ТРИГЕНЕРАЦИЯ КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Введение

Реализация концепции устойчивого развития привела к появлению новых тенденций в области энергетики, а именно к направлению инвестиций и ориентации научно-технических и исследова­тельских работ на рациональную эксплуатацию природных ресурсов с целью удовлетворить ны­нешние и будущие потребности человека. В на­стоящее время к числу наиболее актуальных задач, стоящих перед обществом, относятся ис­пользование возобновляемых видов энергоно­сителей и повышение энергоэффективности су­ществующих энергетических установок. Говоря об устойчивом развитии, также не стоит забывать о проводимых мероприятиях по снижению гло­бальных выбросов CO₂. В данном направлении проведено большое количество исследований и опубликовано много научных работ фундамен­тального и прикладного характера. Настоящая статья представляет собой аналитический обзор основных результатов по данной тематике, по­лученных как научным сообществом, так и про­изводителями энергии за последние 10 лет. С ее помощью будет возможно составить комплексное представление о тригенерации как способе повы­шения энергетической эффективности.

Системы энергоснабжения и энергоэффективность

Существует три основных компонента си­стемы энергоснабжения: основной источник топлива, оборудование и системы производства и распределения, а также здания и сооружения конечного использования [34] (рис. 1). Следует обратить внимание на отдельные топливно­энергетические ресурсы, системы производства и распределения электричества, тепла и холода и системы конечного использования. К топливно­энергетическим ресурсам относятся уголь, нефть, природный газ, биомасса, солнечная, геотермаль­ная, ядерная и другие виды энергии. Эти виды то­плива должны быть преобразованы (в большин­стве случаев путем сжигания) для производства электроэнергии, тепла и холода. В данной кон­цепции системами производства и распределе­ния считаются электроэнергия, тепло и холод (например, холодная вода), ко­торые расходуются для достижения ко­нечных целей: запуска оборудования, освещения, обогрева и охлаждения зданий. Выбор первичного топливного сырья, оборудования для производства и передачи электроэнергии, тепла и хо­лода, выбор места производства и пу­тей распространения продукции - все это влияет на конечную стоимость по­лученной энергии и на эффективность соотношения выхода произведенной энергии к количеству энергии, потраченной на ее производство [34]. Объединение трех компонен­тов позволяет энергетической системе быть более энергоэффективной.

Наибольшая энергоэффективность достигает­ся благодаря улучшению эффективности систем производства и распределения электричества, тепла и холода. В процессе горения или преоб­разования первичных энергоносителей для про­изводства электричества две трети энергии, за­ключенной в топливе, превращаются в побочный продукт - тепло - и выбрасываются производите­лями электроэнергии.

Чтобы достичь эффективности использова­ния первичного топлива, большая часть энергии, содержащейся в первичном топливе, должна быть преобразована в полезную энергию. Энер­гоэффективность определяется по тому, сколь­ко энергии каждой единицы основного топлива используется для производства энергии как ко­нечного продукта. Наилучший результат дости­гается, когда на каждую единицу потребляемой энергии полезный выход будет как можно ближе к 100% от первоначального содержания энергии в первичном топливе. Стоит отметить, что энер­госбережение может рассматриваться как аль­тернативный источник энергии, так как его вне­дрение позволяет снизить потребление энергии, необходимой для определенного вида деятельно­сти, без сокращения экономической активности или качества жизни в зависимости от области ее применения.

В большинстве случаев энергосбережение мо­жет быть достигнуто в три этапа:

• устранение потери энергии: требуются ми­нимальные инвестиции при условии, что суще­ствующие объекты используются надлежащим образом;
• модификация существующих объектов с це­лью улучшить их энергоэффективность;
• развитие новых технологий, которые могут обеспечить меньшее потребление энергии на еди­ницу производимого продукта.

Когенерация и тригенерация

Интерес к системам полигенерации

Существует большое количество технологий, которые могут быть применены для сбережения энергии в различных сферах, в том числе в жилом секторе, на транспорте, в промышленности и тор­говле. За последние годы рост спроса на энергию и проблемы, связанные с изменением климата, привлекли повышенное внимание исследовате­лей к высокопроизводительным системам по­лигенерации. Такие системы способны снижать потребление ископаемого топлива и объемы вы­бросов парниковых газов. Фактически в систе­мах полигенерации комбинированным способом производится энергия различных видов (тепло, холод, электричество) с использованием только одного первичного источника энергии. Когенера- ционные и тригенерационные системы являются перспективными технологиями, позволяющими снизить энергетические затраты по сравнению с традиционными отдельными производителями энергии. Кроме того, интерес к полигенерации обусловлен тем, что никакой прямой цикл произ­водства энергии не может обеспечить унитарной эффективности, в связи с чем большое количество первичной энергии теряется впустую в процессе преобразования. Когда конечным потребителям, помимо электроэнергии, необходимо тепло, мо­жет быть применена когенерация (комбинирован­ное производство тепла и электроэнергии).

На протяжении многих лет различные отрас­ли промышленности, например пищевая, цел­люлозно-бумажная и деревообрабатывающая промышленность, используют когенерацию энер­гии как средство удаления отходов и получения энергии. В когенерационной системе бросовое тепло используется для гражданского или про­мышленного применения. Однако выгода от та­кой системы не всегда очевидна из-за сложности и дополнительной стоимости соответствующей установки, поэтому не во всех случаях ее исполь­зование является экономически целесообразным и привлекательным. В быту эта система дает зна­чительную экономию энергии только в холодный сезон, когда требуется много тепла на отопле­ние помещений [3]. Таким образом, следующим шагом на пути к созданию энергоэффективного жилья могут быть тригенерационные системы (системы комбинированного производства элек­троэнергии, тепла и холода), которые способны удовлетворить потребности конечных потреби­телей в электричестве, отоплении и охлаждении и обеспечить экономию в течение всего года. При правильной разработке и исполнении си­стем тригенерация открывает очень интересные перспективы как для общих нужд [8, 36], так и для гражданского [4, 9, 21, 24, 35, 39] и про­мышленного использования [5, 14].

Пути оптимизации систем тригенерации

В наиболее общем виде систему тригенера- ции можно представить как систему, состоящую из тягача (двигателя Отто, или дизельного двига­теля внутреннего сгорания, или газовой турбины) и вспомогательных машин: котла, компрессорных и абсорбционных охладителей, тепловых на­сосов, двунаправленной связи с электрической сетью и (редко) систем хранения тепла и холо­да [3]. Такая система гораздо сложнее и дороже, чем система когенерации, следовательно, перед ее внедрением исключительно важно провести очень точный технико-экономический анализ. Повышенная сложность системы тригенерации обуславливает также трудность такого анализа из-за большого числа переменных, которые долж­ны быть учтены. Среди них наиболее важными являются потребности конечных пользователей и операционная политика. Необходимо точное распределение потребностей (включая их пико­вые значения и формы) по часам на протяжении года. В течение долгого времени операционная политика была зафиксирована априори, что огра­ничивало функционирование системы в плане удовлетворения электрических или тепловых нужд потребителей. Такой выбор зачастую был неоптимальным, что привело к появлению боль­шого числа работ, направленных на оптимиза­цию операционной политики. В общем, сегодня существуют две основные тенденции выявления путей оптимизации систем тригенерации. Пер­вая заключается в том, что проводимые иссле­дования анализируют системы и их компоненты в мельчайших подробностях [6, 7, 17], в то время как предлагаемый метод оптимизации не очень сложный. Вторая тенденция прослеживается в работах, где основной акцент делается на мате­матическое описание/моделирование оптимиза­ции [2, 10, 32, 33, 38] с небольшой детализацией системы с инженерной точки зрения.

Недавно несколько исследовательских групп предложили расширенные анализы, учитыва­ющие экологические и правовые ограничения, а также использование систем хранения тепла и холода [12, 20, 22, 25-28], однако и в них пре­имущество принадлежит математической модели.

Помимо работ по оптимизации технологий тригенерации, активно ведутся исследования по внедрению так называемых зеленых техноло­гий в энергетику. Известно, что биомасса являет­ся вторым по величине источником возобновляе­мой энергии [30]. В настоящее время существует большое число разнообразных методов преобра­зования биомассы в более ценные продукты: жид­кие и газообразные виды топлива и химические продукты посредством термохимической, биохи­мической или химической конверсии [15]. Одна­ко большинство из этих технологий, возможно, неконкурентоспособны по цене на данном этапе разработки. В настоящее время ресурсы биомас­сы в основном используются в производстве те­пловой и электрической энергии [11, 16, 30]. Пря­мое сжигание и совместное сжигание биомассы с углем являются наиболее распространенными методами ее преобразования, и в ближайшем будущем они имеют значительный потенциал для обеспечения крупномасштабного примене­ния биомассы для энергетических целей [18]. Другие технологии термохимической конверсии биомассы, например газификация, осуществимы и потенциально более эффективны по сравнению с традиционным сжиганием. Тем не менее этим технологиям либо не хватает проработанности и надежности, либо они не являются экономиче­ски оправданными для крупномасштабного ис­пользования.

На предприятии, использующем когенерацию или тригенерацию для производства энергии, про­дукты, получаемые на выходе (тепло и электро­энергия и/или холод), фундаментально отличают­ся друг от друга с точки зрения качества. Таким образом, использование обычного энергетиче­ского анализа на основе первого закона термо­динамики не может адекватно оценить экономи­ческие соотношения между затраченной работой и выходом тепла. Поэтому более уместно анали­зировать эффективность предприятия, использу­ющего когенерацию или тригенерацию для про­изводства энергии, продуктов, на основе второго закона термодинамики [23, 37]. Так, например, в литературе оценен термоэкономический потен­циал паротурбинной установки для тригенерации на заводах, имеющих четыре разные структуры и использующих биомассу (древесные отхо­ды) в качестве источника энергии [23]. Авто­рами были рассмотрены и оценены четыре различные конфигурации заводов. Их эко­номическая эффективность оценивалась с учетом различных экономических и ра­бочих параметров, поскольку изменялись только цена топлива и цена на электроэнер­гию. На предприятии 1 генерируемый пере­гретый пар с высоким давлением подается на удовлетворение потребностей в техно­логическом тепле, а также на производство охлажденной воды в абсорбционной холо­дильной машине. На предприятиях 2 и 3 пар извлекают на соответствующих стадиях из турбины и направляют на обеспечение нужд в технологическом тепле и на произ­водство охлажденной воды в абсорбцион­ной холодильной машине. Мощность пара, генерируемого на предприятии 2, достаточ­на для удовлетворения внутренних потреб­ностей. На предприятии 3 генерируется из­быток электроэнергии для продажи обратно на подстанцию. На предприятии 4 насы­щенный пар низкого давления генерируется для удовлетворения потребностей в технологиче­ском тепле, а электроэнергия покупается у пред­приятий коммунального хозяйства. Для всех предприятий было установлено, что наибольшее разрушение эксергии (= около 60%) происходит в печи. Разрушение эксергии в паровом барабане является следующим по значимости и колеблется в пределах от 11 до 16%. Также было отмечено, что общая стоимость производства уменьшается с давлением пара и увеличивается с температурой пара [23].

Недавняя исследовательская работа коллек­тива из Бразилии была направлена на изучение термодинамических характеристик и выбросов углекислого газа парокомпрессионной биотри- генерационной системы [29]. Система состоит из двигателя внутреннего сгорания с принуди­тельным зажиганием (низкого сжатия), питаю­щего электрогенератор, парокомпрессионного теплового насоса с электрическим приводом и пикового котла. Часть потребностей в нагреве было удовлетворено путем отбора отработанного тепла от двигателя и теплового насоса, тем самым было достигнуто снижение общего потребления топлива. Был проведен сравнительный анализ системы тригенерации на основе биотоплива и системы на основе обычного ископаемого то­плива без рекуперации отработанного тепла. Он показал, что в зависимости от относительных значений энергетических потребностей и харак­теристик компонентов может быть достигнуто значительное снижение первичного потребления энергии (до 50%) и выбросов CO₂ (до 5% от пер­воначальной эмиссии) в случае комбинирования биотоплива и тригенерации.

Актуальный мультипараметрический анализ был проведен для определения целесообразности использования технологий возобновляемых ис­точников энергии для тригенерации [13]. Автора­ми была разработана модель для описания и оцен­ки тригенерации. Система тригенерации была нацелена на самообеспечение и одновременно удовлетворяла потребности коммерческого зда­ния в охлаждении, отоплении и электроэнергии. В нее включены четыре ключевые подсистемы: тепловая фотоэлектрическая (солнечная) подси­стема, топливный элемент, микротурбина и аб­сорбционная водоохлаждающая система. Обычно система тригенерации анализируется на основе снижения затрат, полученного благодаря ее вне­дрению, без учета используемой энергии и уров­ня выбросов углекислого газа. В работе [13] был представлен анализ системы тригенерации с по­мощью нескольких критериев с точки зрения:

• снижения себестоимости операций;
• энергосбережения;
• минимизации негативного воздействия на окружающую среду.

Для разработанной автором модели системы тригенерации показано, что комплектация систе­мы тригенерации, оптимальная с точки зрения снижения эксплуатационных затрат, повышения энергосбережения и минимизации воздействия на окружающую среду, представляет собой систе­му, состоящую из микротурбин (80%), фотоэлек­трических тепловых элементов (10%) и топливных элементов (10%). Методология, представленная в этом исследовании, представляет собой хорошую базу для прагматичного подхода к проектирова­нию систем возобновляемых источников энергии для поддержки использования тригенерации.

Системы тригенерации в электроэнергетике России

В настоящее время основу промышленного потенциала российской энергетики составляют более 700 электростанций с общей мощностью 227 ГВт и более 2,5 млн км линий электропереда­чи всех классов напряжений [1]. Во главе струк­туры электрогенерирующих мощностей России стоят теплоэлектростанции, гидроэлектростан­ции и атомные электростанции. Одной из наи­более эффективных технологий использования твердых видов топлива для производства энер­гии, применяемых в России, является технология УТТ-3000, представленная на рис. 2.

После строительства крупнейшей в Евро­пе газовой турбины в 1970 году Россия потеря­ла лидерство в данной области. Реконструкция и модернизация задействованных в настоящее время отечественных газовых турбин позволят увеличить общую эффективность производства энергии из природного газа примерно на 50% [1]. Парогазовые установки важны для теплоснабже­ния. Внедрение когенерации тепла и электроэнер­гии на существующих заводах позволит повысить их эффективность без смены существующего по­коления оборудования, электрических сетей и пе­реобучения персонала.

Заключение

Обзор актуальной научно-технической лите­ратуры показал, что повышение энергоэффектив­ности существующих энергетических установок сейчас является одним из ключевых направлений развития энергетики. В настоящее время распре­деленные энергетические системы представляют собой менее 10% всей производимой в мире энер­гии [19]. Было показано, что когенерационные и тригенерационные системы являются перспек­тивными технологиями, обладающими высоким потенциалом в области снижения выбросов пар­никовых газов. Кроме того, была подтверждена их способность повысить энергоэффективность электростанций, гостиниц, больниц, супермарке­тов, аэропортов и торговых центров [31]. В по­следние годы возможность достижения экономии энергии с помощью систем тригенерации возрос­ла во многих странах благодаря улучшению ин­фраструктуры в населенных городских центрах, стимулирующим законодательствам, энергетиче­ским положениям и соответствующим налоговым льготам в этих странах. Однако существующие системы тригенерации зачастую не оптимизиро­ваны, в связи с чем выявлена необходимость про­ведения дальнейших исследований с целью по­иска путей повышения их эффективности путем улучшения технико-экономических показателей существующих систем тригенерации.