Когенерация в цифрах: состояние и перспективы

В последние годы в мире пришли к пониманию необходимости серьезного отношения к вопросам, касающимся охраны окружающей среды. Факт подписания Киотского протокола свидетельствует о наличии воли со стороны различных стран мира ответить вызову связанному с изменением климата и намерению сократить выбросы газов, вызывающих парниковый эффект. Именно в рамках данного контекста Европейской комиссией были обозначены три приоритетных направления по реализации своей энергетической политики, а именно:

- рациональное использование энергии;

- эффективность использования энергии;

- стимулирование разработок в области возобновляемых источников энергии.

 

Европе необходимо также найти решение по снижению своей энергетической зависимости. В настоящее время, фактически 50% ее потребностей покрываются благодаря импорту энергии. Если нынешняя тенденция сохранится, этот показатель может достигнуть 70%.

 

Если же верить прогнозам, то запасы нефти на планете будут исчерпаны менее чем через полвека, что дает основание предположить о резком росте цен в ближайшие годы.

 

Для того чтобы суметь противостоять этим новым угрозам, Европейская комиссия приняла решение по усилению своей стратегии в области диверсификации способов производства энергии и стимулирования процесса создания новых установок производства энергии, таких как установки когенерации. Цель заключалась в том, чтобы увеличить вдвое долю когенерации в общем объеме производимой Европейским союзом электроэнергии или, другими словами, с 9% в 1994 году достичь 18 % в 2010.

 

В европейских странах пришли к осознанию двойной выгоды от когенерации. С экономической точки зрения – это надежность энергоснабжения, рациональное использование энергии, экономия первичной энергии. С точки зрения охраны окружающей среды – это сокращение выбросов углекислого газа, выполнение обязательств в рамках Киотского протокола по изменению климата.

 

В 1998 году в странах Евросоюза 12% электроэнергии было получено методом когенерации. В Дании, Финляндии и Нидерландах показатель распространения когенерации на рынке является наивысшим, составляя 50% от общего объема производства электроэнергии. И, напротив, во Франции, Греции или Ирландии когенерация играет лишь второстепенную роль, составляя около 2% от общего объема производства.

 

С целью содействия развитию когенерации - технологии, позволяющей экономить первичную энергию и сократить выбросы углекислого газа, Еврокомиссией в 2004 году была опубликовано распоряжение, направленное на стимулирование когенерации.

 

В национальных масштабах, внедрение положений соглашения 97-01 и 99-02 активизировало работы по разработке установок средней и высокой мощности (> 1 MВт). Помимо этого, Закон от 10 февраля 2000 года, относящийся к модернизации и развитию коммунальных электроэнергетических служб в частях, касающихся установок когенерации малой мощности (менее 215 кВт), в свою очередь, предоставляет возможность выкупа (производимой электрической энергии – Прим. автора) со стороны Государственного энергетического управления Франции, а также негосударственных электросетей.

 

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

 

Технология когенерации, если и зовется революционной, все же не может считаться изобретением последнего времени, т.к. появилась в 1824 году. Она является результатом значительных достижений в области термодинамики и электротехники, полученных в ту эпоху.

 

Метод когенерации, как никогда актуален. Сегодня он представляет собой техническое решение, адаптированное с точки зрения, как экономики, так и экологии к энергетическим потребностям административно-территориальных образований и промышленных предприятий.

 

Когенерация – это одновременное производство тепла и механической энергии, как правило, преобразуемой в электрическую энергию от одного и того же источника энергии.

 

Рассмотрим пример когенерационной установки, использующей двигатель внутреннего сгорания (технология, наиболее широко распространенная в установках малой когенерации (так называемых установках ГПА – Прим. автора)). Речь идет о двигателе классического типа, берущем свое начало от автомобильных двигателей, который используется при когенерации малой мощности и работает на дизельном топливе или природном газе. Он приводит в действие генератор переменного тока, который преобразует механическую энергию в электрическую. Тепло, содержащееся в выхлопных газах, охлаждающей воде и смазочном масле, может быть отобрано для дальнейшего использования в отопительных системах или системах горячего водоснабжения.

 

При производстве электроэнергии в результате наличия двух отдельных классических процессов от 45 до 65% первичной энергии теряется в виде тепла, выделяемого в атмосферу (например, в градирнях). Технология когенерации, служащая для рекуперации этого тепла через теплообменники, способствует повышению энергоэффективности установки.

Тем самым она позволяет максимально использовать энергопотенциал топлива и довести общую производительность (электричество + тепло) до 80-90% вместо 35-40% при установке производства электроэнергии классического типа и 55% при цикле в комбинации с газом.

 

Сравнение между установками когенерации и раздельными процессами производства тепла и электричества при равных произведенных количествах тепла и электроэнергии:

 

u.e. : единица энергии, например, кВт x час

Данный пример позволяет сравнить установку когенерации общей производительностью 85 % со станцией раздельного производства тепловой и электрической энергии, использующей комбинированный газовый цикл производительностью 55 % (наиболее производительный в настоящее время способ производства) и газовый котел производительностью 90 %. При этом экономия первичной энергии составляет 17 %.

Производительность большинства работающих сейчас электростанций составляет 35 %. Если сравнить эту же когенерационную установку с современной электростанцией средней мощности (производительностью 35 %) и газовым котлом производительностью 90%, то экономия первичной энергии составит уже 35 %.

ВИДЫ ПРИМЕНЯЕМОГО ТОПЛИВА

В зависимости от локальных условий снабжения могут использоваться любые виды топлива. Однака, большинство когенерационных установок работает на природном газе.

Помимо этого, когенерация позволяет использовать также и возобновляемые источники, такие как биогаз.

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНА КОГЕНЕРАЦИЯ?

Понятие когенерации характеризуется тремя словами: энергия, экономия, экология.

Энергетический и экономический эффект

Когенерация позволяет максимально использовать энергетический потенциал топлива. Другими словами, производство равного количества электрической и тепловой энергии требует меньше топлива. Расчетная экономия первичной энергии или топлива по сравнению с традиционными системами раздельного производства составляет от 10 до 35 %.

С экономической точки зрения, такая энергетическая эффективность означает существенное сокращение издержек по счетам за полученную энергию (уменьшение количества энергии купленной у энергосетей, оптимизация стоимости производства тепловой энергии) и \ или существенную экономию за счет перепродажи энергосетям произведенной энергии.

Фактически, когенерационные установки предоставляют возможность возникновения обязательств по выкупу производимой ими электроэнергии со стороны Государственного энергетического управления Франции или негосударственного поставщика.

 

Эффект в области охраны окружающей среды

 

Одна из форм получения энергии, совместимая с долгосрочным развитием и оптимальным управлением природными ресурсами.

Благодаря своей энергетической эффективности, когенерация позволяет заметно снизить выбросы загрязняющих веществ и парниковых газов. Данный положительный эффект возрастает в случае использования таких видов топлива не ископаемого происхождения, как биогаз.

Вместе с тем, определение воздействия когенерация на окружающую среду представляет собой сложную задачу.

В самом деле, предварительно требуется определить взамен каких средств централизованного производства тепла и электроэнергии служит когенерационная установка.

По результатам работ проведенных Клубом когенерации в сотрудничестве ГДФ ЭксперГаз можно подсчитать, что применение малой когенерации, в зависимости от того какие средства производства электроэнергии и тепла замещаются, позволяет снизить выбросы CO2 с 15 до 29 %*.

 

 

Влияние на сети электроснабжения

 

Когенерационные установки – это децентрализованные производственные агрегаты. Они располагаются в непосредственной близости от местонахождения потребителей электроэнергии (городских центров, промышленных зон, больниц и т.д.), что позволяет:

- избежать большей части потерь на сопротивление, связанных с передачей электроэнергии;

- сократить необходимость увеличения издержек на сети;

- снизить перегрузки в определенных зонах.

 

Взаимодополняемость централизованных и децентрализованных средств производства электроэнергии, диверсификация энергетического парка

 

Стихийные бедствия 1999 года выявили, какой хрупкой была французская система, основу которой составляло централизованное, на базе крупных электростанций, производство энергии, которая затем распределялась по передающим и распределительным сетям.

 

Когенерация представляет собой одно из возможных решений по диверсификации энергетического производственного парка и развитию производства электроэнергии на местном уровне.

 

Непрерывное и качественное электроснабжение

 

Промышленные предприятия, размещенные в зонах по типу SEVESO, особо зависимы от бесперебойных поставок электроэнергии. Перебои в работе электросети, которой управляют RTE** и GRD*** случаются редко, но все-таки бывают! Промышленное предприятие, которому необходима абсолютная защита от любых перебоев в подаче электроэнергии, видит в когенерации надежный способ обеспечения своего объекта электроэнергией (ASI = Бесперебойная подача электроэнергии).

 

Социальные преимущества

 

Когенерационная установка не заменяет котел полностью, а лишь с пользой дополняет его. Эти дополнительные капиталовложения автоматически означают создание новых рабочих мест, как в части детального технического проектирования, так и в части монтажных работ и технического обслуживания когенерационной установки.

 

* Данные расчеты производились на примере установки малой когенерации производительностью по электроэнергии 30 % и производительностью по теплу 50 %. Если котел, работающий на природном газе (производительностью 85 %), заменить на когенерационную установку и принять за основу гипотетический средний уровень содержания СО2 в кВт электроэнергии по европейскому парку (по оценкам, составляющее 400 г СО2 на кВт), то выбросы СО2 сократятся на 119 г/кВт, т.е. на 15 %. Если теперь такой же когенерационной установкой заменить котел, работающий на дизтопливе (производительностью 85 %) и комбинированный цикл на газе для производства электроэнергии (расчетное содержание СО2 составляет около 430 г СО2 на кВт), то выбросы СО2 сократятся на 276 г/кВт, т.е. 29 %.

 

** Компания, управляющая сетями электропередачи (имеется в виду очень высокое напряжение свыше 63 КВ)

 

*** Компания, управляющая распределительными сетями (уполномоченный представитель Государственного энергетического управления Франции, исполняющий роль распределения электроэнергии внутри коммун и местных административно–территориальных образований при напряжении менее 63 КВ)

 

 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

 

Область применения когенерации:

Когенерация находит применение, как в промышленном секторе, так и в коммунальном хозяйстве, а также сфере обслуживания. Как в промышленном секторе, так и в коммунальном хозяйстве тепло может подаваться в виде пара и в виде горячей воды (например, отопление от городской теплосети*, производство холода при помощи абсорбционных холодильных систем), а также в виде горячего воздуха (например, технологические процессы сушки).

 

В то же время, необходимо, чтобы когенерационные установки находились вблизи объектов, потребляющих тепло. Это связано с трудностями его передачи, которая может осуществляться лишь с помощью высокотемпературной жидкотекучей среды.

 

Получаемые электроэнергия и тепло могут быть использованы на самом объекте или выставлены на продажу.

 

Область применения когенерации очень широка, и в числе прочих можно привести такие примеры, как:

- промышленность: большая потребность в горячей воде и горячем воздухе, большое и интенсивное потребление электроэнергии (агрегаты сушки в агропромышленном комплексе, бумажной промышленности, химии и т.д.);

- сфера обслуживания: (банки, офисные здания, торговые центры и т.д.);

- места общего пользования (больницы, дома для престарелых, общежития, аэропорты и т.д.);

- объекты общей собственности (бассейны, теплосети, здания местных административно-территориальных органов и т.д.)

 

* Тепло, производимое когенерационной установкой может передаваться по теплосети. Это позволяет обеспечить потребность в тепле большого количества зданий и целых кварталов путем замены традиционных котлов на теплообменники для каждого обслуживаемого клиента в отдельности.

 

ОГРАНИЧЕНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ КОГЕНЕРАЦИИ

 

Потребляющие объекты должны находиться поблизости от когенерационной установки. Особенно это касается тепла в связи с трудностями его передачи.

 

Другим ограничением при использовании когенерации, является необходимость соблюдения соответствия между производством и спросом на тепло. Согласно нормативным актам критерием когенерационной установки, как в плане производства, так и в плане эффективного использования полученного тепла является энергетическая эффективность. Теплопроизводительность установки должна быть обязательно адаптирована по времени и количеству потребностей объекта с тем, чтобы тепло использовалось максимально эффективно. Поэтому, при разработке ТЭО, следует точно рассчитать мощности.

 

СПОСОБЫ КОГЕНЕРАЦИИ

 

Наиболее распространены следующие три метода: паровые турбины, газовые турбины, двигатели сгорания. Если говорить конкретно, то в сфере малой когенерации (< 215 kW), наиболее распространены двигатели внутреннего сгорания, так называемые двигатели «de Stirling» и микро-турбины.

 

 

К этим проверенным методам можно добавить топливный элемент (использование тепла, выделяемого в результате реакции водорода с кислородом). Этот метод прошел первичную промышленную проверку, но пока существует лишь в виде пилотных установок и не должен появиться на рынке в ближайшие годы.

 

Тип технологии должен отбираться в зависимости от характера и потребностей оснащаемого объекта.

 

Например, турбины, как правило, обеспечивают высокий уровень давления и тепла, необходимое для производства пара, в то время, как газовый двигатель лучше приспособлен к производству горячей воды температурой менее 100°C и давлением ниже 5 бар.

 

 

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

 

Когенерация (комбинированное производство электроэнергии и тепла) дает 12 % от производимой в Европе электроэнергии. В последние годы рост установленной мощности составил примерно 7 % по сравнению примерно с 3% при других способах производства электроэнергии. Этот успех объясняется преимуществами данного метода: высокая энергетическая производительность, удовлетворительные экологические составляющие, гибкость в использовании и т.д.

 

Во Франции на долю когенерации приходится лишь от 4 до 5 % производимой электроэнергии (заметный рост по сравнению с 1999 годом, когда ее доля составляла 3 %) при установленной мощности около 4 750 МВ.

 

 

ТЯЖЕЛЫЕ ВРЕМЕНА

 

Сложившаяся сейчас конъюнктура не благоприятна для развития когенерации. Открытие европейского рынка электроэнергии привело к снижению цены продаж электроэнергии. Такая ситуация, сопряженная с высокими ценами на природный газ (основное топливо при когенерации) и неопределенностью, витавшей в отношении тарифов на газ в связи с открытием газового рынка, поставила под сомнение жизнеспособность некоторых проектов. Помимо отдельных трудностей, связанных с эксплуатацией, на рентабельность проектов могут оказывать негативное воздействие высокие цены на подключение к распределительным сетям. Производители вынуждены также предпринимать многочисленные административные действия перед тем, как получить разрешение на подключение и приобрести возможность перепродажи.

 

МАЛАЯ КОГЕНЕРАЦИЯ. МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП.

 

К малой когенерации относятся установки, электрическая мощность которых составляет менее 2,5 МВт.

 

В целях упрощения и снижения стоимости, проектировщики нашли «комплектный» подход к решению проблемы, объединив в один и тот же модуль все элементы установки малой когенерации.

 

В сущности, такой модуль представляет собой компактный моноблочный агрегат, звукоизолированный корпус которого объединяет шесть основных элементов:

 

- производства механической энергии (двигатель);

 

- производства электрической энергии (генератор переменного тока);

 

- производства тепловой энергии (система рекуперации);

 

- удаления продуктов сгорания;

 

- распределительный щит, укомплектованный автоматикой, органами управления работой агрегата, и органами защиты и подключения к сети низкого напряжения;

 

- звукоизоляции.

 

Принципиальная схема подключения когенерационного модуля. Источник: Руководство по эксплуатации когенерационного модуля. Данное руководство можно получить в Газ-де-Франс – Cegibat44 по адресу: 46 rue du Rocher75 008 PARIS01 47 54 75 75

www.cegibat.fr

 

Таким образом, речь идет об изделии, которое легко эксплуатировать и устанавливать, и которое не занимает много места. Фактически, чтобы его установить, потребуется лишь лаконичное инженерное решение с акцентом на анализе потребности в энергии (электрической и тепловой). Помимо того, модуль может быть установлен в уже существующем помещении котельной.

 

Основные преимущества модульного варианта:

 

- снижение издержек в результате унификации оборудования (благодаря его серийному производству);

 

- сокращение расходов на проектные работы по размещению оборудования;

 

- простота установки внутри существующих котельных;

 

- стандартное подключение (газ, вода, электричество, дымоудаление);

 

- возможность переноса модуля с одного объекта на другой в рамках управления арендуемым парком;

 

- стандартное техобслуживание;

 

- снижение воздействия вредных факторов (шум).

 

Позиционирование данной технологии (от нескольких кВт до 1 МВт) полностью вписывается в типоразмерный ряд технологий малой, мини- и микро-когенерации.

 

• Таблица производительности (модули < 215 кВт)

 

-	Газовый двигатель	Микро-турбина	Двигатель Stirling
Производительность по электроэнергии, %	25-36	25-30	10-25
Производительность по теплу, %	45-60	45-50	60-80
Общая производительность, %	75-85	75-78	90

 

 

Некоторые цифры по текущему состоянию рынка «малой когенерации» в Франции

 

 

Цифры приведены по состоянию на конец 2002 г. – Источник: ATEE, Club Cogeneration.

 

 

Объем рынка малой когенерации составляет 459 МВт при установленной мощности 4705 МВт (по совокупности когенерации) или 10 % общей установленной мощности (2002).