Тригенерация: альтернатива централизованному энергоснабжению

По сравнению со странами Европы, где на объекты распределенной генерации приходится сегодня почти 30% всей выработки, в России по различным оценкам доля распределенной энергетики составляет сегодня не более 5-10%. Поговорим о том, есть ли шансы у российской распределенной энергетики догнать мировые тренды, а у потребителей — мотивация двигаться в сторону независимого энергоснабжения.  

Источник

Кроме цифр. Найди отличия

Различия между системой распределенной генерации электроэнергии в России и Европе на сегодня не сводятся к цифрам — по сути это совершенно разные модели как по структуре, так и с экономической точки зрения. Развитие распределенной генерации в нашей стране имело мотивы, несколько отличные от тех, что стали основной движущей силой подобного процесса в Европе, стремившейся компенсировать недостаток традиционных видов топлива путем вовлечения в энергобаланс альтернативных источников энергии (в том числе вторичных энергоресурсов). В России же вопрос снижения затрат на покупку энергоресурсов для потребителей в условиях плановой экономики и централизованного тарифообразования длительное время имел значительно меньшую актуальность, поэтому о собственной электрогенерации задумывались в основном в тех случаях, когда предприятие являлось особенно крупным потребителем энергии и в виду своей удаленности имело трудности с подключением к сетям.

По меркам распределенной энергетики, объекты собственной генерации имели довольно высокую мощность — от 10 до 500 МВт (и даже выше) — в зависимости от нужд производства и с целью обеспечения ближайших населенных пунктов электроэнергией и теплом. Поскольку передача тепла на расстояния всегда сопряжена со значительными потерями, шло активное строительство водогрейных котельных для собственных нужд предприятий и городов. Кроме того, собственные энергоисточники — будь то ТЭЦ или котельные, строились на газе, мазуте или угле, а технологии ВИЭ(возобновляемых источников энергии), за исключением гидроэлектростанций,  и ВЭР (вторичные энергоресурсы) применялись в единичных случаях. Сейчас картина меняется: постепенно появляются объекты малой электрогенерации, и в энергетический баланс, пусть и в меньшей степени, вовлекаются альтернативные источники энергии.

На Западе многое делается для развития малой генерации, а в последнее время широкое распространение получила концепция виртуальной электростанции (ВЭС). Это система, которая объединяет большую часть игроков рынка электрогенерации — производителей (от мелких генераторов частных домовладений до когенерационных станций) и потребителей (от жилых домов до крупных промышленных предприятий). ВЭС регулирует энергопотребление, сглаживая пики и перераспределяя нагрузки в режиме реального времени, используя все доступные для этого мощности системы. Но подобная эволюция невозможна без стимулирования рынка распределенной генерации со стороны государства и без соответствующих изменений в законодательстве. 

В России в условиях жесткой конкуренции и монополии централизованного электроснабжения реализация избытков производимой электроэнергии во внешнюю сеть остается хоть и решаемой, но далеко не простой с точки зрения организации и стоимости процесса задачей. Поэтому в настоящее время шансы стать полноценным участником рынка среди крупных поставщиков у объектов распределенной энергетики крайне малы.

Тем не менее, развитие собственной генерации сегодня, безусловно, в тренде. Основной фактор ее роста — надежность энергоснабжения. Зависимость от генерирующих и сетевых компаний повышает риски производителей. Большинство крупных объектов генерации в России были построены еще во времена СССР, и их солидный возраст дает о себе знать. Для промышленного потребителя прекращение энергоснабжения вследствие аварии — это риск остановки производства и очевидные потери. Если желанию снизить риски сопутствуют экономические мотивы (определяемые главным образом тарифной политикой регионального поставщика) и инвестиционные возможности, то собственная генерация оправдывает себя на 100%, и все больше промышленных предприятий сегодня готовы (или рассматривают для себя такую возможность) идти по этому пути.

Поэтому у распределенной электрогенерации «для собственных нужд» перспективы развития в России довольно высоки.

Собственная генерация. Кому она выгодна

Экономика каждого проекта строго индивидуальна и определяется множеством факторов. Если попытаться обобщить максимально, то в регионах с большей концентрацией генерирующих мощностей и промышленных предприятий, более высокими тарифами на электроэнергию и тепло, собственная электрогенерация — объективный шанс существенно снизить затраты на покупку энергоресурсов.

Сюда же нужно отнести труднодоступные и малонаселенные регионы со слабо развитой или вообще отсутствующей инфраструктурой электросетей, где, безусловно, самые высокие тарифы на электричество.

В регионах, где меньше потребителей и поставщиков электроэнергии, а также большую долю вырабатываемой электроэнергии составляют ГЭС, тарифы заметно ниже, и экономика таких проектов в промышленности не всегда выигрышна. Однако для предприятий отдельных отраслей, имеющих возможность использовать альтернативное топливо, например, отходы производства, собственная генерация может быть отличным решением. Так, на рисунке ниже – ТЭЦ на отходах деревообрабатывающего предприятия.

Если мы говорим о генерации для коммунальных нужд, общественных зданий и объектов коммерческой и социальной инфраструктуры, то до недавнего времени экономика подобных проектов в значительной степени определялась уровнем развития энергетической инфраструктуры региона и, в не меньшей степени, стоимостью технологического присоединения потребителей электроэнергии. С развитием тригенерационных технологий подобные ограничения фактически перестали быть определяющими, а побочное или вырабатываемое тепло в летний период стало возможно использовать для нужд кондиционирования, что сильно повысило эффективность энергоцентров.

Тригенерация: электроэнергия, тепло и холод для объекта

Тригенерация — довольно самостоятельное направление развития малой энергетики. Она отличается индивидуализмом, поскольку ориентируется на удовлетворение потребностей конкретного объекта в энергоресурсах.

Самый первый проект с концепцией тригенерации был разработан в 1998 году совместными усилиями Министерства энергетики США, национальной лабораторией ORNL и производителем АБХМ (абсорционно бромистолитиевый холодильных машин)  BROAD и реализован в США в 2001 году. Тригенерация основана на применении абсорбционных холодильных машин, которые в качестве основного источника энергии используют тепло и позволяют вырабатывать холод и тепло в зависимости от потребностей объекта. При этом применение обычных котлов, как в когенерации, в такой схеме не является обязательным условием.

Помимо традиционных тепла и электричества тригенерация обеспечивает производство холода в АБХМ (в виде захоложенной воды) для технологических нужд или для кондиционирования помещений. Процесс производства электричества так или иначе происходит с большими потерями тепловой энергии (например, с выхлопными газами генераторных машин).

Вовлечение этого тепла в процесс получения холода, во-первых, минимизирует потери, повышая итоговый КПД цикла, а во-вторых, позволяет снизить потребление электроэнергии объекта по сравнению с традиционными технологиями выработки холода с применением парокомпрессионных холодильных машин.

Возможность работать на различных источниках тепла (горячая вода, водяной пар, уходящие газы от генераторных установок, котлов и печей, а также топливо (природный газ, дизельное топливо и пр.) позволяет использовать АБХМ на абсолютно разных объектах, задействовав именно тот ресурс, который имеется в распоряжении предприятия.

Так, в промышленности можно использовать сбросное тепло:

А на объектах городского хозяйства, в коммерческих и общественных зданиях возможны различные комбинации источников тепла:

Тригенерационный энергоцентр можно рассчитывать и строить, исходя из потребностей в электроэнергии, а можно опираться на холодопотребление объекта. Смотря что из указанного является определяющим критерием для потребителя. В первом случае утилизация побочного тепла в АБХМ может быть не полная, а во втором случае может иметь место ограничение по собственной генерируемой электроэнергии (восполнение производится за счет закупки электричества из внешней сети).

Где выгодна тригенерация

Диапазон применения технологии весьма широк: тригенерация может одинаково хорошо встроиться и в концепцию какого-нибудь общественного пространства (например, большого торгового центра или здания аэропорта), и в энергоинфраструктуру промышленного предприятия. Целесообразность внедрения таких проектов и их производительность сильно зависят от местных условий как экономических, так и климатических, а для промышленных предприятий еще и от стоимости выпускаемой продукции.

Первый и самый важный критерий — потребность в холоде. Самое распространенное его применение на сегодняшний день — кондиционирование общественных зданий. Это могут быть и бизнес-центры, и административные здания, больничные и гостиничные комплексы, спортивные объекты, торгово-развлекательные центры и аквапарки, музеи и выставочные павильоны, здания аэропортов – словом, все объекты, где одновременно находится множество людей, где для создания комфортного микроклимата требуется система центрального кондиционирования.

Наиболее оправданно применение АБХМ для подобных объектов площадью от 20-30 тыс. кв. м (бизнес-центр средних размеров) и заканчивая гигантскими объектами в несколько сотен тысяч квадратных метров и даже больше (торгово-развлекательные комплексы и аэропорты).

Но на таких объектах должен быть спрос не только на холод и электроэнергию, но и на теплоснабжение. Причем теплоснабжение — это не только отопление помещений в зимнее время, но и круглогодичное снабжение объекта горячей водой для нужд ГВС. Чем полнее используются возможности тригенерационного энергоцентра, тем выше его эффективность.

Во всем мире существует множество примеров применения тригенерации в гостиничной сфере, строительстве и модернизации аэропортов, образовательных учреждениях, деловых и административных комплексах, центрах обработки данных, немало примеров и в промышленности — текстильной, металлургической, пищевой, химической, целлюлозно-бумажной, машиностроительной и т.п.

В качестве примера приведу один из объектов, для которого в компании «Первый инженер» разрабатывали концепцию тригенерационного энергоцентра.

При потребности в электрической энергии на промышленном предприятии порядка 4 МВт (вырабатываемыми двумя газопоршневыми установками (ГПУ)), требуется холодоснабжение на уровне 2,1 МВт.

Холод генерируется одной абсорбционной бромистолитиевой холодильной машиной, работающей на выхлопных газах ГПУ. При этом одна ГПУ полностью покрывает 100% потребности АБХМ в тепле. Таким образом, даже при работе одной ГПУ завод всегда обеспечен необходимым количеством холода. Кроме того, при выведенных из работы обеих газопоршневых установок, АБХМ сохраняет способность генерировать тепло и холод, поскольку имеет резервный источник тепла — природный газ.

Тригенерационный энергоцентр

В зависимости от нужд потребителя, от его категории и требований по резервированию, схема тригенерации (представлена на рисунке ниже) может быть очень сложной и может включать энергетические и водогрейные котлы, котлы-утилизаторы, паровые или газовые турбины, полноценную водоподготовку и т.д.

Но для относительно небольших объектов в качестве основной генерирующей установки обычно выступает газовая турбина или поршневая установка (на газе или дизеле) сравнительно малой электрической мощности (1-6 МВт). Они производят электроэнергию и побочное тепло выхлопа и горячей воды, утилизируемые в АБХМ. Это минимальный и достаточный набор основного оборудования.

Да, здесь не обойтись без вспомогательных систем: градирня, насосы, станция реагентной обработки оборотной воды для ее стабилизации, система автоматизации и электрохозяйство, позволяющее использовать генерируемое для собственных нужд электричество.

В большинстве случаев тригенерационный центр — это отдельно стоящее здание, либо блоки контейнерного исполнения, либо комбинация этих решений, поскольку требования по размещению электро- и теплогенерирующего оборудования несколько различаются.

Электрогенерирующее оборудование достаточно стандартизированое, в отличие от АБХМ, хотя и технически более сложное. Сроки его изготовления могут составлять от 6 до 12 месяцев и даже больше.

Средний срок изготовления АБХМ — 3-6 месяцев (в зависимости от холодопроизводительности, от количества и типов греющих источников).

Как правило, изготовление вспомогательного оборудования не будет превышать тех же сроков, поэтому общая продолжительность реализации проекта строительства тригенерационного энергоцентра в среднем составляет 1,5 года.

Результат

Во-первых, тригенерационный центр позволит сократить число поставщиков энергии до одного – поставщика газа. Исключив закупку электроэнергии и тепла, можно, прежде всего исключить любые риски, связанные с перебоями в энергоснабжении.

Работа на тепле с использованием относительно недорогой «избыточной энергии» снижает стоимость вырабатываемой электроэнергии и тепла по сравнению с ее покупкой. А круглогодичная загрузка генерирующих мощностей по теплу (зимой для отопления, летом- для кондиционирования и технологических нужд) позволяет обеспечить максимальную эффективность. Разумеется, как и для других проектов,  основное условие — разработка правильной концепции и ее технико-экономическое обоснование.

Из дополнительных плюсов —  экологичность. Используя выхлопные газы для выработки полезной энергии, мы сокращаем выбросы в атмосферу. Кроме того, в отличие от традиционных технологий выработки холода, где хладагентами выступают аммиак и фреоны, АБХМ использует в качестве хладагента воду, что также сводит экологическую нагрузку к минимуму.

Источник: habr.com