Крупные потребители энергии имеют достаточно средств для найма квалифицированных экспертов для оценки стоимости строительства собственных энергетических объектов или для выбора вариантов сотрудничества с энергосистемами по вопросам совместного участия в реконструкции генерирующих и сетевых объектов. Но специалистам и руководителям малых предприятий и муниципальных образований необходимо самим ориентироваться в выборе энергоэффективных проектов. Техническая литература и популярные издания замусорены разными рекомендациями по применению малой, и альтернативной энергетики, в т.ч. по использованию ветровых, солнечных установок, микро-ГЭС, малых ТЭЦ с использованием биотоплива и всякого хлама. Несомненно, все подходящие варианты энергоустановок должны быть рассмотрены из миллиона… Однако, рекомендации, основанные на апробированном опыте западных стран, часто экономически неоправданы в России, а срок окупаемости проектов обычных ТЭЦ в России иногда в два раза и более короток, чем в США. В этой статье предпринята очередная попытка определить «зоны» применения разных вариантов малых ТЭЦ в России. Главное отличие малой энергетики Энергоснабжение от больших электростанций предполагает наличие электрических и тепловых сетей, через которые энергия передается большому числу потребителей разделенных по категориям надежности потребления, объемам потребления, социального статуса и соответственно тарифам. Необходимость строительства и эксплуатации сетей удваивает или утраивает стоимость энергии, получаемой конечным потребителей и у нас, и за рубежом. Малая ТЭЦ строится для одного или группы потребителей, объединенных в локальную сеть. Поскольку у отдельного малого потребителя протяженность сетей минимальна, в дальнейшем анализе будем рассматривать только стоимость генерации и режимы использования энергии у самого потребителя. Большая энергетика как ориентир При рассмотрении проектов сооружения малых ТЭС энергетики и специалисты предприятий ориентируются на показатели, достигнутые в большой энергетике. В большой энергетике применяются все более сложные схемы генерации электроэнергии. Растет и КПД электростанций в основном за счет применения и усложнения электростанций с парогазовыми установками. Если КПД паротурбинных электростанций лет 40 как застыл на отметке 42%, то КПД электростанций со сложным циклом, включающих электрогенераторы с газотурбинным и паротурбинным приводом, в 1993 г. имели «парадный» КПД = 51,5%, а года три назад, т.е. в 2003 г., КПД таких установок (на Западе) вырос до 56,5%, т.е. рос по 0,5% в год. И перспективы роста КПД обычной «тепловой» энергетики еще велики. Отличия малой энергетики Из рассмотрения по понятным причинам исключаем АЭС и солнечные электростанции (СЭС). Конечно, только ленивый дачник в России не поставил солнечный водонагреватель для душа. Что касается солнечных электростанций, то у нас и на Северном Кавказе солнца меньше, чем в Калифорнии, а в Калифорнии стоимость «зеленой энергии» от СЭС в два раза выше, чем от традиционных электростанций. Дорого построить хорошую угольную ТЭЦ мощностью менее 10 МВт. Но датчане строят котельные и ТЭЦ, сжигающие древесные отходы, и даже солому. Вот только в России урожайность пшеницы ниже и солому собрать труднее (А.М. Мастепанов). Сложнее собрать и сжечь городской мусор. Такие проекты должны быть достаточно крупными. Не будем «копаться» и в водородной энергетике. Новомодная водородная энергетика по КПД не сможет угнаться за обычной энергетикой. Да, малые ТЭЦ на водороде с прямым преобразованием энергии водорода в электрохимических генераторах должны быть надежны (нет высокотемпературных поверхностей и уймы вращающихся агрегатов— турбин, генераторов, насосов), экологичны по факту, т.к. при каталитическом окислении водорода получаются только выбросы Н2О. Однако по стоимости и экономичности в целом водородная энергетика пока и «рядом не стоит» с обычной энергетикой. Об этом наконец-то откровенно года два назад написали и сами американцы. А кроме того, в обычной газотурбинной установке (ГТУ), в которой сжигается природный газ (в горелку природный газ и воздух подаются через компрессоры под давлением), а высокотемпературные газы раскручивают силовую турбину, компрессор и электрогенератор. Воздух подается в газовую турбину с избытком: он работает как «рабочее тело» в турбине, а часть его просто используется для охлаждения стенок горелки и лопаток турбины. В последние два десятилетия построены газотурбинные установки, в которых воздух частично заменялся водой или паром. При этом увеличивался КПД ГТУ в полтора раза, в полтора-два раза увеличивалась удельная мощность агрегата (при тех же объемах). При современных технологиях в таких циклах достижим электрический КПД 64% (такой КПД и не планируется в водородной энергетике…) Фактически сложный парогазовый цикл реализуется в одной турбоустановке! Кроме того, при этом значительно уменьшаются вредные выбросы окислов азота (NOX). А если подавать в турбину не воздух, а кислород? Тогда азот не будет поступать в камеру сгорания и не будет окислов азота. Получить кислород становится все дешевле и дешевле ввиду развития мембранных технологий. По просочившимся в интернет сведениям, в США ведутся разработки такого проекта, и возможно к концу 2006 г. или в начале 2007 г. будут результаты испытаний. Ну, просто «бальзам на душу» экологам! Эти достижения опять не для нас! Ни РАО «ЕЭС России», ни государство не финансирует такие «прорывные» проекты. В малой энергетике нецелесообразно рассматривать возможности применения сложных схем комбинированных циклов ПГУ для производства электроэнергии. Ограничимся простыми решениями. Малые ТЭЦ для России Вырабатывать и электроэнергию и тепло на ТЭЦ выгоднее, чем отдельно вырабатывать тепло на котельной и отдельно вырабатывать электроэнергию на электростанции. Выигрыш по использованию топлива составляет 30%! Всем нужны ТЭЦ! На тепловых электростанциях, отпускающих тепло и электроэнергию, вырабатывается около 60% всей электроэнергии России. Россия— самая холодная из всех великих держав. Но вот отличие: нам тепла в принципе нужно больше, чем другим странам! А при таком требовании не нужен супервысокий электрический КПД, т.е. возможно использование более простых и дешевых энергоустановок. Во многих отраслях промышленности круглогодичные затраты на тепло выше, чем на электроэнергию. Тепло населению летом нужно только для горячего водоснабжения, а это только 15–20% от зимнего объема потребления. В торговых центрах и крупных офисных учреждениях нужно и в России летом охлаждение (кондиционирование). А в этих случаях нужно больше электроэнергии, т.е. электрический КПД ТЭЦ должен быть выше. Какой выбор электрогенерирующих установок для малой ТЭЦ (или ТЭС)? Паротурбинные установки — ПТУ (топливо для котла любое) ❏ российские паротурбинные установки. Самые маленькие с хорошим КПД, но по мощности не менее 500 кВт по стоимости чуть выше 300 $/кВт. (есть и другие, но с малым КПД и неизвестной надежностью); ❏ американские паротурбинные установки: 50 и 150 кВт по стоимости 450–500 $/кВт. Не забудьте еще построить паровой котел по стоимости ориентировочно 50 $/кВт со всеми причиндалами (если у вас нет парового котла). Обычные газотурбинные установки — ГТУ (топливо: газ или солярка) Для получения тепла нужны котлы-утилизаторы дымовых газов (по удельной стоимости сравнимы с паровыми котлами). ❏ российские газотурбинные установки мощностью от 2500 кВт и выше, стоимость ориентировочно 600 $/кВт. КПД = 24% и выше при увеличении мощности; ❏ украинские ГТУ с теми же показателями (есть и с впрыском воды в турбину для повышения мощности и КПД); ❏ другие, но дороже. Возможно использование ГТУ и меньшей мощности, но при этом уменьшается надежность (используются редукторы) и резко повышается удельная стоимость 1 кВт установленной мощности. Необычные ГТУ В России продаются высокооборотные газотурбинные установки (производство США и Европа). Их мощности: 30; 70; 100 и 200 кВт. С низким КПД = 17–22%. Дорогие, дороже 1000 $/кВт (!), но очень хороши для отдаленных «точек» потому, что легкие… Высокочастотный шум легко глушится! Электрогенерирующие установки с поршневым приводом (на бензине, солярке и природном газе). По мощности от нескольких кВт до 6000 кВт в одном агрегате и более. По КПД (до 43%) превышают ГТУ и ПТУ во всех диапазонах по мощности. По маневренности и независимости от погодных условий они лучше турбин. А срок службы поршневых агрегатов выше, чем у турбин в два-три раза. Удельная стоимость зависит от мощности агрегатов. Газопоршневые электрогенераторные блоки (работающие на газе) стоят заметно выше, чем дизели. Альтернативная энергетика Из альтернативной энергетики нам на выбор остались гидроэлектростанции (ГЭС) и ветровые электростанции (ВЭС). Малые ГЭС Есть отличные российские гидроэлектрогенераторы. При мощностях 1–5 МВт стоимость оборудования составляет около 300 $/кВт. Но не забудьте про стоимость строительства плотины, здания и т.д. Есть рукавные и наплавные электростанции. Стоимость этого оборудования дороже. Большинство рек равнинные и соорудить запруду значительной высоты — это проблема… А зимой реки в России замерзают. И здесь есть выход. На большой реке можно соорудить подводную ГЭС. Для этого нужно установить на баржу гидроэлектрогенераторы по типу ветряков. Баржу подвести по реке к поселку, соединить кабелем с берегом и… затопить так, чтобы верхним краем лопасти гидрогенератора не доставали зимой до дна. Это дорогое решение может оказаться приемлемым для какого-то северного поселка, где стоимость топлива в пять раз выше, чем в Москве. ВЭС Ветровые электроагрегаты относились всегда к малой энергетике. Но за последние 10 лет мощности единичных ветряков выросли с 350–500 до 3500 кВт. При этом их стоимость уменьшилась с 1500 до 900 $/кВт. Уже построены береговые и морского «базирования» ВЭС с десятками агрегатов мощностью в сборке более 40 МВт. Это в Дании и Германии. Мы в Калмыкии еще в 1992 г. поставили агрегат мощностью 1000 кВт. Но не заработал он — то ли по причине, что подшипники сгорели, то ли потому, что СССР не стало. Датчане были готовы продавать нам б/у ВЭС мощностью 350 кВт за «копейки» (в три-четыре раза дешевле с гарантией на шесть лет, но вот незадачи —скорости ветра в Дании (практически остров) со всех сторон около 8 м/с, а на российских равнинах всего-то лишь 3–5 м/с. При таких скоростях развиваемая мощность будет в (8/5)3 = 4,7 раза меньше! И когда эта дешевизна окупится! Конечно, на наших Северах скорости ветра и поболе, чем 8 м/с, но выдержат ли датские пластмассовые лопасти (рассчитанные на круглогодичную плюсовую температуру) наши морозы –50°С? А масло в редукторе? А электроника? Бывает, что и ветра нет. Тогда нужно комбинировать ВЭС с дизельной электростанцией. Один из предлагавшихся российскими инженерами вариантов: использовать большую часть энергии ВЭС для отопления. Действительно, чем больше ветер зимой, тем больше тепла «выдувается» из дома, но тем больше (в кубической степени!) дает энергии ветряк. Причем, можно не стабилизировать частоту и напряжение, а подавать такую совсем «не ГОСТовскую» электроэнергию прямо в водяной котел или просто в электронагреватели. Конструкция электрогенератора будет намного дешевле. Не нужно редуктора. Можно поставить лопасти самолетного типа «без ограничения скорости вращения» даже в шторм. Но это специальная задача. Для тех мест, куда топливо доставляется Северным морским путем. В настоящее время в России изобретают тихоходные ВЭС разных типов. Но стоимость ВЭС малосерийного производства есть и будет выше, чем в Дании, где создана национальная индустрия ВЭС и серийное их производство. Это датская «фишка» и датская гордость. Тем не менее, датское правительство перестало в 2002 г. субсидировать строительство ВЭС, потому, что в реальности стоимость электроэнергии от ВЭС была значительно выше электроэнергии, получаемой от обычной тепловой энергетики. Посмотрите на рисунок, как дорога электроэнергия в Дании. Сравнение стоимостей различных электростанций Сравнение стоимостей различных электростанций, приведенных к 1 кВт, публиковалось в технической литературе нечасто. Такая статья лет 20 назад была опубликована Э.М. Перминовым и еще несколько лет назад подобное сравнение провел П.П. Безруких. Это известные в России специалисты по нетрадиционной энергетике. За прошедшие десятилетия стоимость обычных ТЭЦ и АЭС возросла, а стоимость солнечных и ветровых электростанций уменьшилась значительно. Ниже приведено сравнение затрат для тепловых электростанций. Заключение В Москве проектируются и строятся помимо «Мосэнерго» новые парогазовые ТЭЦ («Москва-Сити» и др., 160–200 МВт), газотурбинные энергоблоки (отечественные энергоблоки по 6–10 МВт и более) устанавливаются на районных тепловых станциях и котельных, т.е. котельные превращаются в ТЭЦ. Новые торговые комплексы вокруг Москвы и в Москве обзаводятся собственными «тригенерационными» электростанциями (электроэнергия + тепло + холод) мощностью по 4–6 МВт с использованием газопоршневых энергоблоков зарубежного производства. Периодически поднимаются вопросы о строительстве новых мусороперерабатывающих заводов и ТЭЦ со сжиганием мусора в Москве, Рязани и других городах. В предыдущие годы было поставлено несколько ветровых электростанций зарубежного производства на зарубежные гранты на побережье под Санкт-Петербургом и рядом с Калининградом. А вот по солнечным электростанциям в пределах России пока нет никаких радостных сообщений. В обозримом будущем обычная электроэнергетика, основанная на газовых ТЭЦ, в России будет оставаться весьма выгодным бизнесом, учитывая, что стоимость электроэнергии и тепла в ряде регионов России приблизилась к мировым ценам, а стоимость природного газа пока в пять раз ниже, чем в Европе и в обозримом будущем всегда будет в два раза дешевле (из-за разницы в стоимости доставки). Строить свою ТЭЦ нужно сейчас, если есть газ. В других случаях считайте варианты. Графики и таблицы взяты из литературы,указанной ниже. Остальные цифры в оценках приводятся по памяти автора из собственных оценок и публикаций российских и зарубежных специалистов.
1. Don’t ignore network costs.Michael Brown. Director ofWADE and Editor of COSPP.
