Преимущества теплофикации

Установки по теплоснабжению в ОАЭ внешне выглядят вполне привлекательно и оригинально.
Фото пресс-службы Alstom

Система теплоснабжения является значимым и энергоемким сектором экономики, в котором потребляется примерно 40% используемых в стране энергоресурсов и, следовательно, задача повышения энергоэффективности экономики не может быть решена без повышения энергоэффективности теплоснабжения.

Наиболее совершенным методом централизованного теплоснабжения, обеспечивающим экономичность энергетического производства, является теплофикация – комбинированная выработка электрической и тепловой энергии, обеспечивающая более высокую степень экономической эффективности производства электрической и тепловой энергий по сравнению с их раздельной выработкой. В России ТЭЦ, которые в теплофикационном режиме вырабатывают как тепловую, так и электрическую энергию, стали основой централизованного теплоснабжения. Доминирующая роль теплофикации в теплоснабжении будет сохраняться и в дальнейшем.

Вместе с тем можно отметить, что традиционная система водяного теплоснабжения не позволяет в полной мере проявить все преимущества теплофикации. По мнению многих специалистов, «старые решения по эффективности теплофикации, принятые при низком КПД теплоэнергетических установок, не соответствуют изменившимся условиям».

Перспективы ТЭЦ

Тенденции развития современной энергетики предполагают, что КПД ТЭЦ будет расти. Причем изменения в энергетике обусловлены не только необходимостью внедрения передовых энергоэффективных технологий, но зачастую носят вынужденный характер. Как отмечают многие ведущие специалисты в области энергетики, большинство ТЭЦ с существующим оборудованием морально и физически устарели и не соответствуют современным достижениям научно-технического прогресса. В процессе модернизации ТЭЦ будет происходить замена энергоблоков с паровыми турбинами на блоки с ПГУ (парогазовыми установками). Энергоблоки с ПГУ имеют электрический КПД, достигающий 58%, а в перспективе и больше. При этом следует отметить, что, обладая высокой экономичностью, парогазовые ТЭЦ требуют для своего строительства значительно меньших капитальных вложений, чем паротурбинные.

При замене паротурбинных блоков на парогазовые (при неизменной электрической мощности) тепловая мощность отборов турбин уменьшится примерно в 2,5 раза.

Так, например, для энергоблока № 8 ТЭЦ-26, который станет наиболее эффективной ПГУ в России, электрическая мощность составляет 420 МВт, тепловая – 228 Гкал/ч (265 МВт). Для сравнения: энергоблок мощностью 100 МВт с паровой турбиной Т-100 имеет электрическую мощность 100 МВт, тепловую – 160 Гкал/ч (186 МВт).

Для обеспечения зимней отопительной нагрузки при данных условиях придется увеличивать тепловую мощность котельных. Такое решение проблемы теплоснабжения является далеко не самым оптимальным (в европейских странах и США в законодательном порядке запрещено сжигать газ в котельных без оснащения их газотурбинными установками).

Одним из путей решения проблемы дефицита тепловой мощности является применение «избыточной» электроэнергии для теплоснабжения.

Условия, при которых целесообразно применение электроэнергии для целей теплоснабжения, следующие: тепловая нагрузка больше тепловой мощности отборов турбин; затраты энергии при электротеплоснабжении должны быть меньше, чем для традиционной системы водяного теплоснабжения (в том числе и с учетом потерь в сетях); коэффициент использования теплотворной способности топлива ТЭЦ примерно равен коэффициенту полезного действия котельных (сюда следует включить и соотношение потерь при транспорте тепла).

Таким образом, идея электротеплоснабжения достаточно проста – возникающий при модернизации ТЭЦ дефицит тепловой мощности отборов турбин компенсировать за счет увеличения выработки электроэнергии. Для обеспечения потребителей теплом газ пропустить не через котел, а через уже имеющуюся турбину. Получим примерно то же количество энергии, но этой энергии для теплоснабжения понадобится в два раза меньше, а если использовать тепловые насосы (ТНУ), то и в три-четыре раза. А если вдруг потеплело, то эту энергию можно пустить для работы кондиционеров или для зарядки аккумуляторов электромобилей или для производства сжиженного газа (про запас).

Разумеется, речь не идет о полном отказе от применяющейся в настоящее время системы водяного теплоснабжения. Пока при производстве электроэнергии выделяется низкопотенциальное тепло, применение системы водяного теплоснабжения неизбежно. Вместе с тем включение в состав традиционной системы теплоснабжения элементов электротеплоснабжения позволит повысить энергоэффективность всего энергетического комплекса.

Попытаемся приближенно оценить, насколько применение электроэнергии для теплоснабжения целесообразно при переходе от паротурбинных энергоблоков к парогазовым.

Индонезийский вариант парогазовой установки. Фото пресс-службы Alstom

Физика процесса

Утверждение о нецелесообразности применения электроэнергии для целей теплоснабжения справедливо лишь при производстве электроэнергии в конденсационном режиме, когда низкопотенциальное тепло не используется в тепловом цикле. При работе ТЭЦ в теплофикационном режиме (когда низкопотенциальное тепло используется) затраты топлива на производство тепловой и электрической энергий определяются лишь коэффициентом использования теплотворной способности топлива (КИТТ). Для современных ТЭЦ КИТТ приближается к КПД котельной, и, таким образом, при сгорании одного и того же количества топлива и в котельной, и в ТЭЦ образуется одно и то же количество энергии. Потребителю безразлично, каким образом доставляется к нему энергия – по тепловым сетям при помощи горячей воды или по электрическим сетям. Требуется лишь наличие приборов, преобразующих электрическую энергию в тепловую.

За счет чего достигается такая эффективность электротеплоснабжения?

Во-первых, за счет больших возможностей регулирования тепловой мощности системы. Электротеплоснабжение позволит регулировать мощность в зависимости от потребности как по месту, так и по времени (вышел из помещения – снизил мощность системы). Так, например, по данным руководителя ООО «Викс-1» Виктора Горбачева, применение электроэнергии позволяет снизить расход энергии для отопления только по месту потребления в два раза. А если учесть еще возможное уменьшение потерь при передаче энергии, а также улучшение условий работы всей энергосистемы, достигаемое за счет применения электроэнергии для теплоснабжения, то снижение потребления энергоресурсов, а следовательно, и степени загрязнения атмосферы продуктами сгорания будут весьма значительны. Во-вторых, электроэнергия в отличие от тепловой может использоваться и для других целей: для работы бытовой и другой техники. В-третьих (это вытекает из предыдущего пункта), может быть значительно снижена неравномерность графика электрической нагрузки энергосистемы. Это обусловлено тем, что система теплоснабжения вследствие своей инерционности сможет «одолжить» свою энергию для обеспечения работы других потребителей.

К этому следует добавить, что для объектов, теплоснабжение которых осуществляется только за счет электрической энергии, значительно упростится состав оборудования – одни и те же сети могут использоваться и для теплоснабжения, и для электроснабжения. При этом значительно повысится живучесть системы теплоснабжения за счет возможности приема энергии из других регионов и более высокий уровень энергетической безопасности за счет возможности подключения автономных аварийных источников питания у наиболее ответственных потребителей.

При этом вопреки общепринятому мнению себестоимость электротеплоснабжения не будет выше себестоимости теплоснабжения от котельных. Это связано с тем, что при электротеплоснабжении затраты первичной энергии будут как минимум в два раза меньше, и для теплоснабжения наиболее вероятным будет использование основного энергетического оборудования, мощность которого возрастет на величину, несколько меньшую дефицита тепловой мощности. А поскольку с увеличением мощности турбоагрегатов их удельная стоимость уменьшается, то себестоимость электроэнергии (по сравнению с тепловой, полученной в котельных) возрастет не так уж значительно. Кроме того, отпадет необходимость в излишних котельных. Следует также ожидать, что некоторые из составляющих себестоимости (зарплата и пр.) с увеличением мощности энергоблока изменятся незначительно. Кроме того, отпадет необходимость в излишних котельных, а некоторое увеличение базовой мощности за счет влияния электротеплоснабжения на выравнивание графика нагрузки приведет к снижению мощности пиковых энергоисточников, что в целом может привести к общему снижению стоимости энергосистемы.

Испанский вариант когенерации в Картагене. Фото пресс-службы Alstom

Будущее электротеплоснабжения

В дальнейшем позиции электротеплоснабжения будут только усиливаться. Этому будут способствовать следующие факторы:

1. Увеличение доли энергоэффективных зданий как за счет строительства новых, так и за счет реконструкции существующих. При этом наблюдается тенденция к росту электропотребления в быту. Сокращение тепловых потерь зданий до величин, сопоставимых с потреблением электроэнергии в быту, позволит использовать одни и те же электрические сети для целей теплоснабжения и электроснабжения.

Для энергоэффективных зданий плотность тепловой нагрузки в тепловых сетях может быть настолько незначительна, что станет нецелесообразным применение водяной системы теплоснабжения с ее тепловыми пунктами, сетями и системами перекачки теплоносителя. Затраты на эксплуатацию такой системы могут превысить эффект от ее применения.

2. Изменения в энергетике. По мнению многих специалистов, в ближайшее десятилетие в энергетике могут произойти изменения, способные коренным образом изменить весь ее облик. К этим изменениям можно отнести и развитие технологий получения энергии, не связанных с использованием углеводородов, увеличение доли угля в энергетике, доли АЭС, возобновляемых источников энергии и другие. Если хотя бы частично эти прогнозы реализуются, то не исключено, что преобладающая в настоящее время система водяного теплоснабжения не сможет органично вписаться в систему энергоснабжения.

3. Практически неизбежным является использование бытовых отходов в качестве сырья для производства энергии. Проблемы сбора, переработки и утилизации твердых бытовых отходов в настоящее время входят в ряд острейших экологических, экономических и социальных проблем. Сжигание твердых бытовых отходов позволяет получить большое количество электрической и тепловой энергии. Институтом химической физики РАН разработан метод огневой переработки полигонов захоронения с использованием технологии сверхадиабатического горения. Продуктами переработки являются горючий газ, грунт и минеральные остатки, пригодные в качестве стройматериалов.

Наиболее вероятным представляется использование этой технологии для совместного производства электрической и тепловой энергий. Сжигание бытового мусора для выработки только теплоты представляется менее привлекательным, так как предполагается достаточная удаленность этого производства от жилых массивов, что делает транспорт тепловой энергии нерациональным.

4. Рост цен на энергоресурсы и ограничения на величину выбросов продуктов сгорания в атмосферу неизбежно приведут к необходимости сократить сжигание углеводородов даже за счет применения более капиталоемких технологий.

К этому следует добавить, что рядом исследователей отмечается, что теперь и у нас, в России наблюдается летний пик потребления электроэнергии, обусловленный все более широким распространением кондиционеров и холодильного оборудования, а кроме того, повсеместным внедрением водонагревателей, используемых в период регламента системы горячего водоснабжения. Мощности, используемые в холодное время для теплоснабжения, летом могут быть использованы для кондиционирования и холодоснабжения.

В каком виде может быть реализовано электротеплоснабжение? В настоящее время наиболее вероятным представляется применение следующих технологий: отопительных панелей мягкого ИК-излучения (инфракрасных обогревателей) и тепловых насосов. Для системы горячего водоснабжения возможна схема двухступенчатого нагрева – до средней температуры (40–50о С) вода нагревается тепловым насосом (в летнее время кондиционером), а до высокой температуры (используемой не так уж и часто) – проточными водонагревателями.

По сравнению с ИК-панелями тепловой насос потребляет меньше энергии, но имеет более высокую стоимость, более сложен в монтаже, меньше возможности регулирования.

Можно предположить, что обе эти энергоэффективные технологии могут быть использованы в системах теплоснабжения.

ИК-панели целесообразно применять в энергоэффективных зданиях с незначительными теплопотерями, а тепловой насос может применяться в зданиях, требующих больших затрат энергии для теплоснабжения.

Технология «умных сетей»

Отдельно следует остановиться на технологии Smart Grid («умные сети»). Технология Smart Grid действует через систему «интеллектуальных» счетчиков, установленных на предприятиях, в квартирах, которые позволят создать равновесие между многочисленными производителями и потребителями электроэнергии, что позволит потребителю значительно снизить расходы на электроэнергию.

Основными проблемами, которые препятствуют распространению технологии Smart Grid в России и в мире, являются:

– отсутствие надежных накопителей энергии – и именно эту проблему сможет решить система электротеплоснабжения, которая способна сглаживать «короткие» пики потребления энергии;

– отсутствие мотивации у генерирующих компаний, так как их прибыли напрямую зависят от объемов проданной электрической энергии, а при введении новой технологии доходы могут значительно снизиться. Возможно, что применение электроэнергии для теплоснабжения частично может устранить и эту проблему.

Таким образом, внедрение электротеплоснабжения будет способствовать более успешному внедрению технологии Smart Grid, которая, в свою очередь, позволит более полно реализовать преимущества электротеплоснабжения – налицо синергетический эффект этих двух прогрессивных энергоэффективных технологий.

Следует заметить, что, по некоторым данным, во Франции стационарными системами электрического отопления оборудовано около 40% всех зданий, в Испании – 30%, в Финляндии – 30%, в Норвегии – свыше 80%.

Особенно востребовано может быть электротеплоснабжение в труднодоступных районах, в которых обеспечение энергией и теплом осуществляется за счет привозных топливно-энергетических ресурсов, а потребность в тепле намного превышает потребность в электроэнергии. С целью сокращения расхода этих ресурсов имеет прямой смысл не сжигать эти ресурсы с целью получения тепла, а превращать в электроэнергию, которой понадобится гораздо меньше.

Российские перспективы

Есть ли вероятность, что в России электротеплоснабжение будет широко применяться? В настоящее время вряд ли. Это обусловлено прежде всего отсутствием мотивации к повышению энергоэффективности теплоснабжения у организаций, обеспечивающих население теплом. Пока прибыль этих организаций зависит от количества отпущенного тепла (не важно, куда ушло это тепло – через теплоизоляцию сетей в грунт или через форточки в атмосферу), стимула к энергосбережению не будет.

Тем не менее по мере роста цен на энергоносители, а следовательно, и топливной составляющей в себестоимости энергии и приближения оплаты услуг ЖКХ к социально опасному пределу, переход к электротеплоснабжению неизбежен. По-видимому, разумным будет такой подход, когда потребитель будет платить за определенный, минимально допустимый уровень теплового комфорта (что сверх того – по счетчику), а прибыль поставщиков энергии будет обеспечиваться за счет снижения издержек производства.