Продовження теми 6. Проблеми та резерви енергозбереження в сфері теплопостачання: - при виробництві теплової енергії

Лекція 8.

План лекції:

1. Модернізація традиційних теплоджерел

2. Впровадження міні-ТЕЦ

3. Використання електричної енергії як альтернативи природному газу.

4. Сонячні, - та вітроелектростанції

Значні резерви енергозбереження (в першу чергу – первинного палива) можуть бути реалізовані на стадії виробництва теплової енергії. Концепція державної цільової програми модернізації комунальної теплоенергетики визначає, як можливі, два варіанти розв’язання проблеми. Перший - демонтаж усього застарілого обладнання, спорудження і введення в експлуатацію нових об’єктів комунальної теплоенергетики. Зазначений варіант потребує залучення великих за обсягами інвестицій для закупівлі і встановлення значної кількості імпортного обладнання. Другий варіант, визначений як оптимальний, передбачає: створення умов для комплексної модернізації та технічного переоснащення підприємств галузі; розроблення і впровадження енергоефективних технологій та обладнання; підвищення рівня ефективності використання енергоресурсів; здійснення заходів, спрямованих на розвиток виробництва енергетичного обладнання, зменшення обсягів викидів забруднювальних речовин тощо. Очікується, що вжиття відповідних заходів дозволить суттєво скоротити споживання природного газу, знизити собівартість теплової енергії і підвищити рентабельність джерел теплової енергії.

Модернізація теплоджерел передбачає, в першу чергу, застосування сучасних енергозберігаючих технологій генерації, впровадження високоефективного теплогенеруючого обладнання з підвищеним ККД (через економію первинного палива пропорційно зменшується | об’єм|обсяг| забруднень від спалювання палива), енергоефективних малогабаритних пластинчатих теплообмінних апаратів, ефективного насосного та тягодуттьового устаткування, оснащення теплоджерел приладами автоматичного управління технологічними процесами, обліку паливно-енергетичних ресурсів, контролю шкідливих тощо.

Економія первинного палива може бути досягнута шляхом підмішування частини димових газів, що відходять, до повітря, яке подається на горіння. Спалювання палива з підвищеною вологістю вимагає додаткового надлишку повітря, що приводить до зниження температури в зоні горіння, а отже, і ефективності процесу горіння. Підігрів же первинного повітря до 20 град. С забезпечує підвищення температури горіння на 7%. Використання вторинних енергетичних ресурсів є одним з важливих напрямків зниження витрат палива на виробництво теплової енергії. Оснащення котлів пристроями глибокої утилізації теплоти відхідних газів знизити температуру газів, що виходять, з 140 – 160 град. С до 50—70 град. С. Завдяки глибокому охолодженню відхідних газів ККД котла підвищується на 3 - 8 % при використанні утилізованої теплоти в системі опалення і на 5 - 10 % – в системі гарячого водопостачання. Впровадження технологій утилізації теплоти відхідних газів котлоагрегатів є також і природоохоронним заходом. Зменшення кількості палива завдяки використанню глибокої теплоутилізації суттєво сприяє екологічному покращенню навколишнього середовища. Знижується кількість шкідливих викидів в атмосферу і завдяки зволоженню дуттьового повітря, а також частковому розчиненню в утвореному конденсаті оксидів вуглецю, азоту і інших шкідливих речовин.

Перспективним напрямком, як з погляду енергозбереження, так і для автоматизації технологічних процесів, є оснащення електродвигунів устаткування котельні (підживлюючих та циркуляційних насосів, тягодуттьового устаткування) перетворювачами частоти. Впровадження частотного регулювання дозволяє управляти швидкістю і моментом електродвигуна по заданих параметрах відповідно до характеру навантаження, отже - реалізувати найбільш економічний режим будь-якого процесу. Енергетичний ефект від впровадження частотного регулювання приводів на насосах в котельні збігається з тим, що розглянутий при впровадженні ЧРП на насосах теплових пунктів. Додатковий енергозберігаючий ефект від впровадження ЧРП може бути отриманий при регулюванні режимів роботи тягодуттьового устаткування - димососів і вентиляторів. Для забезпечення оптимального режиму горіння в топці котла (оптимального співвідношення «паливо-повітря») і створення найбільш сприятливих умов для повного згоряння палива необхідно, з однієї сторони, подати потрібну кількість повітря в топку, з іншої - із заданою інтенсивністю витягати з неї продукти горіння. Застосування перетворювачів частоти для управління вентилятором подачі повітря в топку, а також вентилятором димососу дозволяє не тільки ефективно вирішувати це завдання, але й автоматизувати цей процес найбільш повно й ефективно. Оскільки графік навантаження опалювальної котельні досить нерівномірний, зменшення продуктивності, як вентилятора, так і димососа дозволяє зекономити до 70% електроенергії, що йде на приведення в дію цих механізмів, до 15% палива за рахунок оптимальної спільної роботи вентилятора й димососа, збільшити міжремонтний період устаткування. На сьогодні це одна з швидкоокупних енергозберігаючих| технологій, широко використовуваних за кордоном.

Поряд з вдосконаленням існуючого обладнання теплоджерел все активніше здійснюється пошук нових технологій, затребуваних вимогами енергозбереження і екологічності теплопостачання. Незаперечливі переваги комбінованого виробництва теплової і електричної енергії визначають як один з пріоритетних напрямків розвитку енергетики впровадження когенераційних технологій. Когенерацію розглядають як інноваційну енергозберігаючу технологію, яка являє собою процес одночасного виробництва двох форм корисної енергії – теплової та електричної за допомогою одного пристрою, названого когенераційною установкою або міні-ТЕЦ. Оскільки ККД сучасних котлів досить високий і не залежить від їх одиничної потужності, тоді як підвищення рівня централізації приводить до подорожчання систем транспорту теплової енергії і, відповідно, зростання втрат ПЕР, створення міні-ТЕЦ малої і середньої потужності з використанням газотурбінних і газопоршневих двигунів слід розглядати як енергозберігаючу технологію.

Найбільш доцільним є застосування міні-ТЕЦ на підприємствах, які мають технологічну потребу в тепловій енергії цілий рік, наприклад, на підприємствах легкої, харчової або промисловості побутового обслуговування, де теплова енергія може бути використана для підігріву як живильної води, так і безпосередньо в технологічному процесі. Утилізована теплова енергія когенераційних установок може використовуватися в низькотемпературних виробничих процесах, таких, як сушіння, дублення, обробка харчових продуктів тощо. В країнах Європейського Союзу близько 24% підприємств мають власні джерела енергопостачання. Значного поширення на підприємствах набули парові та газові турбіни, а також дизельні дви­гуни. Лідерами у застосуванні міні-ТЕЦ у промисловості є Німеччина, Голландія, Франція та Іспанія. В Україні, незважаючи на глибокий спад виробництва, промислові підприємства, особливо — нафтопереробні, нафтохімічні та металургійні, залишаю­ться найбільшими споживачами теплової енергії у вигляді пари, гарячої води. В більшості ви­падків централізоване теплопостачання підприємств є малоефективним, частка енерго­носіїв у собівартості вітчизняної продукції в рази перевищує світові показники.

Значно підвищує ефективність використання міні-ТЕЦ тригенерація (спільне виробництво електроенергії, теплової енергії та холоду) за рахунок того, що потреба в тепловій енергії зберігається протягом всього року, відповідно, високий КПД установки можна забезпечувати цілорічно. Централізоване кондиціювання може задовольняти потреби в холоді таких споживачів як офіси, торгівельні центри, житлові будівлі, промислові підприємства тощо. В деяких технологічних процесах використовується холодна вода, яку в літній період можна отримувати за допомогою холодильних машин, що використовують теплову енергію міні-ТЕЦ. У опалювальний період холодильні машини можуть перемикатися на режим теплового насосу.

Широке використання автономних установок свідчить про наявну тенденцію відходу споживачів від традиційної системи централізованого енергопостачання. Причин цьому декілька: зростання цін на енергоносії від централізованих джерел (на тлі зростання ціни на природний газ, вугілля, ядерне паливо, електроенергію, витрат на відновлення розподільних мереж і генеруючих потужностей, зростання заробітної плати персоналу всієї енергетичної галузі тощо); вичерпання проектного ресурсу значної частини основних фондів енергетики; відсутність необхідних інвестицій в будівництво нових великих електростанцій; необхідність зниження техногенного навантаження на навколишнє середовище і ін. Вже в найближчі роки очікується суттєва переорієнтація енергопостачання на децентралізовану модель на основі використання автономних енергоустановок, в тому числі газопоршневих міні-ТЕЦ

Теплоенергетика України має сприятливі умови для впровадження міні-ТЕЦ. Напротязі десятиліть в містах, великих населених пунктах створювалась розгалужена система котельних для централізованого теплопостачання, що забезпечувала близько 85% потреби в тепловій енергії. З екологічних причин переважна більшість котельних муніципального теплопостачання працює на природному газі, завдяки чому доля газу у витратах палива на теплопостачання перевищує 75%. Враховуючи що природний газ має значний потенціал і з виробництва електричної енергії, а також те, що обладнання котелень поступово відпрацьовує свій ресурс, реконструкція котелень із встановленням газових генераторів може бути в багатьох випадках ефективною. За підрахунками вчених, встановлення когенераційних установок тільки в котельнях централізованого теплопостачання може надати можливість одержати майже 6000 МВт електроенергії, що дорівнює потужності Запорізької АЕС.

В пошуках шляхів енергозбереження значна увага приділяється заходам, спрямованим на заміну коштовного природного газу, вартість якого постійно зростає, на альтернативні засоби теплозабезпечення. Враховуючи, що ресурси блакитного палива не безмежні, а для виробництва електричної енергії застосовуються більш доступні і дешеві енергоресурси (вугілля, гідроенергія, атомна енергія, енергія вітру), альтернативою природному газу як джерела теплової енергії може стати електроенергія, особливо «нічна», вартість якої значно нижча, ніж «денної».

Якщо використання електроенергії для підігріву води на гаряче водопостачання вже розповсюджене, то вживання|застосування| електроопалення носить локальний характер і використовується в тих випадках, коли газифікація теплопоспоживачів| неможлива (або економічно недоцільна), або якість централізованого теплопостачання не забезпечує мінімальних вимог до теплового комфорту приміщень. Стримуючим чинником|фактором| для України в масовому використанні|застосуванні| електричного опалення є|з'являється| недолік|нестача| потужностей електромереж, обмежена пропускна спроможність розподільних електричних мереж. Так, для забезпечення гарячою водою і тепловою енергією будинку|дому| площею|площею| 100 кв. м потрібний котел потужністю не менше 10 кВт|. Недолік|нестачу| потребуємих| енергопотужностей визначає необхідність установки додаткових трансформаторів| і електропідстанцій, перекладання електричних мереж.|сітей| Це стосується і електропроводки - у більшості приміщень|помешкань| вона не розрахована на великі навантаження і для того, щоб|аби| встановити електрокотел, її потрібно замінити. Головною причиною обмеженого використання електричної енергії для цілей опалення є висока її вартість||сітей|. В Україні електрична енергія - найдорожчий вид енергоносія, і навіть підтримка з боку держави у вигляді введення|вступу| «нічних» і «денних» тарифів поки що не стимулює її широкого використання для опалення|застосування|. Згідно з офіційними даними, в Україні за допомогою електричного опалення обігрівається лише 15 тис. квартир і 10 тис. установ соціальної сфери (школи, клуби, лікарні, дошкільні дитячі заклади тощо). Спільна|загальна| потужність існуючого електроопалення не перевищує 200 тис. кВт|.

В країнах Західної Європи і інших економічно розвинених країнах, на відміну від України, вартість енергоносіїв, в перерахунку на кВт*год.,| практично однакова для різних його видів (газ, рідке паливо, електрична енергія і ін.) і вельми|дуже| висока. Вартість газу і електроенергії на обігрів 1 кв. м площі|площі| і експлуатаційні витрати на газовий і електрообігрів майже однакові, але|та| капітальні витрати на установку електрообігріву в 2-3 рази менші, ніж на установку газових обігрівачів або бойлерів, не говорячи вже про втрати на «обігрів вулиці». Економічна доцільність використання електроопалення в цих країнах обгрунтована і поширеністю вживання|застосування| багатотарифних лічильників електроенергії для обліку споживання|вжиток| дешевшої «нічної» електроенергії, тарифу вихідного, святкового дня. Мотивація споживання дешевшої електроенергії, з одного боку, неістотно|несуттєвий| впливає на знос електромереж і дозволяє частково вирішити проблему завантаженості ліній електропередач, з іншого боку, стимулює використання різних технологій акумуляції теплової енергії, наприклад в бетонній стяжці системи підлогового|напільного| опалення або за рахунок нагріву великої кількості води для ГВП з|із| подальшим|наступним| її споживанням|вжитком| в денні часи. Економічна ефективність таких систем досить|достатньо| висока.

Стан вітчизняного теплопостачання вимусив теплоспоживачів переглянути традиційне відношення до електроопалення. Стійка тенденція відходу (або бажання здійснити це) споживачів від централізованих систем теплопостачання до поквартирних або автономних способів теплозабезпечення, очікуване ще більше подорожчання природного газу визначили актуальність використання електричної енергії і для цілей опалення. У стихійному (часто у нелегітимному) вигляді електроопалення використовується населенням в міжсезоння, коли централізоване теплопостачання ще (або вже) не функціонує, або в холодний період року для догріву повітря приміщень до комфортної температури. В ці періоди, як свідчать дані, навантаження зовнішніх та внутрішніх електромереж підвищується до 15%.

Використання для опалення приміщень «нічної» електроенергії, вартість якої в Україні в 4 рази нижча ніж «денної», стає одним з перспективних напрямків економії природного газу, забезпеченням необхідної якості і надійності теплозабезпечення. Варіантом реформування| теплопостачання| може бути створення|створіння| комбінованих систем опалення на базі традиційних теплоджерел і електроенергії, що виробляється в енергосистемі в нічний час. В такому випадку система централізованого теплопостачання доповнюється локальним електричним джерелом теплової енергії, наприклад, у вигляді звичайних електронагрівачів, кабельних нагрівачів, електрокотлів і ін, які працюють виключно в інтервалі нічного провалу графіку навантажень на енергосистему. Комбіновані системи дозволяють покривати базове теплове навантаження за рахунок провальної електроенергії, а пікове – котельною, що працює на органічному паливі|пальному| (як правило – газі). Такі системи дозволяють більш повно використовувати встановлену|установлену| потужність генеруючих установок і витісняти органічне паливо|пальне| з|із| паливно-енергетичного балансу економічного району. Враховуючи, що тривалість пільгових «нічних» тарифів на електроенергію складає 7-8 годин, у випадку найбільш простої комбінованої системи «ЦТ + електрообігрівач прямої дії» коефіцієнт економії природного газу може скласти 0,3 (8/24), тобто використання такої системи теплопостачання може забезпечити економію майже 30% природного газу.

Перспективним є електроопалення міст, які розташовані недалеко від потужних електростанцій (насамперед атомних), завдяки меншим втратам потужності при транспортуванні. Особливо ефективно електроопалення працюватиме в місцях надлишку електроенергії із використанням її в нічні провальні часи. Електроопалення доцільно також застосовувати в місцевостях з|із| теплим кліматом і коротким опалювальним періодом (як тимчасові опалювальні пристрої|устрої|) або як допоміжне обігріваюче устаткування|обладнання|. Електроопалення стає вигідним при обігріві як великих виробничих приміщень|помешкань|, складів, учбових закладів, театрів, кафе, ресторанів, станцій техобслуговування, так і маленьких приміщень|помешкань| (кіосків, комор, дачних будиночків, теплиць, тваринницьких приміщень|помешкань| і т. п.|тощо|). Доцільним може бути електроопалення приміщень в житлових будинках вище 10 - ти поверхів, де облаштування газового поквартирного опалення забороняються діючими будівельними нормами.

В Україні існуючі на сьогоднішній день потужності вітрових електростанцій перевищують 51 МВт, а з моменту, коли запрацювала перша вітчизняна вітрова електростанція, вироблено більше 80 млн кВт*год. електроенергії. За оцінками фахівців, загальна потенційна потужність української вітроенергетики складає 5000 МВт. Узбережжя Чорного та Азовського морів, гористі райони Кримського півострова (особливо північно-східне узбережжя) і Карпат, ще ряд областей є перспективними для будівництва вітрових електростанцій. Тільки потенціал Криму достатній для виробництва більш ніж 40 млрд кВт*год. електроенергії щороку. Підраховано, що за нинішнього рівня розвитку вітроенергетики спорудження у «вітряних» регіонах України вітрових електростанцій дозволило б покрити майже не третину потреби електроенергії. Із технічної точки зору вітрова електроенергетика на сьогодні вже впритул наблизилася до традиційної: на сучасних вітрових турбінах коефіцієнт використання встановленої потужності сягає 42 %. Це майже стільки, як на турбінах поширених нині теплових електростанцій.

Нині в Україні вже налагоджене власне виробництво високоефективних кремнієвих сонячних батарей, і хоча 90% комплектуючих до них сьогодні експортується за кордон, вже відчувається гостра внутрішня потреба в відповідній сировині за прийнятною ціною. Переваги використання сонячної енергетики безперечливі - це загальнодоступність і невичерпність джерела і, теоретично, повна безпека для навколишнього середовища. В той же час використання сонячної енергетики є проблематичним. Так, через відносно невелику величину сонячної постійної потрібне використання великих площ землі під електростанції (наприклад, для розміщення електростанції потужністю в 1 ГВт необхідно мати декілька десятків кв. км). Хоча, цей недолік відносний, так, гідроенергетика, наприклад, виводить з користування значно більші ділянки землі. До того ж фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюються на висоті 1,8-2,5 метри, що дозволяє використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби. Проблема знаходження великих площ землі під сонячні електростанції вирішується в разі застосування сонячних аеростатних електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського, і для висотного базування. Перешкодою є також те, що потік сонячної енергії на поверхні Землі значно залежить від широти і клімату, в різних місцевостях середня кількість сонячних днів в році може дуже сильно відрізнятися. Сонячна електростанція не працює вночі і недостатньо ефективно працює в ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. До того ж потужність електростанції може стрімко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків потрібно використовувати ефективні електричні акумулятори (на сьогоднішній день це ще невирішена проблема), будувати гідроакумулюючі станції, які теж займають велику територію, або використовувати водневі технології, що ще не набули тієї якості і ефективності, коли вони могли б замінити традиційну енергетику.

В пошуках засобів енергозбереження значна увага приділяється заходам, спрямованим на залучення до паливно-енергетичного балансу теплоенергетики енергії вітру. Все ширше в останні роки для одержання електроенергії використовується енергія вітру. На місцевості, де дмуть часті й сильні вітри, встановлюються вітроенергетичні установки (ВЕУ), кількість і якість яких щорічно зростає. Сьогодні запропоновано безліч варіантів механізмів перетворення енергії вітру в електричну енергію, в багатьох країнах вже налагоджене їх серійне виробництво. В той же час використання енергії за допомогою вітру має недоліки: висока вартість обладнання (установка, що виробляє 1 Мвт електроенергії, коштує 1 млн дол.), нестабільність роботи через нерівномірність вітрової енергії (будь-який вітроагрегат працює на максимальній потужності лише певний час, в інші години він або працює не на повну потужності, або взагалі простоює). Значну невідповідність між номінальною і середньою потужностями вітроелектростанцій підтверджує такий факт: в Нідерландах на частку вітрових електростанцій на початку 90-х років 20 століття припадало 0,11 % всіх встановлених потужностей, але лише 0,02 % виробленої електроенергії. Відповідно, вітрові електростанції не можуть самі по собі бути надійною основою енергетики, вони або доповнюють основні потужності, здійснюючи певний внесок у виробництво необхідної електроенергії, або є джерелом електроенергії у віддалених чи ізольованих місцях, де складно чи неможливо забезпечити постачання електроенергії іншим чином.

Проте, протягом останнього десятиліття в світовій енергетиці безперечну першість за темпами розвитку незмінно утримує саме вітроенергетика. Темпи приросту сумарної потужності вітроелектростанцій коливаються у межах 20 - 30 % щороку. Лідерами в цьому є США, що планують до 2010 року довести сумарну потужність своїх ВЕУ до 16000 МВт. Німеччина за той же період планує довести цей показник до 13000 МВт. Данія планує покрити власні потреби в електроенергії за рахунок вітроенергетики рівно наполовину. Найбільша потужність ВЕУ в Швеції, Нідерландах, Великобританії і Німеччині. ВЕУ досягли нині рівня комерційної зрілості і в місцях із сприятливими швидкостями вітру можуть змагатися з традиційними джерелами електропостачання. На сучасних ВЕУ в Данії вартість 1 кВт. год. електроенергії можна порівняти з електростанцією, що працює на вугіллі, і вона є нижчою, ніж на електростанції, що працює на нафті. Всього в світі в сьогодення налічується приблизно 3 млн. вітроустановок, із них лише 3,5 тис. в країнах СНД.

Враховуючи, що вітроенергетика визначена у світі найбільш перспективною галуззю альтернативної енергетики, а Україна входить до числа країн, що мають значний вітровий та науково-виробничий потенціал і при цьому гостро потребує власних енергоресурсів, існує потреба у довготривалій програмі комплексного характеру для створення цілісної вітроенергетичної галузі. На сьогодні програмою будівництва вітрових електростанцій в Україні передбачено встановлення до 2014 року дослідно-промислових ВЕУ загальною потужністю 62,6 МВт. В Україні вітроенергетика вже сьогодні могла б вийти на високий рівень виробітку екологічно чистої електроенергії в разі достатнього її фінансування та відповідної державної політики. За рівнем застосування нетрадиційних джерел електричної енергії. Україна поки що істотно відстає від розвинених країн світу