В настоящий момент почти общепринятой является точка зрения о неприемлемости использования электроэнергии для целей теплоснабжения. В Концепции РАО «ЕЭС России» [1] отмечается, что «…Нужны веские причины, чтобы дважды преобразовывать энергию топлива: сначала из тепла, выделившегося при сжигании топлива, получать электроэнергию с КПД не более 50 %, а затем электрическую энергию вновь преобразовывать в тепловую (пусть даже с КПД близким к 100 %)…».
Можно показать, что это утверждение справедливо лишь в случае, если производство электроэнергии осуществляется в конденсационном режиме. Для оценки затрат энергии для теплоснабжения с применением электроэнергии предполагается гипотетическая схема, в которой вся энергия от ТЭЦ потребляется одной группой потребителей, соотношение электрической и тепловой мощностей ТЭЦ постоянны, постоянны также тепловая и электрическая нагрузки потребителей.
Теплоснабжение объектов осуществляется либо только водяной системой, либо только за счет потребления электроэнергии (для объектов, не входящих в зону теплового покрытия ТЭЦ). В действительности возможно применение комбинированной системы, которая в рамках всей группы потребителей рассматриваемой ТЭЦ может обладать более высокой экономичностью. Целью рассматриваемого примера является не технико-экономическое обоснование целесообразности применения той или иной системы, а всего лишь сравнение затрат первичных энергоресурсов.
Вводятся следующие соотношения: W = Qd/Nd — отношение тепловой производительности ТЭЦ Qd к ее электрической мощности Nd; I = Qтр/Nтр — отношение требуемой тепловой нагрузки потребителей Qтр к требуемой электрической нагрузке потребителей Nтр. С учетом принятых соотношений, дополнительная тепловая мощность котельной, обеспечивающей требуемое количество тепла:
ΔQ = Qтр – Qd = Nтр(I – w).
Если же недостаток тепловой мощности обеспечивается за счет электротеплоснабжения, дополнительная электрическая мощность ТЭЦ
ΔN = Qтр – (Nтр + ΔN)w,
или, с учетом принятых соотношений, ΔN = (INтр + ΔN)w и окончательно:
Таким образом, электротеплоснабжение потребует увеличения электрической мощности ТЭЦ, но это будет не пиковая малоэффективная мощность, а базовая — экономичная. Можно заметить, что в частном случае, когда зона теплового покрытия ТЭЦ равна зоне электрического покрытия (w = i), ΔN = 0. Отношение затрат топлива при прямом электроотоплении Δmэ и для случая, когда для покрытия недостающей тепловой мощности используется котельная, Δmк определится из выражения:
ΔQ = ΔmкHuηк,
здесь Hu — теплотворная способность топлива; ηк — КПД котельной. Дополнительная электрическая мощность ТЭЦ при электроотоплении ΔN = ΔmэHuηэ, здесь ηэ — электрический КПД ТЭЦ, тогда запишем:
Поскольку w = Qd/Nd = ηт/ηэ, здесь ηт — тепловой КПД ТЭЦ, кроме того, имеет место ηт + ηэ = Kит, где Kит — коэффициент использования теплоты топлива (фактически это полный КПД ТЭЦ), то окончательно
Получен ожидаемый результат — если при производстве электроэнергии в ТЭЦ «подбирается» по возможности все низкопотенциальное тепло, то соотношение расходов топлива при электротеплоснабжении и при теплоснабжении от котельной определяется лишь соотношением их полных КПД. В настоящее время КПД котельной несколько больше, чем коэффициент использования теплоты топлива ТЭЦ. Например, в [2] приводятся значения: ηк = 0,9, Kит = 0,86.
Таким образом, электротеплоснабжение при существующем коэффициенте использования теплоты топлива ТЭЦ, даже если учитывать только затраты топлива, несколько уступает теплоснабжению от котельной. С учетом того, стоимость ТЭЦ значительно превышает стоимость котельной, применение электротеплоснабжения представляется еще менее целесообразным. Однако приведенные выше соотношения учитывают затраты энергии лишь на участке производства энергии.
Если же учесть потери на участках транспортировки и потребления энергии непосредственно в отапливаемых помещениях, то позиции электротеплоснабжения уже не столь безнадежны. С учетом весьма укрупненных показателей потерь энергии (учтены те показатели, по которым у рассматриваемых систем есть значительные отличия), приведенное ранее соотношение расходов топлива представится в виде здесь
ηсет.к, ηсет.э — коэффициент, учитывающий потери энергии при ее транспортировке от источника к потребителям, в том числе и на привод сетевых насосов; ηрег.к, ηрег.э — коэффициент, учитывающий потери энергии вследствие несоответствия затрат энергии требуемому (здесь же учитываются «перетопы», потери в теплообменных аппаратах и т.п.). С учетом указанных потерь система электротеплоснабжения может оказаться предпочтительнее.
И если потери в тепловых сетях в случае применения труб с пенополиуретановой изоляцией могут оказаться не выше, чем технические потери в электрических сетях, то все энергетическое преимущество прямого электроотопления будет обеспечиваться за счет рационального управления теплоснабжением, в том числе и учета отпускаемой энергии.
Так, например, по данным [3] применение местных электрических нагревательных приборов с автоматическим терморегулированием отдельных помещений снижает годовой расход энергии на отопление не менее чем на 30 %. К преимуществам электроотопления при использовании аккумуляции тепла может добавиться и возможность работы ТЭЦ в более экономичном режиме.
Аналогичным образом может быть проведена энергетическая оценка применения тепловых насосов для теплоснабжения. В этом случае применения выражения для теплового баланса примут вид Qтр = Ndw + Qтн, здесь Qтн — количество теплоты, отдаваемое конденсатором теплового насоса в систему теплоснабжения; Qтн = ΔNтнmтн, здесь mтн — коэффициент преобразования теплового насоса, равный отношению количества теплоты, снимаемой с конденсатора к электрической мощности; mтн = mКηтн, mК — коэффициент преобразования теплового насоса в цикле Карно, причем mК = Tк/(Tк – Tи), где Tк — температура в конденсаторе теплового насоса, а Tи — температура в испарителе теплового насоса; ηтн — степень приближения реального цикла к циклу Карно, для парокомпрессионного теплового насоса ηтн принимается равным 0,5–0,6 [4]; ΔNтн — дополнительная электрическая мощность ТЭЦ, необходимая для обеспечения работы теплового насоса.
С учетом приведенных соотношений уравнение теплового баланса примет следующий вид:
Nтр.i = (Nтр + ΔNтн)i + ΔNтнmтн,
а выражение для дополнительной мощности ТЭЦ, необходимой для привода теплового насоса (тепловых насосов):
Отношение затрат топлива при теплоснабжении от теплового насоса и для случая, когда для покрытия недостающей тепловой мощности используется другая котельная:
С учетом того, что w = ηт/ηэ, это выражение можно представить в виде:
При ηт = 0 (для КЭС) это выражение примет следующий вид:
При температуре в конденсаторе теплового насоса Tк = 350 К, температуре в испарителе Tи = 290 K, mтн ≈ 3. Поскольку КПД КЭС составляет в настоящее время не более 50 %, то экономия первичных энергоресурсов за счет применения теплового насоса в этом случае не так уж велик. Применение тепловых насосов для целей теплоснабжения более предпочтительно, когда электроэнергия для их привода производится не в конденсационном, а в теплофикационном режиме.
Экономия энергии может значительно увеличиться при повышении температуры в испарителе теплового насоса за счет утилизации теплоты систем отопления и ГВС и понижения температуры в конденсаторе за счет применения низкотемпературного отопления типа «теплый пол». В любом случае, приближенная оценка показывает, что теплоснабжение, обеспечиваемое электроэнергией, произведенной в теплофикационном режиме, по своим энергетическим характеристикам практически не уступает комбинированному — от ТЭЦ и котельной. Таким образом, можно утверждать, что в идее электроотопления нет ничего «крамольного».
Цитата из статьи [5]: «…Степень технического совершенства потребителей тепловой и электрической энергии должна определяться по коэффициенту полезного использования топлива (Kпит). Kпит — это тот обобщенный универсальный показатель, который определяет степень технологической грамотности при решении задач по энергосбережению, как для потребителей, так и для производителей тепловой и электрической энергии. В настоящее время в практике расчетов и нормирования коэффициент полезного использования Kпит используется недостаточно широко…».
В этой же работе отмечается, что выгоднее работать как можно с большими электрическими нагрузками на турбинах, что является еще одним преимуществом электротеплоснабжения. Другим фактором, ограничивающим в настоящее время возможности применения электротеплоснабжения является то, что в жилищно-коммунальном секторе затраты энергии на теплоснабжение значительно превосходят бытовое потребление электроэнергии.
Поэтому даже с учетом аккумулирования тепла пропускная способность электросетей низкого напряжения должна быть значительно увеличена, на что потребуются дополнительные инвестиции [1]. Тем не менее, есть основания предполагать, что соотношение между потреблением тепловой и электрической энергий будет меняться. Во-первых, как показывает мировой опыт, имеется тенденция к повышению доли потребления электроэнергии для бытовых целей.
Это потребует увеличения мощности системы электроснабжения жилья и сферы услуг. В основном эти потребители работают в дневное время. Во-вторых, в строительстве ужесточаются нормы теплопотерь зданий. В статье [6] достаточно подробно обосновывается возможность применения электроотопления, при этом указывается, что для зданий, построенных по новым нормам, ограничивающим теплопотери, среднесуточные затраты энергии на отопление сравнимы по величине с потреблением электроэнергии.
Таким образом, может сложиться такая ситуация, когда в жилом секторе в ночное время появится резерв электроэнергии, близкий по мощности с потребностями для целей теплоснабжения, а пропускная способность электросетей низкого напряжения в перспективе уже будет достаточной для обеспечения работы электротеплоснабжения. В Энергетической стратегии города Москвы на период до 2025 года предусмотрено внепиковое использование электроэнергии на обогрев помещений при длительных похолоданиях [7].
В принципе это могло бы применяться и постоянно, особенно там, где велики потери в тепловых сетях. Как отмечается в [6], применение электронагревательных приборов электроаккумуляционного типа и автоматики ограничения максимума электропотребления, путем предпочтения осветительной и розеточной нагрузки отоплению и горячему водоснабжению, дает возможность перенести значительную часть электропотребления на ночное время, позволит выровнять внутрисуточный график электропотребления, введение сниженного ночного тарифа — уменьшить затраты на оплату за использованную электроэнергию.
В дальнейшем может сложиться такая ситуация, когда перспектива электротеплоснабжения будет неоднозначна. С одной стороны уменьшение тепловых потерь зданий и, соответственно, мощности, необходимой для отопления и увеличение мощности бытового электропотребления являются факторами, обеспечивающими преимущество электротеплоснабжения. Но, с другой стороны, с увеличением доли зданий с пониженной величиной теплопотерь, отношение зимней отопительной нагрузки к электрической нагрузке в целом по населенным пунктам будет уменьшаться (в настоящее время это соотношение равно 3,5 [2]).
В предельном случае, когда это отношение сравняется с отношением электрической мощности ТЭЦ к тепловой, (зона электрического покрытия ТЭЦ совпадет с зоной теплового покрытия), электротеплоснабжение может оказаться невостребованным. Это произойдет не вследствие его недостаточной эффективности, а потому что некуда будет девать тепло, выдаваемое ТЭЦ.
Однако, с увеличением электрического КПД ТЭЦ, не исключено, что даже в случае широкого распространения энергоэффективных зданий могут появиться излишки электроэнергии, и наличие бивалентной системы теплоснабжения будет обеспечивать большую эффективность, по сравнению с чисто водяной системой (бивалентными называются системы, где совмещены два типа отопления — например, водяное и электрическое).
При этом водяная система теплоснабжения обеспечивает минимально допустимый температурный уровень теплового режима помещений, а электрическая часть выполняет функции «доводчика». Аналогичным образом может быть организована и работа системы ГВС. При этом будет проще обеспечить работу ТЭЦ в оптимальном режиме с максимальным коэффициентом использования топлива. Снижение затрат энергии на отопление приведет к увеличению доли ГВС в системе теплоснабжения.
Увеличение доли ГВС в общей мощности теплоснабжения может, в принципе, привести к тому, что практически все тепло, вырабатываемое ТЭЦ может быть использовано для целей ГВС, а электрическая надстройка будет использоваться для обеспечения пиковых режимов, регулирования мощности системы теплоснабжения и выравнивания графика потребления электроэнергии. Значительное сокращение потерь энергии, затрачиваемой на отопление, может быть достигнуто за счет рационального регулирования процессом обеспечения требуемого температурного режима.
В общем виде принципы рационального отопления можно сформулировать следующим образом: тепло подводить там, где это необходимо, тогда, когда это необходимо и ровно столько, сколько необходимо. Резервы энергосбережения в этом направлении особенно велики. Каждый градус «перетопа» увеличивает потребление энергии на 5 %, а человек ощущает «перегрев» лишь после превышения комфортной температуры на 3–4 °C [8].
По данным [9] использование погодного регулирования способно до 30 % снизить потребление тепла зданием при одновременном повышении комфортности в его помещениях. О потерях, обусловленных несоответствием фактической мощности системы отопления требуемой по времени и по месту, следует сказать особо. Привычной является такая работа системы отопления, когда требуемый температурный режим обеспечивается повсеместно и постоянно во всей квартире.
Поэтому в этом случае, наверное, более уместно говорить не о потерях, а резерве экономии. Экономия энергии за счет реализации второго принципа — греть тогда, когда это нужно зависит от распорядка дня обитателей помещения. Для коттеджей, служебных помещений и общественных зданий этот принцип уже иногда реализуется. Что касается локализации отопления в зависимости от потребности, то есть осуществлять подвод теплоты в тех помещениях, где в этом есть необходимость, то традиционная водяная система отопления не может в полной мере обеспечить выполнение этого принципа.
Этому препятствуют ограниченные возможности гидравлической системы регулирования расхода теплоносителя в теплообменных аппаратах и инерционность системы. Скорее всего, даже когда будет технически реализована возможность перевода системы отопления в режим ожидания, у потребителей не сразу появится привычка при уходе из помещения переключать его в этот режим, как это выполняется с освещением.
Разумеется, для формирования такой привычки необходимо наличие приборов учета энергии, расходуемой на отопление. Наиболее в полной мере эти резервы могут быть использованы при использовании системы электроотопления. Особенно следует оценить возможность применения ИК-панелей (инфракрасных обогревателей) в системах отопления.
При этом, по данным работы [10] низкотемпературные ИК-отопительные панели (температура излучающей поверхности от 25 до 50 °C) оказывают положительное влияние на организм человека и обеспечивают комфортный тепловой режим при меньшей температуре воздуха в помещении. Экономия электропотребления на отопление по сравнению с отопителями конвективного типа составляет не менее 20–30 %.
По прогнозам многих специалистов, технологии ИК-отопления получат широкое внедрение уже в самой ближайшей перспективе. К преимуществам ИК-панелей следует также отнести их сравнительно невысокая стоимость, удобство монтажа и большой ресурс работы. Возможны разнообразные варианты их исполнения, что позволяет органично вписывать их в интерьер квартир. Весьма ценным свойством ИК-панелей является возможность исполнения их в теплоаккумулирующем варианте, что позволит выровнять график энергопотребления.
Но при этом снизится их способность оперативно реагировать на потребности в отоплении. Для сохранения их способности обеспечивать быстрый нагрев, потребуется усложненная тепловая структура панелей: одна часть — теплоаккумулирующая, другая — оперативная. С учетом всех этих положительных свойств ИК-панелей целесообразно оценить возможность их применения в качестве регулируемой надстройки бивалентной системы отопления, в которой в качестве базовой принята водяная система отопления.
Кроме того, как уже упоминалось ранее, применение ИК-панелей позволит снизить температуру теплоносителя в водяной системе отопления, что в свою очередь снизит потери в тепловых сетях, уменьшит скорость их старения, а повышение электрической нагрузки на ТЭЦ с одновременным понижением температуры теплоносителя приведет к повышению коэффициенту использования теплоты топлива [5]. Возможно применение ИК-панелей и в особо неэнергоэффективных зданиях с ограниченным остаточным ресурсом, для которых нецелесообразно проводить мероприятия по утеплению.
Поскольку ИК-панели обеспечивают комфортные условия при температуре воздуха, меньшей, чем с конвективными обогревателями, а также позволят регулировать тепловую мощность отопления, то тепловые потери таких домов должны значительно сократиться. Стоимость таких панелей сравнительно невелика, кроме того, поскольку монтаж и демонтаж ИК-панелей, не представляет особых трудностей, то при переселении жильцов, эти панели могут быть демонтированы и установлены в новых квартирах.
Возможны различные варианты применения бивалентной системы теплоснабжения. Например, по мере удаления от ТЭЦ в зданиях уменьшается мощность водяной системы и увеличивается доля электрической надстройки. В принципе, особенно для энергоэффективных домов, возможно подключение водяной системы теплоснабжения к обратной магистрали системы теплоснабжения.
Таким образом, бивалентная система теплоснабжения, включающая в себя базовую — водяную и электрическую — надстройку, обладает большими возможностями повышения энергоэффективности, чем водяная и электрическая системы в отдельности. Еще одним преимуществом электротеплоснабжения является наличие некоторого запаса экономичной базовой мощности. Хотя температура воздуха летом в России и ниже, чем в Калифорнии, но вследствие всеобщей «кондиционеризации» летний период может оказаться достаточно напряженным с точки зрения энергоснабжения. Наличие дополнительной базовой мощности позволит более безболезненно обеспечить работу систем кондиционирования воздуха и холодильников в жаркое время года.
В отдаленной перспективе еще одно обстоятельство может оказать влияние на выбор типа системы теплоснабжения. В настоящее время ведущие страны мира ищут новые источники энергии, не связанные с потреблением углеводородов. Происходят процессы, свидетельствующие о назревающих переменах в области энергетики. Многими исследователями отмечается, что попытки совершенствования существующих сегодня промышленных способов, средств получения энергии ведут в тупик.
Ведущие нефтяные компании запада продают старый бизнес (связанный с нефтью) компаниям второго эшелона и внедряются в нетрадиционную энергетику. Также отмечается, что потенциал России в этой отрасли достаточно высок, прототипы новых энергетических установок можно получить в течение полутора — двух лет, и наши вероятные противники прилагают серьезные усилия по изъятию у России передовых технологий.
В докладе заместителя генерального директора по науке Института энергетической стратегии А.И. Громова «Дорожная карта» государственной энергетической политики России» [11] отмечаются такие вызовы будущего для российской энергетики как: опережающее развитие неуглеводородной энергетики, появление новых источников энергии, энергоносителей и энерготехнологий. Сегодня накоплено достаточно большое количество экспериментальных фактов, которые подтверждают реальность аномального энергобаланса в генераторах энергии, при котором энергия на выходе значительно превосходит энергию, затраченную первичным источником. Как правило, такие явления проявляются в исследованиях, связанных с физическим вакуумом.
Такие работы интенсивно проводятся в США, Германии, Японии и других странах. Экспериментальные достижения показывают, что мир приближается к практической реализации наиновейших способов получения энергии, немыслимых даже несколько лет тому. Относительной монополией на новые способы получения избыточной энергии стремятся завладеть исследователи США, Германии, России, Франции, Швейцарии, Австралии и других стран, проводя активное патентование всех разрабатываемых технических решений [12].
По мнению В.С. Леонова [13] развитие базовой энергетики в XXI веке будет развиваться на принципиально новых фундаментальных теоретических и экспериментальных открытиях в области естествознания. В первую очередь это относится к открытию элементарного кванта пространства — квантона — в теории УКС (упругой квантовой среды) и эффекту Ушеренко сверхглубокого проникания микрочастиц в стальные преграды (мишени).
Реакторы нового типа, в буквальном смысле работающие на песке, уже в ближайшей перспективе могут заменить на АЭС реакторы на урановом топливе, что позволит обеспечить им высокую экологичность и экономичность. Имеется информация и о других перспективных разработках. В настоящее время проблематично определить, насколько реальна перспектива применения всех этих инноваций в энергетике в ближайшем будущем. Но исключать возможность этого не следует. Бивалентная система теплоснабжения обеспечивает большие возможности адаптации к возможным изменениям в энергетике, чем другие известные системы.
Выводы
Использование электроэнергии для целей теплоснабжения при производстве электроэнергии в теплофикационном режиме по затратам первичных энергоресурсов практически не уступает теплоснабжению от котельной. Преимуществом электрической системы теплоснабжения является возможность использование единого источника энергии, как для целей теплоснабжения, так и для электроснабжения.
Поскольку электроэнергия может быть преобразована в тепловую энергию, а тепловая энергия может быть аккумулирована (в объеме суточной потребности), то электротеплоснабжение будет способствовать выравниванию суточного графика энергопотребления, что является весьма ценным при существующих возможностях регулирования ТЭЦ. Применение электроэнергии для целей теплоснабжения позволит обеспечить запас мощности для работы кондиционеров и холодильников в жаркое время года.
Поскольку при существующих способах производства электроэнергии (на ТЭЦ) неизбежны «тепловые хвосты», то в ближайшем будущем неизбежно применение традиционной водяной системы теплоснабжения. Наиболее эффективным будет использование бивалентной системы теплоснабжения, которая обеспечивает кумулятивный эффект от ее применения.
Это проявляется в сокращении затрат на теплоснабжение за счет возможностей регулирования и учета, понижения температуры теплоносителя в сетях, уменьшении потерь в тепловых сетях и скорости их старения, увеличении коэффициента использования теплоты топлива ТЭЦ. Судя по открытым источникам информации, в энергетике назревают значительные изменения. Электротеплоснабжение (и в составе бивалентной системы) имеет большие, чем другие современные системы возможности для адаптации к этим возможным изменениям.
