Применение альтернативных источников электрической и тепловой энергии для модернизации энергетической системы России

Применение альтернативных источников электрической и тепловой энергии для модернизации энергетической системы России

Технический директор ЗАО "ЭСКО 3Э" Милейковский Ю.С.

Вопрос экономически целесообразного использования тепловой и электрической энергии – это, в конечном итоге, вопрос конкурентоспособности Российской экономики. В нашей стране основной объем электрической и более 50 % тепловой энергии вырабатывается промышленными тепловыми электростанциями (ТЭЦ), на которых организовано экономически целесообразное и экологически приемлемое сжигание «неудобных» для малой энергетики видов топлива (уголь, мазут, ядерное топливо и т.д). Основу ТЭЦ составляют паровые котлы высокого давления и электрогенераторы с приводом от паровых турбин. Термодинамический цикл паровых турбин (один из самых экономичных реальных циклов) позволяет использовать от 35 до 45 % энергии сжигаемого топлива на выработку электроэнергии. От 4 до 5 % энергии топлива безвозвратно рассеиваются в атмосфере в виде потерь. Таким образом, в лучшем случае от 60 до 50 % энергии сжигаемого топлива может быть использовано только на нужды теплоснабжения промышленных предприятий или жилищного сектора. С другой стороны, для эффективности термодинамического цикла турбины требуется, чтобы указанная энергия содержалась в виде скрытой теплоты пара, температура которого в идеале должна соответствовать требуемому состоянию вакуума конденсаторов турбины, т.е (50-70)°С. Конденсация пара после турбины производится охлаждающей водой с параметрами (15-30) °С на входе и (35-60)°С на выходе. При сложившейся системе теплоснабжения использовать воду с температурой (35-60)°С непосредственно для отопления практически невозможно. Поэтому на промышленных ТЭЦ создана сложная система регенерации отработанного пара и подогрева отопительной воды до необходимых параметров. Однако указанная система в целом понижает эффективность ТЭЦ. Часть низко потенциального тепла попросту приходиться сбрасывать в атмосферу. В последнем утверждении не трудно убедится, наблюдая клубы пара над промышленными градирнями ТЭЦ. С другой стороны, перекачка теплоносителя с относительно высокими температурными параметрами от ТЭЦ к потребителю приводит к неоправданно высоким потерям тепловой энергии в окружающую среду через изоляцию теплотрасс. Даже поверхностный анализ экономических показателей существующей энергосистемы показывает, что основная доля стоимости электрической и тепловой энергии приходится на ее транспортировку к потребителю и потери в результате транспортировки. Все это следствие непомерной перегруженности и изношенности существующих транспортных артерий в результате утвердившегося экстремального режима их эксплуатации.

Еще большим системным злом является промышленное сжигание природного газа при восполнении дефицита тепловой энергии для нужд отопления и горячего водоснабжения. Таким образом, глубинной причиной неудовлетворительной эффективности нашей энергетической системы в широком смысле этого слова является ее технологическая отсталость, чрезмерная централизация и монополизация. Трудно переоценить важность принятых мер по реорганизации управления энергосистемой. Невозможно отрицать положительный вклад от внедрения самых популярных в нашей стране энергосберегающих технологий (например, приборов учета и регулирования отпуска тепловой и электрической энергии). К сожалению, указанные шаги не затрагивают технологической основы затратного механизма энергосистемы, а потому не смогут, по нашему мнению, кардинально улучшить ее эффективность.

Наша компания предлагает реализовать технологическую основу для экономических преобразований энергосистемы в общемировом русле передовой энергетики.

Это означает по существу:

- последовательное приближение источников электрической и тепловой энергии к объектам потребления при сохранении и развитии положительных качеств существующей централизованной энергосистемы;

- повсеместное внедрение технологий, позволяющих в непосредственной близости от потребителя в пределах возможного производить электрическую энергию при выработке требуемого объема тепловой энергии.

Мы полагаем, что такой путь позволит в относительно короткие сроки создать необходимый уровень конкуренции и качественных технологических изменений для получения экономически целесообразных цен на тепловую и электрическую энергию. Все это в конечном итоге даст мощнейший импульс для роста всей промышленности в целом.

Для названных целей мы предлагаем использовать относительно новые технологии на основе электро-теплогенераторов на газовом топливе (ГТЭ) в тандеме с тепловыми насосами. Тепловые насосы (ТН) в рассматриваемом случае – это термодинамические машины, которые позволяют использовать низко потенциальные источники тепла с температурой (5-30)°С для отопления и горячего водоснабжения промышленных и жилых объектов. Низко потенциальные источники тепла в огромных количествах распространены повсеместно. Тепловой насос позволяет в зимнее время нагревать, а в летнее время охлаждать помещение с помощью одних и тех же отопительных приборов. При этом, тепло, полученное ТН в результате охлаждения помещений, направляется на нужды горячего водоснабжения.

На пути массового распространения ТН в Российской Федерации непробиваемой стеной стоит соотношение тарифов на тепловую и электрическую энергию. Все объясняется просто. Приводом ТН, как правило, является электрический двигатель. На каждый киловатт электрической мощности своего привода тепловой насос, в среднем, вырабатывает примерно 4 кВт тепловой энергии. В России электрическая энергия дороже тепловой более чем в три раза, потому регенерация тепловой энергии с помощью ТН экономически нецелесообразна.

Монопольное установление тарифов на электрическую и тепловую энергию не отражают экономических реальностей производства указанных энергий, разорительно для производителей тепловой энергии и не стимулирует технического прогресса в области энергосбережения. Решение проблемы дешевой электроэнергии – это практически автоматическое решение проблемы теплоснабжения. Именно для целей получения дешевой электроэнергии нами предлагаются ГТЭ, основой которых являются двигатели внутреннего сгорания на газовом топливе с электрогенератором требуемой мощности и развитой системой утилизации тепла. ГТЭ могут размещаться как на площадях существующих отопительных котельных вместо водогрейных котлов, так и непосредственно на площадях промышленных предприятий и жилищно-коммунального сектора. Эти машины незаменимы для утилизации энергии попутных газов при нефтедобыче. Электрическая мощность выпускаемых ГТЭ может варьировать от 15 кВт до 20 МВт.

В журнале «Стройка» №5 за февраль 2002 года наша компания поместила статью (стр.205) с примером альтернативного тепло- и электроснабжения жилого дома, где использованы новые технологии (ГТЭ в паре с ТН). Мощность ГТЭ и ТН выбрана таким образом, чтобы покрывать среднюю нагрузку дома по электроэнергии, отоплению и горячему водоснабжению. Теплоэлектрогенератор (ГТЭ) на газовом топливе предназначен для электроснабжения дома и увеличения температуры греющего теплоносителя до необходимой величины. На каждый киловатт электрической энергии он вырабатывает 1.666 киловатта тепловой энергии в виде горячей воды или пара с общим КПД h=(0.94-0.96) %. Тепловой насос получает дешевую электроэнергию от ГТЭ. Он предназначен для утилизации тепла, сбрасываемого домом в окружающую среду, и охлаждения обратного теплоносителя до заданной температуры. Интеллектуальная система автоматического регулирования позволяет выбирать наиболее оптимальный режим потребления тепловой и электрической энергии, как с точки зрения потребности самого дома, так и сточки зрения потребности внешних сетей тепло и электроснабжения. Окупаемость данного проекта даже в координатах существующих цен на тепло, электроэнергию и газ – не более 2 лет. При этом, дом подключен к сетям централизованного тепло и электроснабжения с которыми производится обмен энергией в зависимости от конкретной ситуации при ее потреблении. Для теплоснабжения указанного дома параметры теплоносителя во внешней теплосети соответствуют 50°С на подающем и 30°С на обратном трубопроводе. Если представить, что все объекты теплоснабжения работают по аналогичному принципу, централизованная теплосеть, по сути, будет выполнять функцию охлаждающего контура ТЭЦ. Таким образом, сразу кардинально решаются несколько задач:

- общий КПД ТЭЦ увеличивается, как минимум, на 5 %;

- не менее, чем в два раза увеличивается средний срок эксплуатации существующих теплосетей и уменьшаются их потери в окружающую среду;

- отпадает необходимость прокладки дорогостоящих теплотрасс с усиленной изоляцией.

Применение современных теплогенерирующих технологий должно сопровождаться адекватным применением теплопотребляющего оборудования. Современные отопительные приборы настенного исполнения в самые лютые морозы надежно обогревают помещение водным теплоносителем с температурой 55°С. В свою очередь, новые отопительные устройства типа «теплый пол» при аналогичных условиях надежно обогревают помещение водным теплоносителем с температурой (28-35)°С. Стоимость таких отопителей только на 10% больше стоимости приборов настенного исполнения, но потребление тепловой энергии объектом, при этом, уменьшается на 30 %. Указанные отопительные приборы снабжены устройствами индивидуальной терморегуляции.

Предлагаемая система электро-теплоснабжения – этой слой малой и средней энергетики, расположенный в непосредственной близости от потребителя, которому в силу экологических и технических причин необходим в качестве топлива природный газ. Потенциал предлагаемой системы – это (40-60)% вырабатываемой тепловой и электрической энергии. Остальная часть электрической и тепловой энергии должна вырабатываться базовыми промышленными установками на топливе, применение которого в малой энергетике неэффективно. Целенаправленное и грамотное внедрение предлагаемых технологий ослабит нагрузку сетей централизованного энергоснабжения в (2-2.5) раза и существенно снизит транспортные потери, а также значительно увеличит надежность режима эксплуатации энергосистемы в целом.

Указанные технологии разработаны и успешно применяются в промышленно развитых странах. К сожалению, отечественная промышленность не производит конкурентоспособные аналоги. Ждать пока она сама по себе «раскачается» и изобретет свой собственный «велосипед» в условиях ограниченного финансирования научно-исследовательских работ, значит в очередной раз с большой долей вероятности остаться за бортом технического прогресса. Чтобы не получилось «как всегда», необходимо воспользоваться опытом процветающих стран и выполнить общепринятые элементарные правила доступа к передовым технологиям.

1) Создать экономически выгодные условия для экспорта и внедрения указанных технологий с обязательным условием инвестирования средств в отечественную промышленность для целей выпуска конкурентоспособных аналогов.

2) Сделать экономически не выгодным сжигание природного газа (ценного универсального топлива) только для целей получения тепловой энергии.

3) Реализовать жесткие экономические санкции за непосредственную трансформацию электрической энергии в тепловую.

4) Доступ к электрическим и тепловым сетям проводить на открытой конкурсной основе. Основными критериями конкурса являются только качество и цена поставляемой в сеть энергии. Исключительными привилегиями по присоединению к централизованным электрическим и тепловым сетям наделять только ТЭЦ и мусоросжигающие заводы.

Нетрудно просчитать, что в результате такой политики будет ликвидирован не только энергетический голод России, но и появятся избытки электрической энергии. Избыток электрической энергии – это достойная и экологически чистая экспортная продукция великой страны, которую легко учитывать и передавать на огромные расстояния в отличие от нефти и газа.

К сожалению, формат настоящей статьи не позволил нам рассказать о втором по значимости и очень перспективном альтернативном источнике получения электрической и тепловой энергии. Этим источником является тандем из гидроэлектрогенератора и теплового насоса.

В заключение, для наглядной иллюстрации наша компания предлагает очередной принципиальный вариант (см. рисунок) возможного применения новых технологий для альтернативного электро- и теплоснабжения индивидуальных коттеджей. Отношение электрической и тепловой мощности коттеджа принято как 1:8. Электро-теплогенератор обеспечивает коттедж 100 % электроэнергии и 40 % тепловой энергии. Оставшиеся (60-70) % электрической мощности направляются на тепловой насос (ТН), который преобразует низкопотенциальное тепло, получаемое от подпочвенной воды, и восполняет оставшийся дефицит тепловой энергии. В межотопительный сезон ТН в режиме обратного цикла охлаждает коттедж и электро-теплогенератор. Краны (1.1-1.3) и (2.1-2.3) служат для переключения коттеджа с зимнего режима работы на летний. Система автоматического регулирования позволяет оптимально и с максимальным комфортом распределять электрическую и тепловую нагрузку коттеджа. Окупаемость дополнительных вложений зависит от типа топлива, используемого электро-теплогенератором, и составляет 2-3 года.

СХЕМА ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРО-ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО КОТТЕДЖА



1. Система отопления
2. Бытовые потребители электроэнергии
3. Бытовые потребители горячей и холодной воды
4. Бак расширительный
5. Электрический бойлер ГВ
6. Циркуляционный насос отопления
7. Электро-теплогенератор на газовом или дизельном топливе
8. Тепловой насос
9. Система утилизации тепла использованной воды
10. Бассейн
11. Дымовая труба
12. Скважина для отвода воды
13. Скважина для подвода воды
14. Емкость для сбора сточных вод