К оценке экономической эффективности энергогенерирующих установок при создании децентрализованной генерации энергии 

В данной статье предложены пути решения энергетических проблем сельских населенных пунктов с целью ускорения их социально-экономического развития, а также предложены возможные оптимальные пути комплексного энергоснабжения широкого спектра децентрализованных и централизованных городских объектов таких, как объекты ЖКХ, предприятия. Даны методологический подход и алгоритмы для нахождения сравнительных оценок по экономической и энергетической эффективности полигенерационных технологий для создания децентрализованной генерации энергии. В статье даются оценки экономической целесообразности использования чистых когенерационных технологий в России, Европе, Казахстане. Приводится сравнительная оценка энергоэффективности комбинации когенерационной установки с тепловым насосом. 

Постановлением Правительства Республики Казахстан от 30 декабря 2013 года №1434 утверждены основные положения Генеральной схемы организации территории Республики Казахстан, в  которой уделяется большое внимание социально-экономическому развитию сельских районов страны с целью повышения привлекательности этих территорий для поселения и постоянного местожительства. В сельской местности в настоящее время проживает порядка 40% населения Казахстана, и выполнение этого постановления напрямую связано с организацией достаточного энергообеспечения этих районов [1].

В связи с масштабным строительством жилья, восстановлением промышленного производства возросла и актуальность создания комплексного энергоснабжения широкого спектра децентрализованных и централизованных городских объектов таких, как объекты ЖКХ, предприятия.

Казахстан стремится приобрести статус индустриальной державы, но, как    показывает    мировая    статистика    по    развитию  электроэнергетики, потребление электроэнергии в развитых странах мира в среднем удваивается каждые десять лет [2], поэтому и Казахстану нужно быть  готовым обеспечить такое удвоение. К этому тренду ещё необходимо добавить всё возрастающие требования к качеству электроснабжения и устойчивости энергосистем. Эти требования во многом связаны с запуском высокотехнологических производств и с массовым распространением цифровых приборов.

Один из возможных путей в выполнении выше отмеченных задач- это включение элементов распределенной и децентрализованной генерации энергии в энергообеспечение объектов. В последнее время как вопросам по оптимальному построению распределенной и децентрализованной генерации электричества и тепла, так и методологическим вопросам построения энергетических сетей стали уделять повышенное внимание. Общеизвестно, что в системах распределенной и локальной генерации энергии в качестве источников применяются как энергогенерирующие установки, так и работающие на углеводородном топливе и на возобновляемых источниках энергии. Выбрать оптимальный вариант комплектации при создании или реконструкции энергосети непростая задача. Причина во многом в том, что появились новые технологические решения и новые генераторы по производству электроэнергии, тепла, холода. Поэтому для казахстанских условий работа по созданию методики по оценке экономической эффективности проектных решений при комплектации системы децентрализованной генерации электричества и тепла представляется достаточно актуальной. Наличие подобной методики позволило бы находить наименее проблемные и затратные схемы энергообеспечения потребителей еще до начала проектирования. В настоящее время к этой проблеме обращаются многие исследователи. Есть научные работы, где пытаются дать её решение на теоретическом уровне. Однако имеющаяся многофакторность в её постановке, в том числе и присутствие среди них случайных, временных и политических факторов, не позволяют создать универсальные аналитические и программные алгоритмы, дающие её решение. Так, например, к факторам, которые будут влиять на экономические показатели реализованных проектов, можно отнести: изменения в соотношении спроса на тепловую и электрическую энергию, изменения стоимости топлива, тарифов на тепло, электричество; прогрессирующее изменение климата, курсы валют.

Поэтому при нахождении оптимального варианта по децентрализованному энергоснабжению следует опираться не только на новые энергоэффективные технологии, но и учитывать все основные влияющие факторы и их возможные тренды, включая и локальные особенности энергопотребления тех территорий и объектов, где будет реализовываться проект. Только после такого учета мы сможем реально подойти к оценке коммерческой эффективности конкретного проекта. Ввиду сложности  задачи  по  оценке  коммерческой  эффективности, исследователи пытаются разбить её на локальные подзадачи. Такой подход упрощает решение поставленной задачи и позволяет получать количественные оценки коммерческой эффективности рассматриваемых проектов в рамках условно установленных границ.

Этот принцип был применен и авторами данной статьи, а именно: ими проводился анализ экономической эффективности энергогенерирующих когенерационных установок, работающих как чисто в когенерационном автономном режиме, так и совместно с преобразователями низкопотенциального тепла земли. Существующее в России и Казахстане децентрализованное электроснабжение в основном базируется на дизельных двигателях, а теплоснабжение - на работе котельных. Как правило, эти установки стационарны и должны, по возможности, обладать  малой удельной стоимостью выработки электрической и тепловой энергии и большими сроками эксплуатации. По этим показателям в основном и делается выбор энергогенерирующих установок. Большая часть используемых в Казахстане энергогенерирующих установок работает в режиме моногенерации. Если же посмотреть на европейское энергообеспечение, то можно увидеть, что когенерационные схемы по производству электричества и тепла в этих странах стали доминирующими, а процесс совершенствования энергообеспечения ориентирован уже непосредственно на создание оптимальных сетей, включающих в себя когенерационные установки и установки, работающие на возобновляемых источниках энергии. В какой мере имеющийся положительный европейский опыт можно перенести на казахстанское энергообеспечение?

Ответ на этот вопрос актуален в связи с тем, что в настоящее время стал наблюдаться повышенный интерес к когенерационным технологиям и в Казахстане. Так в Казахстане крупными предприятиями активно стали создаваться свои локальные энергогенерирующие источники малой  и средней мощности для обеспечения собственных нужд электроэнергией и теплом, а в ряде регионов стали разрабатываться и реализовываться энергопрограммы по строительству малых или мини ТЭЦ для замены устаревших котельных.

Современный рынок поставляет когенерационные установки, работающие на углеводородном топливе с различными типами тепловых двигателей со спектром мощностей от 5 кВт и выше. Они изготовлены различными фирмами, имеют различные КПД, различные цены. В основном этот рынок представляют зарубежные установки. Энергетическая эффективность таких установок может достигать 85%. Однако уровень внедрения в Казахстане этих установок пока остается достаточно низким. Основные причины: высокая цена установок; длительный срок окупаемости, и, как следствие, отсутствие инвестиций; отсутствие методик по оценке их эффективности по сравнению с другими видами электро - и теплоснабжения; отсутствие методик по расчету сроков окупаемости вложенных затрат при их внедрении и дальнейшем обслуживании и т. д.

Если в Европе автоматически принимается, что  применение когенерации в энергоснабжении экономически выгодно, то можно ли этот европейский результат экстраполировать на всю территорию Казахстана? В случае, если ответ будет отрицательным, то естественно, возникают вопросы: есть ли зоны в Казахстане, где использовать когенерационные установки все же экономически целесообразно? Какие условия нужно считать определяющими и их можно принять как базовые критерии при проведении оценки экономической целесообразности использования этих установок? Можно ли разрабатывать и изготавливать в Казахстане энергогенерирующие установки, включающие в себя принцип когенерации, которые были бы уже экономически целесообразными для их внедрения на всей казахстанской территории.

Изучая работы российских ученых по исследованию возможности применения когенерационных установок в России, мы не получили однозначного ответа об их экономической целесообразности использования. Так, в ряде этих работ констатируется, что чистая когенерация в России экономически целесообразна только при наличии стабильного рынка сбыта продукции [3-5], а именно: только при полной реализации выработанной электрической и тепловой энергии. По-видимому, эти условия выполнимы только в населённых пунктах с развитой инфраструктурой,  высокой степенью благоустройства и устойчивой нагрузкой горячего водоснабжения. В Европе такое состояние отмечается повсеместно и применение когенерации для них экономически более целесообразно,  чем  другие способы получения электричества и тепла.

Обеспечение электричеством и теплом населения в городах и селах Казахстана, расположенных в достаточно суровых климатических условиях с продолжительной и холодной зимой, является сложной технико- экономической и затратной задачей, и выбор оптимального варианта энергоснабжения - задача не из легких.

Если рассматривать локальные системы энергоснабжения, то существенным стимулом для их широкомасштабного внедрения в Казахстане может служить:

  • наличие значительного количества котельных: порядка 5500 малых котельных различных форм собственности и требующих зачастую незамедлительного ремонта;
  • доминирование дизельных электростанций с выработанным моторесурсом и соответственно низким коэффициентом использования топлива;
  • большое количество хозяйств, поселков, не включенных в центральные энергетические системы, особенно это относится к удаленным и труднодоступным территориям;
  • плохое состояние распределительных сетей [1].

В России, Беларуссии, на Украине считают, что наиболее экономически целесообразное направление работы по энергообеспечению потребителей в рамках локальных сетей это преобразование котельных в микро - или мини - ТЭЦ. При этом экономический эффект от применения когенерационных технологий в энергетике [3-5] оценивают при помощи следующих показателей:

  • абсолютной экономией топлива по сравнению с его затратами на выработку тех же количеств энергии традиционным способом;
  • удельными капиталовложениями на установленный электрический кВт;
  • себестоимостью выработанной электроэнергии;
  • сроками самоокупаемости проекта.

Из этих показателей только первый является техническим показателем и не зависит от страны, где применяются когенерационные технологии, другие показатели определяются рынком энергетического оборудования, ценой топлива, тарифами на электричество и тепло, заработной платой, эти показатели имеют региональные различия, являются  спецификой конкретного государства и отражают его энергетическую политику.

Таким образом, экономическая эффективность работы микро- или мини ТЭЦ будет зависеть от типа энергогенерирующего оборудования, климатических характеристик зоны, где организуется энергообеспечение, ценами на топливо, тарифами на электрическую и тепловую энергию, издержками на обслуживание, возможными государственными дотациями.

В настоящее время имеется большой выбор типов энергогенерирующих агрегатов, осуществляющих когенерацию: поршневые агрегаты, микротурбины, газотурбинные и парогазовые установки и другие энергогенераторы, а также большой выбор энергогенераторов, работающих на ВИЭ, и преобразователей низкопотенциального тепла. Очевидно, что в зависимости от выбора энергогенерирующей установки мы будем иметь и различные показатели по выработке тепловой и электрической мощности, разные КПД и разные коэффициенты использования топлива. В работе российских ученых [3] были проанализированы зависимости КПД и получаемые соотношения электрической и тепловой мощностей для газотурбинных (ГТУ), газопоршневых агрегатов (ГПА) и микро- газотурбинных установок (микроГПУ), работающих в режиме когенерации в зависимости от мощности этих установок. Для регионов России авторы работы [3] делают следующие выводы:

  • с целью повышения эффективности использования топлива мощность когенерационной установки нужно регулировать, используя график тепловой, а не электрической нагрузки;
  • выбор наиболее эффективной когенерационной установки как варианта мини-ТЭЦ должен проводиться за счет оптимизации коэффициента теплофикации (доли тепловой нагрузки мини-ТЭЦ, покрываемой когенерационной установкой).

Возможно, эти выводы будут приемлемы и для ряда регионов Казахстана.

  Зависимости КПД (а) и соотношения электрической и тепловой мощностей (б) от типа и мощности установок

Рисунок 1 - Зависимости КПД (а) и соотношения электрической и тепловой мощностей (б) от типа и мощности установок 

Авторы работы [3] также провели оценочные расчеты по экономической эффективности сооружения мини-ТЭЦ на базе котельных. При проведении этих расчетов они в качестве факторов, влияющих на коммерческую эффективность сооружения мини-ТЭЦ, учитывалась цена на природный газ, цена на электрическую и тепловую энергию, заработная плата, удельные капитальные вложения в когенерационную установку. Расчеты проводились на реальных графиках энергетических нагрузок. Среди выводов, которые были сделаны авторами этой работы, есть очень принципиальный вывод - сооружение мини-ТЭЦ на базе котельных в условиях Сибири экономически неэффективно. «Ни один из вариантов с когенерацией не оказался экономически приемлемым из-за низких тарифов на электроэнергию и газ в сочетании с высоким региональным коэффициентом удорожания капиталовложений» [3], т.е. оказывается, не во всех регионах России традиционные когенерационные установки экономически эффективны. Возможно аналогичные выводы будут применимы и для некоторых локальных территорий  Казахстана, которые либо близки по   климатическим условиям к условиям Сибири, либо имеют схожие экономические условия с российскими. Поэтому представляют большой научно-прикладной интерес исследования, позволяющие давать оценку экономической эффективности использования в энергоснабжении полигенерационных установок.

На различных территориях Казахстана климат имеет ярко выраженное качественное различие. Для разных его территорий характерны большие различия в колебании суточных и годовых температур и значительные различия в продолжительности отопительных периодов. Поэтому для оценки влияния климатических условий на экономическую эффективность от внедрения различного вида энергогенерирующих установок территорию Казахстана желательно разбить на температурные зоны, определяемые градусо-сутками отопительного периода. Такой подход качественно отличается от чисто территориального разбиения, используемого в экономике. В работе [7] был осуществлен такой подход, в результате которого территория Казахстана была разделена на 5 температурных зон с близкими по величине градусо-сутками (согласно СНиП РК 2.04-21-2004) отопительного сезона, которые проявляются в значительных колебаниях суточных и годовых температур и в продолжительности отопительных периодов.

 Годовой график нагрузки на отопление и кондиционирование для пяти температурных зон РК для модельного жилого дома

Рисунок 2 – Годовой график нагрузки на отопление и кондиционирование для пяти температурных зон РК для модельного жилого дома

Приведенная в этой работе карта Казахстана с нанесенными пятью температурными зонами позволяет считать, что при оценке экономической эффективности от внедрения различного вида автономных энергосистем будет ошибочным проводить их сравнительные оценки традиционно, разделяя территорию Казахстана на зоны: север, юг, запад, восток. Из карты температурных зон РК видно, что каждая температурная зона имеет свою специфическую форму. Этот результат, можно считать, носит качественный характер. Для проведения сравнительных оценок энергоэффективности автономных энергосистем необходимы количественные величины, которые бы характеризовали каждую температурную зону. С этой целью были подготовлены графики годовой нагрузки на отопление и кондиционирование для каждой температурной зоны (рисунок 2). В качестве исследуемого объекта был взят модельный жилой дом площадью 150 м² с базовым уровнем удельного расхода тепла 135кДж/(м²˚С сут). Используя годовые графики нагрузки на отопление, кондиционирование, освещение и на другие электрические приборы, для каждой из пяти зон на базе условного жилого дома были определены количественные величины сокращения годового потребления топлива при использовании когенерационной установки в сравнении с моногенерационной установкой. В сравниваемых установках закладывались характеристики дизеля. Результаты расчетов показали,  что при использовании дизель-генератора сокращение годового потребления топлива для обеспечения электричеством, теплом и холодом потребностей модельного жилого дома не превышает 25% в «теплых»  температурных зонах и 23% в «холодных» зонах Казахстана. Экономия оказалась относительно стабильной и практически независимой от климатических характеристик местности при использовании дизель-генератораторов. Какая картина будет наблюдаться для других видов когенерационных технологий, других типов энергогенераторов и других топлив? Известно, что в настоящее время одним из многообещающих направлений по улучшению энергетических показателей когенерационных установок, разработчикам видится            объединение      этих      установок      с       преобразователями низкопотенциального тепла [5,7]. Такую систему стали называть интегрированной системой энергоснабжения (ИСЭ). В связи с этим возник практический интерес к энергоэффективности такого объединения при комбинациях различных видов энергогенераторов с преобразователями низкопотенциального тепла. Авторами статьи [7] для качественной оценки энергоэффективности таких объединений для каждой из пяти температурных зон были проведены расчеты удельных затрат топлива для одного варианта ИСЭ, используя тот же модельный жилой дом площадью 150 м² с базовым уровнем удельного расхода тепла 135кДж/(м²˚С сут). Полученные результаты показали, что этот путь открывает возможность существенно повысить коэффициент использования топлива, увеличить его в 2,5 и более раза. Таким образом, можем сказать, что разработанная методология расчетов по оценке энергоэффективности энергогенерирующих установок апробирована на  трех различных способах генерации энергии и позволяет получать сравнительные оценки энергоэффективности  конкретных энергогенерирующих систем.

Используя материалы работы [3], где приведена связь мощности энергогенерирующих установок на базе ГТУ, ГПА, микро ГТУ с их КПД, с их тепловыми и электрическими мощностями, и разработанную методологию и программные алгоритмы в работе [7], можно построить обобщенный алгоритм и расчетную программу для нахождения сравнительных оценок энергоэффективности любой полигенерационной технологии, использующей энергогенераторы [3].

Полученные при использовании дизель-генераторов в когенерационной технологии 23-25 % сокращения топлива не позволяют дать однозначный ответ об экономической целесообразности их применения на всей территории Казахстана. Как выше было отмечено, на экономическую эффективность от применения полигенерационных технологий будут влиять, помимо технических факторов, еще и другие, не менее весомые факторы. Может оказаться, как это было зафиксировано в сибирской зоне России в работе [3], что при незначительном увеличении энергоэффективности от применения когенерационной технологии, влияние цены на энергетическое оборудование и социально-экономических факторов в некоторых регионах Казахстана, как и в Сибири, будут создавать отрицательный экономический эффект от внедрения когенерационных технологий. Поэтому указать территории Казахстана, где целесообразно внедрение когенерационных технологий, а где нет, в настоящее время не представляется возможным, так как на данный момент нет расчетного инструмента по оценке экономического эффекта от внедрения нового энергогенерирующего оборудования. По этой причине назрела необходимость создания такого алгоритма расчета экономической эффективности, где будут учтены все основные влияющие факторы и их возможные прогнозные значения на рассматриваемый временной период. Из общего перечня ранее отмеченных базовых факторов, мы можем активно воздействовать только на технические факторы, ими мы можем управлять и по вышеприведенной методологии рассчитывать их энергоэффективность. Остальные же факторы в основном являются не зависимыми от нас и отражают демографическое, политико- экономическое, настоящее и будущие состояния в рассматриваемой зоне применения. Касаясь точности проводимых оценок экономической эффективности, следует отметить, что низкая достоверность прогнозов  цен на топливо, на изменения тарифов на вырабатываемую электрическую и тепловую энергию, на демографические и нормативно-правовые изменения, на колебания в валютном курсе тенге, а соответственно колебания в ценах на импортное оборудование, всегда будут создавать разного уровня ошибки в предварительных прогнозных расчетах таких оценок .

Подводя итог, можем сделать следующее заключение. Для получения сравнительной оценки экономической эффективности от внедрения энергогенерирующих систем или отдельных установок необходимо выполнить следующие этапы расчетов. На первом этапе - получить сравнительные оценки по энергоэффективности этих систем или установок, используя методологию, алгоритмы и результаты работы [7]. На втором этапе, используя результаты и методологические подходы работы [3], выделить основные влияющие факторы для изучаемой зоны Казахстана и их возможные тренды во времени, получит приближенные оценочные величины значимости этих факторов. На третьем этапе, объединяя первые два, определить величины экономической эффективности от внедрения конкретной энергогенерирующей системы или отдельных её элементов для изучаемой зоны Казахстана. Первые два этапа можно описать квазистационарной многофакторной моделью. На базе этой модели можно будет создать программный продукт по численному расчету экономической эффективности проектов. Такой программный продукт стал бы востребованным при нахождении оптимальных решений по построению децентрализованной генерации электричества, тепла и холода.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

  1. Трофимов А., Рабинович М. Распределительные сети – наиболее проблемный и затратный фактор электроснабжения сельских территорий // Журнал Энергетика. – 2011. – №2 (37).
  2. Трофимов    А., Бабин С., Белов Ю.  (ТОО «Институт «Казсельэнергопроект», г.Алматы). К комплексному подходу электроснабжения городов // Журнал Энергетика. – 2014. – №3 - С. 39-41.
  3. Филлипов С.П., Дильман М.Д. Перпективы использования когенерационных установок при реконструкции котельных. Промышленная энергетика - 2014, - № 4. - С. 7-11.
  4. Амерханов Р. А. Гарькавый К. А. Интегрированная система энергообеспечения на основе установок когенерации малой мощности Энергосбережение и водоподготовка. - 2011. -. № 2. - С. 39-41.
  5. Дзелзитис Э. Оптимизация процесса когенерации // Энергосбережение. – 2012. – №1. - С.70-71
  6. Баженов А. И., Михеева Е.В. Совершенствование тепловых схем газопоршневых установок при комбинированной выработке электрической энергии , теплоты и холода. Промышленная энергетика - 2014, - № 5 - С. 19- 23.
  7. Стояк В.В., Кумызбаева С.К., Апсеметов А.А. Комплексное автономное энергоснабжение – реальность // Энергетика и электрооборудование.- - №2 (6) .
Год: 2015
Город: Алматы