Статьи

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. Сравнение между когенерацией и раздельным производством электричества и тепла приводится в таблице 1, основанной на типичных значениях КПД.

   Таблица 1

Раздельное производство электроэнергии и тепла
Когенерация

Исследования, разработки и проекты, реализованные в течение последних 25 лет, привели к существенному усовершенствованию технологии, которая теперь действительно является зрелой и надежной. Уровень распространения когенерации в мире позволяет утверждать, что это наиболее эффективная (из существующих) технология энергообеспечения для огромной части потенциальных потребителей.

Преимущества технологии

Технология когенерации действительно одна из ведущих в мире. Что интересно, она прекрасно сочетает такие положительные характеристики, которые недавно считались практически несовместимыми. Наиболее важными чертами следует признать высочайшую эффективность использования топлива, более чем удовлетворительные экологические параметры, а также автономность систем когенерации.

Технология, которой посвящен данный ресурс, не просто “комбинированное производство электрической (или механической) и тепловой энергии”, — это уникальная концепция, сочетающая преимущества когенерации, распределенной энергетики и оптимизации энергопотребления.

Следует заметить, что качественная реализация проекта требует наличия специфических знаний и опыта, иначе значительная часть преимуществ наверняка будет потеряна. К сожалению, в России очень мало компаний, которые действительно обладают необходимой информацией и могут грамотно реализовать подобные проекты.

Выгоды от использования систем когенерации условно делятся на четыре группы, тесно связанные друг с другом.

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 электричесткой 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 энергобеспечении возникнает 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 компаниями-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 $136 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.

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 к естественному и умышленному разрушению, 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 отличии от, например, атомной электростанции.

Когенерация - 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, 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 TAT (Thermally Activated Technologies). Цели программы сфокусированы в направлениях восстановления тепла КГУ и путях дальнейшего увеличения эффективности. TAT 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 TAT для получения конкурентных преимуществ в экономике и энергетике в будущем.

  TAT 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.

Когенерация - 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 (NOx), 1/3 ртути (Hg) и 1/3 выбросов двуокиси углерода (CO2), 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 СО2 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).