Ключевые факторы эффективного применения технологий распределенной генерации в промышленности

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня ключевой характеристикой развития электро­энергетической отрасли является существенное снижение стоимости установок источников распределенной генера­ции, в том числе возобновляемых источников электроэнер­гии. Такие источники позволяют проводить децентрализа­цию производства электроэнергии и масштабное развитие распределенных источников во всем мире [Трачук А. В., Линдер Н.В., Зубакин В. А. и др., 2017]. Эта тенденция ключевым образом меняет как характеристики потребле­ния электроэнергии, так и модели поведения потребителей на рынке электроэнергии. Потребление становится все более гибким и мобильным. Потребители электроэнергии могут одновременно становиться ее поставщиками, что требует, в свою очередь, пересмотра норм сложившейся системы регулирования рынка электроэнергии (BnergyDemocracy) [Faria P., Vale Z., 2011; Волкова И.О., Сальникова Е. А., Шу­валова Д. Г., 2011; Трачук А. В., Линдер Н. В., 2017].

Генерирующие мощности разных категорий имеют свои преимущества и недостатки в определенных экономических условиях. В данном исследовании поставлена цель:

• провести анализ тенденций развития малой (распреде­ленной) генерации;
• определить основные категории объектов малой и сред­ней генерации, которые принадлежат не электроэнерге­тическим компаниям, а потребителям;
• исследовать эффекты реализации проектов распреде­ленной генерации;
• оценить эффект масштабного применения распределен­ной генерации для страны в целом и рекомендовать ряд мер и действий для развития промышленной распреде­ленной генерации в России.

ТЕХНОЛОГИИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ

В литературе часто противопоставляется собственная ге­нерация компаний-потребителей и централизованное энер­госнабжение [Hansen С. J., Bower J., 2004; A. A., Hawkes А., 2004; Трачук А.В., 2010 а]. Вместе с тем, генерирующие мощности разных категории в определенных экономических условиях имеют свои преимущества и недостатки.

В большинстве исследований распределенная генера­ция понимается как выработка электроэнергии множеством местных потребителей, которые производят тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, а профи­цит направляют в энергосистему через общую сетевую ин­фраструктуру [Селляхова О., 2012; Трачук А. В., 2010 б]. Ос­новные определения распределенной генерации в мировой практике приведены в табл. 1.

Технологии распределенной генерации. Технологии распределенной генерации, как правило, предназначены для установок малой мощности (до 25 МВт), включая возоб­новляемые источники электроэнергии (ВИЭ). Наиболее пол­ная классификация технологий распределенной генерации приведена в работе [Стенникова В. А., Воропай Н. И., 2014] (рис. 1).

Анализ показывает, что большинство технологий, ис­пользуемых для установок распределенной генерации, ос­новано на прямом сжигании твердого топлива (угля, био­массы и твердых бытовых отходов). Сжигание природного газа используют газотурбинные установки, газопоршне­вые агрегаты, парогазовые и другие установки. Ветряные электростанции, малые гидроэлектростанции, солнечные электростанции и фотоэлектрические установки, станции солнечного теплоснабжения, а также гибридные установки задействуют соответствующие возобновляемые источники энергии. Тепловые насосы используют низкопотенциальное тепло как для теплоснабжения, так и для холодоснабжения. Атомные станции малой мощности как автономные источ­ники электрической и тепловой энергии используются в изо­лированных энергорайонах.

Перспективными представляются топливные элементы, включающие газопоршневые агрегаты, микротурбины, дви­гатели Стирлинга, накопители энергии (химические, инер­ционные, гравитационные и другие), роторно-лопастные двигатели, чиллеры (аппараты для охлаждения воздуха).

Основные источники распределенной генерации имеют разные технические характеристики (табл. 2) и разную эко­номическую эффективность как технологические направле­ния, так:

• двигатели на газовом топливе (газотурбинные уста­новки, микротурбины, парогазовые установки малой мощности, газопоршневые двигатели внутреннего сго­рания) отличаются высоким качеством и обеспечивают эффективность энергоснабжения;
• роторно-лопастные двигатели внешнего сгорания на других видах топлива, как и технологии получения газового топлива на месте производства электроэнер­гии, обеспечивают снижение топливных рисков и за­трат относительно тарифицированных видов электро­снабжения;
• малые когенерационные установки дают возможность повысить коэффициент полезного использования то­плива до 80-90 процентов;
• топливные элементы нового поколения (в частности, область развития - водородная энергетика) эффективны при снабжении изолированных территорий и мобиль­ных потребителей.

Распределенная генерация наиболее часто используется:

• в качестве автономных источников электроэнергии, тепла (в режиме когенерации) и холода (в режиме тригенерации);
• для снятия пиковых нагрузок в режимах параллельной работы с системой централизованного энергоснабже­ния;
• в проектах ко- и тригенерации, основанных на исполь­зовании альтернативного топлива: биогаза, попутного нефтяного газа, шахтного метана и других видов;
• в проектах со специфическими требованиями по каче­ству энергии, надежности, срокам запуска, экологии, которые в конкретных условиях не могут быть обеспе­чены централизованными энергосистемами [McDonald, 2005; Трачук, 2011 а].

Автономные источники. Распределенную генерацию на базе автономных источников используют промышленные предприятия, офисные центры, объекты социальной инфра­структуры в случае, если централизованное технологиче­ское присоединение недоступно по каким-либо причинам. К таким причинам относятся, в частности: территориальная удаленность объектов, дефицит установленной мощности в регионе, ограниченная пропускная способность сетевой инфраструктуры. Кроме того, централизованное электро­снабжение может быть экономически неэффективно (высо­кая цена за присоединение, высокие тарифы, другие причи­ны) или может не соответствовать требованиям потребителя по срокам присоединения с учетом планов реконструкции и развития сетей и генерации. В связи с этим новые или ре­конструируемые средние и малые предприятия различных отраслей все чаще выбирают распределенную генерацию в качестве альтернативы присоединения к сетям энергоси­стемы страны.

Распределенные системы, в том числе объединенные в локальную сеть, могут использоваться для энергоснаб­жения комплексно застраиваемых микрорайонов и даже городов, возводимых в рамках национальной программы «Доступное и комфортное жилье» [Энергоэффективный мегаполис - Smart City «Новая Москва», 2015]. Такое стро­ительство может планироваться на территориях, не обеспе­ченных соответствующей инфраструктурой. Распределен­ная генерация позволяет вводить энергетические мощности поэтапно, по мере роста элекгропотребления, например для механизации строительных работ или в соответствии с очередностью ввода в эксплуатацию жилых и инфраструк­турных объектов [Decentralised generation, 2002]. Таким об­разом обеспечивается эффективность инвестиций, снижают­ся риски простоя во время работ.

Параллельная работа с энергосистемой. При изме­нении объемов производства или перепрофилировании объекта, особенно при неравномерном суточном профиле потребления энергии, возможен как дефицит, так и профи­цит поставок электроэнергии от центральной энершсистемы. Во время пиковых нагрузок распределенная система может передавать излишки мощности при присоединении к центральной энергосистеме и наоборот, экономически эффективно может оказаться проектировать мощности рас­пределенных систем, исходя из величины постоянного по­требления, а пиковые нагрузки покрывать за счет централь­ной энергосистемы.

Когенерация и тригенерация. Когенерация - процесс совместной выработки электроэнергии и тепла с использо­ванием единого источника первичной энергии (в случае три- генерации добавляется выработка холода). Когенерация яв­ляется наиболее эффективным решением, если проводится реконструкция котельных, которые переводят на газ или пе­репрофилируют в мини-ТЭЦ. Когенерация и тригенерация - это одно из самых экономичных решений для энергоснаб­жения офисных зданий, торгово-развлекательных цен­тров, спортивных сооружений [Ackermann Т., Anderson G., Soeder L., 2001].

При реализации указанных технологий могут исполь­зоваться альтернативные виды топлива. Как правило, они используются при решении комплексной задачи: улучше­ния экологической ситуации и удовлетворения собствен­ных потребностей предприятий в тепло- и электроэнергии. Например, попутный нефтяной газ - при обустройстве но­вых нефтяных месторождений, шахтный метан - при соз­дании эффективных систем взрывобезопасности, биогаз - при улучшении экологической ситуации в районах город­ских свалок и очистных сооружений.

Специализированные решения. Специализированные решения при проектировании систем распределенной гене­рации могут применяться в зависимости от отрасли и осо­бенностей территории, на которой расположено предприя­тие. Так, при энергоснабжении теплиц может использоваться выделяемый при генерации углекислый газ; животноводче­ские фермы используют биогаз; экономная тригенерация эффективна при энергоснабжении бассейнов и аквапарков. Необходимость соблюдения жестких экологических тре­бований по выбросам вредных веществ, шуму, вибрациям на горнолыжных курортах и в охотничьих хозяйствах при­водят к использованию при проектировании системы рас­пределенной генерации специального оборудования. То же касается мобильных источников энергии, особенностей энергоснабжения удаленных необслуживаемых энергоси­стем, таких, как радиорелейные станции на линиях дальней связи, системы химзащиты трубопроводов, метеостанции.

Технические решения - микротурбины и турбины малой мощности.

В течение продолжительного времени, с 60-х до 90-х годов XX века, масштабное строительство распределенных энергетических систем сдерживалось, в частности, отсут­ствием адекватной технологической базы. Практической реализации концепции распределенных систем генерации содействовало коммерческое производство совершенно но­вого класса энергетического оборудования - микротурбин (15 кВт - 1 МВт) и радиальных турбин малой мощности (2 МВт). В настоящее время некоторым международным ком­паниям удалось наладить массовый выпуск надежных, про­стых и относительно недорогих газовых малых и микротур­бин [Massel A., Massel L., 2015]. Проектирование подобной генерации осуществляется в соответствии со специфически­ми требованиями конкретных потребителей, энергоблоки комплектуются в зависимости от целей, задач и вариантов использования, в том числе для выработки тепла и охлаж­дения.

Основными достоинствами малых и микротурбин явля­ются компактность, соответствие экологическим требовани­ям, низкий уровень шума и вибраций, техническая возмож­ность оперативного изменения нагрузки без существенного снижения КПД, высокая надежность, а также большая эффек­тивность в режимах ко генерации и тригенерации по сравне­нию с оборудованием других классов. [Ховалова Т.В.,2017]. Эти и другие характеристики повлияли на увеличение ско­рости распространения малой и средней генерации в мире [European Smart Grid, 2006]. Так, например, в странах ЕС распределенная генерация составляет в среднем около 10% от общего объема производства электроэнергии.

В США эксплуатируется около 12 млн установок малой распределенной генерации (мощность отдельных устано­вок - до 60 МВт, общая установленная мощность - свыше 220 ЕВт, прирост - порядка 5 ЕВт в год). Часть объектов распределенной генерации используется как аварийный ре­зерв (около 84 ЕВт) в случае аварийных перерывов электро­снабжении, остальные используются в качестве основного источника электроснабжения. Коалиция распределенной энергетики США (The Distributed Power Coalition of America) прогнозирует, что в ближайшие два десятилетия 20% новых генерирующих мощностей будут объектами распределенной генерации [Grid 2030, 2003].

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исходя из вышеизложенного, нами сформулирован ис­следовательский вопрос: «Какие эффекты от внедрения рас­пределенной генерации оказывают влияние на деятельность компаний различных отраслей и как они могут повлиять на экономику России?»

Эмпирический анализ проводился на базе 12 российских компаний, которые работают в разных отраслях (промыш­ленное производство, ЖКХ, розничная торговля, строитель­ство, пищевая промышленность) и каждая из которых ис­пользует собственную генерацию.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: ЭФФЕКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ

Исходные данные для исследования приведены в табл. 3.

Эффекты применения распределенной генерации для предприятий

С помощью анализа представленных данных выявлен ряд эффектов внедрения распределенной генерации для пред­приятий различных отраслей. При проведении исследования не ставилась задача оценить влияние масштабного внедре­ния распределенной генерации на рынок электроэнергии (мощности).

Выявленные эффекты можно обобщить и разделить на две большие группы.

К технологическим эффектам можно отнести:

• повышение надежности энергоснабжения потреби­телей (в случае, если распределенная генерация при­соединена к централизованному энергоснабжению, то в аварийных ситуациях такая система поддерживает надежность электроснабжения, снижает или предот­вращает ущерб);
• энергобезопасность за счет внедрения бестопливных технологий и расширения номенклатуры видов топли­ва, вовлечения местных энершресурсов, снижения за­висимости от привозных видов топлива;
• оптимизация управления нагрузкой и создание необхо­димых технологических резервов с учетом производ­ственных циклов конкретного предприятия;
• обеспечение технологической составляющей функции гибкости «умных сетей» (в части генерации);
• снижение нагрузки на окружающую среду, в том числе выбросов CO₂ (значимо снижение выбросов углекис­лого газа и иных загрязняющих веществ (CO, SO₂ ...) в атмосферу, в частности для санаторно-курортной от­расли в целом и нефтегазовой отрасли при сжигании попутного нефтяного газа «на факелах»),

К экономическим и социальным эффектам отнесены:

• энергоэффекгивность за счет следующих факторов: оптимизация графика нагрузки, снижение техноло­гических потерь в процессе распределения энергии, (размещение объектов распределенной генерации в территориальной близости от потребителя позволяет обходиться без сооружения региональных электростан­ций и реко струкции или строительства сетевой инфра­структуры;
• для собственников распределенной генерации себесто­имость энергии обычно ниже регулируемых тарифов на электроэнергию для предприятий, затраты на экс­плуатацию установок стабильны и хорошо прогно­зируются, что позволяет осуществлять долгосрочное планирование производства; присоединение к системе централизованного энергоснабжения при этом осу­ществляется на основании расчетов, в которых учиты­вается как плата за технологическое присоединение, так и оценка рисков снижения надежности электро­снабжения);
• применение когенерации, сочетание видов топлива (общий КПД современной установки комбинирован­ного производства электрической и тепловой энергии составляет 85-90%, в то время как при традиционном использовании вырабатывающей только электроэнер­гию конденсационной электростанции более полови­ны выделяемой при сгорании топлива энергии теряет­ся за счет отведения излишков тепла в окружающую среду;
• за счет когенерации КПД производства энергии и теп­ла увеличивается на 30%, что особенно привлекатель­но в случаях, когда предприятие обладает побочными продуктами, которые служат топливом для генерации; эффективные и испытанные технологии комбиниро­ванного производства электрической энергии и тепло­вой энергии могут быть использованы в объектах лю­бого масштаба);
• обеспечение потребителей электроэнергией заданного качества;
• снижение технологических потерь в сетях, соответству­ющее снижение стоимости электроэнергии;
• оптимизация, в ряде случаев существенная экономия, стоимости электроэнергии за счет ряда факторов (отсутствие платы за технологическое присоединение, оптимизация топливной составляющей, минимизация инвестиций в сетевую инфраструктуру, применение инновационных технологий, применение специализи­рованных технологических решений для конкретного предприятия; при этом соответствующая инвести­ционная составляющая в тарифе на электроэнергию отсутствует, то есть тарифная нагрузка в части инве­стиционных программ сетевого комплекса на всех по­требителей региона снижается);
• повышение доступности энергоснабжения для потре­бителей, в том числе находящихся на изолированных территориях, вне Единой энергосистемы страны.

Следует отметить, что проекты распределенной генера­ции могут быть экономически целесообразны при любом их масштабе [Трачук, 2011 б], но в настоящее время про­изводство энергии на объектах распределенной генерации, имеющих статус участника оптового рынка, представляется невыгодным потребителям, поскольку действующие правила обязывают продавать генерируемую электроэнергию на оптовый рынок, покупая ее для потребления, то есть опла­чивая услуги инфраструктурных организаций. Вследствие этого рентабельность объектов распределенной генерации обеспечивается при изолированном режиме работы. Про­екты распределенной генерации электрической мощностью меньше 25 МВт, как правило, признаются экономически це­лесообразными (с учетом региональных различий). То есть развитие распределенной генерации требует корректирова­ния регуляторной среды, что будет отмечено в выводах.

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ, ЭКОНОМИЧЕСКИХ И СОЦИАЛЬНЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИМЕНЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ НА ЭКОНОМИКУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Эффекты применения распределенной генерации для предприятий, выявленные в ходе исследования, могут оказать влияние на экономику страны в целом, как в настоя­щее время, так и в будущем. По мере увеличения масштабов распределенной генерации будут увеличиваться и эффекты. Часть эффектов транслируется непосредственно с уровня предприятия, часть возникает в масштабе страны.

При этом база данных для исследования не позволяет количественно оценить все возможные эффекты масштаба и риски такого влияния, но позволяет указать на определен­ные тренды, которые приведены ниже.

Таким образом страновые эффекты, достигаемые в ре­зультате внедрения распределенной генерации, позволяют сделать вывод об эффективности переорганизации россий­ской электроэнергетики как организационной и бизнес-си­стемы в сеть интегрированных в Единую энергосистему локализованных кластеров производителей и потребителей энергии, которые могут использовать общую инфраструкту­ру и поддерживать надежное электроснабжение в масштабах страны. Основой такой парадигмы в электроэнергетике явля­ется распределенная генерация.

Безусловно, соответствующее изменение регуляторной среды требует предварительной количественной и каче­ственной оценки стоимости и последствий такого преобра­зования.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

По результатам проведенного исследования можно реко­мендовать ряд мер для развития промышленной распреде­ленной генерации в России.

В среднесрочном периоде:

- разработку стратегии развития распределенной генера­ции в Российской Федерации, в том числе с учетом ре­ализации проектов комбинированной выработки элек­трической энергии и тепловой энергии.

В краткосрочном периоде:

• корректирование регуляторной среды, в частности пра­вил, согласно которым присоединенные к сети электро­станции мощностью 25 МВт и более обязаны продавать электроэнергию на оптовом рынке, что препятствует развитию распределенной генерации, повышению по­рога уровня мощности таких станций;
• упрощение процедуры получения разрешительной до­кументации для реализации проектов распределенной генерации;
• создание законодательных условий, допускающих всту­пление в силу договоров поставки природного газа и электрической энергии до ввода объекта в эксплуата­цию;
• проведение информационных кампаний и разработка программ мотивации, повышение уровня осведомлен­ности заинтересованных лиц;
• обеспечение стабильности регуляторной среды после ее формирования для поддержания и развития распре­деленной генерации, что будет способствовать сниже­нию инвестиционных рисков по отдельным проектам и повышению стабильности энергетических рынков в целом.