окружающую среду и экономии топлива.
Сегодня рынок централизованного отопления переживает переход от монополии к конкуренции. Большие предприятия, работающие на централизованные системы центрального отопления подвергаются сильной конкуренции со стороны децентрализованных источников отопления, таких как автономные котельные и распределенная когенерация.

Преимущества мини-ТЭЦ:
1. Относительно небольшая себестоимость автономного производства электроэнергии. Газопоршневые мини-ТЭЦ имеют высокий электрический КПД (35-42%). Поэтому себестоимость автономного производства электроэнергии в 2-3 раза дешевле, чем тарифы местных энергетических компаний.
2. Снижение затрат на коммуникации. При строительстве новых объектов отпадает необходимость платить за подключение к внешней электрической сети и прокладывать теплотрассу. Для старых объектов отпадает необходимость в постоянном ремонте имеющихся теплотрасс.
3. Использование тепла. В когенераторных установках утилизируется тепло, выделяющееся при производстве электроэнергии. Тепловой КПД газопоршневых мини-ТЭЦ составляет 47-52%. Это тепло может быть использовано в технологических целях (в том числе и в виде пара), на отопление и горячее водоснабжение. Кроме того, тепло может быть абсорбировано с целью получения охлажденной воды.

Использование в мире
Политика правительств многих промышленно развитых стран направлена на поощрение строительства источников комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Парламент стран Европейского Союза поставил задачу к 2010 году увеличить удельный вес производства тепловой и электрической энергии с 11% (2000 г.) до 20%. Принятая Директива 2004/8/EC должна способствовать достижению поставленной цели.
В некоторых странах сооружение мини-ТЭЦ поддерживается на законодательной основе. Правительство Великобритании, например, возвращает часть налогов владельцам мини-электростанций с низким уровнем загрязнения окружающей среды.
В Германии действует закон, где определены компенсации и льготы владельцам энергетических установок. Кроме того, централизованные сети обязаны покупать излишки электроэнергии по тарифам, мало отличающимся от их собственных тарифов при реализации.
В некоторых штатах США приняты законы, по которым владельцы автономных источников энергии освобождаются от налогов и получают компенсацию за счет бюджета на часть капитальных расходов. Электроснабжающие компании обязаны покупать у владельцев мини-ТЭЦ излишки электроэнергии.
В Дании, Голландии доля когенерации на рынке генерации электроэнергии составляет более 40%, а к 2015 году прогнозируется увеличение до 55% при прогнозируемом дальнейшем росте стоимости газа. Такой казалось бы парадокс объясняется просто – чем дороже энергетический ресурс (природный газ), тем более эффективно его нужно использовать. А когенерация на базе газопоршневых двигателей в данный момент и является самой эффективной технологией производства электрической и тепловой энергии из органического топлива.

Реализованные проекты в мире:
В Германии (г. Хейденхее) построена мини-ТЭЦ электрической мощностью 540 кВт (шесть компактных модулей по 90 кВт) и тепловой мощностью 900 кВт (6-150 кВт). Уже в первые годы после ее пуска годовая выработка электроэнергии достигла 3,24... ...3,42 ГВт • ч, выработка тепла 5,58. ..6,14 ГВт-ч (4 800...5 280 Гкал); КПД по электрической и тепловой энергии составил 30,8...31,2 и 53,0...55,9 %.
Мини-ТЭЦ в Дорстене, на которой также установлено шесть модулей (суммарная электрическая мощность — 930, тепловая — 1 560 кВт) за 1 год выработала 7,9 ГВт • ч (6 794 Гкал) тепловой и 4,74 ГВт • ч электрической энергии. Коэффициент использования тепла топлива (т.е. КПД, учитывающий как электрическую, так и тепловую нагрузку) составил 86,4 %.

Возможности решения в России
Спрос на электроэнергию в России исторически удовлетворялся большими электростанциями и единой национальной энергетической сетью, а спрос на тепло — опять большими ТЭЦ и системой централизованного теплоснабжения от них. В промышленно развитых государствах доля малой энергетики занимает 13−17% от общего объема выработки электроэнергии и тепла, а в некоторых европейских странах достигает 40%. Вызвано это тем, что во многих случаях гораздо выгоднее поставить мини-ТЭЦ, чем протягивать многокилометровые линии электропередачи и тепловые магистрали с крупных ТЭЦ. В России имеется огромное количество старых муниципальных котельных, которые по-прежнему вырабатывают только тепло по стоимости, превышающей все разумные пределы.


Источник «Сатурн-Газовые Турбины»

Медленное развитие когенерации в России объясняется отсутствием грамотного регулирования существенных вопросов, в частности, взаимодействия с электрическими системами общего назначения

Технические особенности решения
Выработка электроэнергии непосредственно в месте потребления с помощью газопоршневых станций или микро-турбин на коммунальных котельных с электрическим КПД 28-35%, является не менее эффективным, чем “большая энергетика” в целом, так как разницу в КПД выравнивает отсутствие потерь на передачу электроэнергии.
Наименее затратным методом создания таких энергоисточников является «надстройка» электрогенерирующими мощностями существующих котельных в коммунальной энергетике, при этом сбросное тепло первичного двигателя (газовой турбины или поршневого двигателя), обладающее значительным энергопотенциалом, используется для нужд отопления и горячего водоснабжения (ГВС) локальных потребителей тепла.
Как правило, лимиты на газ для котельных имеют некоторый запас, который может быть использовать для выработки э/э (на газо-поршневой установке или с помощью минитурбины). Мощность может составить от 100кВт до нескольких мВт. При этом всегда закрываются собственные нужды котельной – в итоге вся необходимая ЖКХ э/э может вырабатываться в таких мини-ТЭЦ. Это не значит, что мини-ТЭЦ надо отключать от энергосистемы города, хотя бы из соображений надежности.
Электростанция на базе двигателя внутреннего сгорания представляет собой энергетическую установку, состоящую из двигателя, генератора, вырабатывающего электроэнергию, щита управления и контроля, а также распределительного устройства, которое может размещаться в диспетчерском помещении.
Электростанции могут работать на бензине, дизельном топливе, природном, попутном и биологическом газе. Кроме того, могут использоваться низкокалорийные газы, содержащие метан. Например, газ мусорных свалок, шахтный газ.
В зависимости от типа двигателя внутреннего сгорания газовые когенераторные установки подразделяются на газотурбинные или газопоршневые.
В газотурбинной установке (ГТУ) в качестве двигателя используется газовая турбина.
В газопоршневых установках (ГПУ) используют специальные поршневые двигатели, работающие на природном газе. Обычно эти двигатели разрабатываются на базе транспортных дизелей (автомобильных, тракторных, локомотивных, судовых). Иногда ГПУ называют "газопоршневыми агрегатами" (ГПА), но чаще используется термин "газопоршневая мини-ТЭЦ".
Практика эксплуатации мини-ТЭЦ подтвердила, что такие установки могут работать без постоянного обслуживающего персонала с осмотрами 1 раз в 3...4 дня.
Сбросное тепло модулей мини-ТЭЦ можно использовать в абсорбционных тепловых насосах для получения холода. По первоначальным капитальным затратам холодильные агрегаты с приводом от газового двигателя приблизительно соответствуют аналогичным устройствам с электрическим приводом, однако более эффективны в эксплуатации.

Пример экономического расчета
Когенерационные установки на базе газопоршневых двигателей имеют наивысший на сегодняшний день общий КПД (эффективность преобразования энергии топлива в электричество и тепло) превышает 87%. Это позволяет иметь минимальную топливную составляющую в себестоимости производимой электроэнергии.
Данные: на тепловых электростанциях (ТЭС), расположенных вдали от городов и сбрасывающих избыточное тепло в атмосферу (транспортировать его до ближайшего потребителя на десятки километров не имеет смысла), производится около 65% всей электроэнергии России. Имеющееся на таких ТЭС оборудование имеет электрический КПД 26÷32%. Такое оборудование сжигает на 40% больше топлива, чем когенерационная установка на базе газопоршневых двигателей для производства одинакового объема электроэнергии. При этом когенерационная установка произведет еще столько же тепловой энергии, которая может быть использована
Себестоимость энергии, произведённой собственной мини-ТЭС, зависит от двух составлящих: затраты на покупку газа для работы установки и затрат на техническое обслуживание.
Затраты на покупку газа рассчитываются исходя из правила, справедливого для большинства газопоршневых установок (КПДэл.=37-38%): при потреблении 1м3 природного газа установка вырабатывает 3,5кВт электричества и 4,5 кВт тепла.
Затраты на техническое обслуживание включают: расходные материалы (масло, фильтры, ремни, свечи и т.д) и стоимость регламентных работ. Величина этих затрат определяется единичной мощностью установки.
Потребление газа на мини-ТЭЦ возрастает в сравнении с обычным режимом работы котельной приблизительно на 3-6%.
Удельные затраты на реконструкцию котельной равны $500-600/кВт. Столь низкие стоимостные показатели обусловлены тем, что мини-ТЭЦ строиться не с «нуля», а создается в результате реконструкции существующей котельной, а также тем, что используемое энергетическое оборудование имеет блочное исполнение и оснащено всеми необходимыми системами. Время переоборудования котельной в мини-ТЭЦ составляет примерно 1,5 года, из которых основное время – это многочисленные согласования. Размер затрат в среднестатистическом случае составит 60-70 млн руб. Срок окупаемости проекта реконструкции котельной в мини-ТЭЦ при заемных средствах составляет 2-4 года, новой мини-ТЭЦ 3-6 лет. Затраты на строительство новой мини ТЭЦ равны $1000-1200 кВт.

Примеры реализации проектов
Основные этапы работы:
1. Разработка технико-экономического обоснования 1-2 месяца, рабочей документации 4-6 месяцев.
2. Заказ, изготовление, поставка в полном объеме материалов и оборудования примерно 4-7 месяцев.
3. Строительно-монтажные и пусконаладочные работы со сдачей объекта Заказчику 16-17 месяцев.
Определяющим в сроке создания мини-ТЭЦ является время на изготовление основного оборудования, по данным заводов-изготовителей - около 4-7 месяцев. Кроме того, срок реализации проекта в целом существенно зависит от времени согласования и утверждения проекта.