Мини-ТЭЦ – источник тепла и света в загородном доме

В процессе работы миниатюрной теплоцентрали тепло не является основным продуктом производства – оно вырабатывается одновременно с электроэнергией и служит своеобразным бонусом для потребителей. Подобно электрогенераторам малой мощности, мини-ТЭЦ комплектуется различными типами силовых установок и, в зависимости от двигателя, способна работать на любом виде топлива.

Устройство и принцип работы мини-ТЭЦ

Как правило, в XX веке производство тепла и электроэнергии осуществлялось порознь – с этой целью создавались котельные и электростанции. При сжигании первичного топлива происходили значительные потери энергии, которые воспринимались проектировщиками, как неизбежные. Но достичь экономии топлива можно, если объединить выработку тепла и электричества в одной теплоцентрали.

Извлечение из одного источника первичной энергии более двух форм полезной энергии в процессе термодинамического производства называется когенерацией.

Выработка электроэнергии при помощи пара – технология, характерная для тепловых электростанций классического типа – сопровождается потерями тепла через градирни, пароконденсаторы и т.д. Вместо того чтобы попусту греть атмосферу, большую часть этой тепловой энергии можно направить на нужды потребителей. Общий КПД паровых электростанций, оборудованных системой когенерации, при этом возрастет с 50% (обычно не более 35-40%) до 85% и выше.

Малые теплоцентрали имеют рамную или модульную компоновку и состоят из двигателя, альтернатора и системы теплообменников, отводящих тепло, полученное в процессе охлаждения силовой установки, выхлопных газов и моторного масла. Большинство моделей оборудовано водогрейным котлом, улучшающим отвод тепла при высоких нагрузках на установку. Контроль за работой и поступлением топлива осуществляет автоматика, постоянного присутствия операторов не требуется.

Принцип когенерации. Сжигая топливо, двигатель осуществляет механическую работу, при этом его корпус нагревается. ДВС вращает вал, соединенный с ротором альтернатора – производится электрический ток. А тепловая энергия, утилизированная при помощи теплообменников (рекуператоров) из системы охлаждения силовой установки и из выхлопных газов, идет на нагрев воды. При дополнении когенерационной установки абсорбционными машинами становится возможным использоваться тепло для выработки холода, с целью кондиционирования помещений в летний зной.

Энергоблоки мини-ТЭЦ предназначены для работы круглые сутки в течение всего года, при условии постоянного поступления топлива. Минимальная мощность когенерационных установок составляет 25-30 кВт, максимальная – несколько мегаватт.

Плюсы и минусы малых теплоцентралей

Наиболее значимое преимущество мини-ТЭЦ – в том, что станция находится вблизи потребителей, благодаря чему потери тепловой и электрической энергии будут минимальны. Отсутствует потребность в сложной и протяженной системе теплосетей, ликвидация аварий на которых неизбежно вызывает сопутствующие проблемы, в том числе частичное отчуждение территорий с невозможностью следования транспорта по магистралям, расположенным в их пределах.

Основной недостаток мини-ТЭЦ связан с пользовательским энергопотреблением – если малая теплоцентраль эксплуатируется с полной нагрузкой, то ее окупаемость занимает минимальный срок (обычно от 3-х до 5-ти лет), в противном случае для достижения окупаемости уйдут многие годы. Эффективность работы малых теплоцентралей напрямую зависит от равномерности нагрузок – если они стабильны, то агрегаты работают без отказов, но при частом чередовании пуска и остановки установок нарастает возможность сбоев.

Следует отметить, что расценки на мини-ТЭЦ значительно превышают стоимость электрогенераторных установок с воздушным и жидкостным охлаждением. Обычно расценки определяются из расчета мощности мини-теплоцентрали – по минимуму 600-650 евро за киловатт, т.е. модель мощностью 30 кВт обойдется покупателю в 18000-20000 евро, без учета расходов на пуско-наладочные работы. Однако столь значительные расходы компенсируются длительным сроком службы когенератора – не менее 300000 часов, если вовремя производить его капитальный ремонт и обеспечить равномерной потребительской нагрузкой. Тип силовой установки на срок службы мини-теплоцентрали особого влияния не оказывает – это могут быть газопоршневые, микротурбинные моторы и двигатели Стирлинга.

Мини-ТЭЦ – виды силовой установки и типы топлива

Топливом для мини-теплоцентралей служит газ (магистральный метан, сжиженные пропан и бутан, другие горючие газы), жидкое топливо (мазут, солярка, нефть, биодизель, прочие виды горючих жидкостей) или твердое топливо (дерево, уголь, торф и т.д.).

В качестве привода альтернатора для теплоцентралей наименьшей мощности, которые допустимо использовать на частном подворье, применяются газопоршневые установки, рассмотренные в этом материале, и микротурбинные агрегаты.

Газопоршневая мини-ТЭЦ. Если в составе электрогенератора мощностью до 10 кВт газопоршневой двигатель – не совсем удачный выбор, то в качестве силовой установки мини-ТЭЦ мощностью от 30 кВт он подходит более чем.

Достоинства газопоршневой теплоцентрали:

• КПД по выработке электроэнергии – более 40%, суммарный, с учетом производительности по теплу – 90%;
• незначительное снижение КПД при падении нагрузки со 100 до 50%;
• малая зависимость от температуры окружающей атмосферы;
• обслуживание, в том числе капитальный ремонт, проводятся на месте базирования мини-ТЭЦ;
• расходы на ремонт не более 20% от капитальных затрат;
• исправная работа при низком давлении в газопроводе – от одного бара.

Недостатки:

• необходим отвод дымовых газов на значительную высоту от уровня земли или их очистка дорогостоящими катализаторами;
• полная замена масла через каждый 1000 моточасов;
• значительные габаритные размеры;
• нагрузки меньше 50% укорачивают сроки наработки на отказ, резко снижают производительность по теплу.

Газопоршневые когерационные мини-ТЭЦ выпускаются многими крупнейшими предприятиями, среди которых немецкая MVM (бывшая Deutz), австрийская Jenbacher, английская FG Wilson, американские Waukesha, Cummins и Caterpillar, финская Wartsila, японская Honda, российские «Эконефтегаз», «РУМО», «Барнаултрансмаш» и др.

Микротурбинная ТЭЦ. В микротурбине движется только вал – никаких механический приводов или редукторов в ее конструкции нет. Помимо одноступенчатой радиально-осевой турбины в обязательную конструкцию силового агрегата входят компрессор, аккумуляторный блок, инвертор и рекуператор. Благодаря воздушным подшипникам, бесконтактно удерживающим роторный вал генератора в подвешенном состоянии, турбина вращается с огромной скоростью – более 95 000 об/мин.

Воздушные подшипники состоят из двух элементов: внешней части созданной из специального высокотемпературного сплава и имеющей форму цилиндра; внутренней части с тонкой волнообразной нарезкой, над которой закреплена металлическая лента. На волнообразной поверхности, расположенной по внутренней окружности подшипника, при вращении вала формируется воздушная подушка, препятствующая смещению лент и воздушному слою над ними. При вращении вал постоянно находится в устойчивом положении, а пленка воздуха разделяет его с лентой и предохраняет от износа – в результате потребность в маслах полностью отпадает.

Тепло выхлопных газов поглощается рекуператором и используется для прогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания турбины, благодаря чему достигается некоторая экономия топлива. Созданию микротурбин способствовало развитие электронных систем управления и благодаря практически полной автоматизации такая энергосистема исправно работает под удаленным контролем посредством GSM-связи.

Срок наработки на отказ микротурбин, при условии периодического сервисного обслуживания раз в год, составит не менее 50000 часов.

Плюсы мини-ТЭЦ с микротурбиной:

• нет дымовых труб, поскольку выбросы вредных веществ в атмосферу практически отсутствуют (при условии 100% нагрузки);
• работа без сбоев независимо от интенсивности потребительской нагрузки;
• не используется смазка;
• высокое качество производимой электроэнергии, обеспечиваемое инвертором в составе микротурбинной теплоцентрали.

Минусы генератора с микротурбиной:

• стоимость более чем на 30% выше, чем у газопоршневых аналогов;
• высокая чувствительность к качеству газообразного топлива (содержание тяжелых углеводородов не более 5%);
• капитальный ремонт только в заводских условиях, расходы на него – свыше 50% от капитальных затрат;
• потребность в массивном аккумуляторе, компенсирующем пиковые нагрузки в сети. АКБ необходимо менять через каждые 9000 моточасов. Кроме того диапазон рабочих температур аккумулятора менее широк, чем у самого агрегата, т.е. при снижении температуры менее 0 о С вся теплоцентраль может выйти из строя из-за снижения характеристик электролита;
• при давлении менее 3,6 бар в питающем газопроводе микротурбина работать не будет, поэтому она комплектуется газовым компрессором. При неисправности данного агрегата мини-ТЭЦ прекратит производство энергии;
• КПД по выработке электроэнергии составляет максимальные 33%, что в среднем на 10% ниже, чем у газопоршневых мини-ТЭЦ.

Микротурбинные ТЭЦ производятся в США, в том числе компаниями FlexEnergy, Capstone, UTC Power и Elliott Energy Systems.

Изучив существующие варианты мини-ТЭЦ и их характеристики, рассмотрим перспективные разработки в этой области, уже применяемые с целью покрытия потребительских нужд в некоторых странах мира.

Теплоцентрали ближайшего будущего – микро-ТЭЦ

По сравнению с производителями электрической и тепловой энергии мегаваттных мощностей, ориентированными в первую очередь на выработку электроэнергии, основной продукт деятельности микро-ТЭЦ – тепловая энергия, а электричество относится к побочному. Оснащение значительного числа частных домов и малых объектов коммерческой недвижимости такими теплоцентралями позволит суммарно генерировать электроэнергию в значительных объемах, чем это требуется потребителям, а значит, энергосистема в целом выиграет от этого. Выработка тепловой энергии на местах ее потребления позволит значительно снизить ее потери при магистральной транспортировке, а избыточная электроэнергия компенсирует пиковые нагрузки на центральную электросеть.

Каким образом будет достигнута компенсация энергетических затрат в электросети? При включении емкостных электроприборов, как-то электрообогреватель либо электроплита, они будут потреблять из сети объем электроэнергии, примерно равный объему, производимому микро-ТЭЦ. Результат – стабилизация нагрузки на электросеть, сглаживание пиков потребления.

По оценке специалистов в качестве силовой установки для микро-ТЭЦ наиболее подходит двигатель Стирлинга.
Несмотря на прямую связь с двигателями внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга действует иначе – механическая работа производится им за счет перемен в объеме рабочего тела, происходящих из-за чередующихся циклов нагрева и охлаждения. Главное преимущество моторов Стирлинга – их принцип действия не связан напрямую с потребностью в сжигании топлива, они могут работать от источников тепла любого происхождения.

Плюсы двигателей Стирлинга:

• эффективная работа, основанная на любых температурных перепадах, будь то разница на солнце и в тени, разогретая печь, ядерный источник нагрева;
• простота конструкции и самостоятельный запуск, не требующий комплектации стартером;
• значительный ресурс, благодаря отсутствию каких-либо сложных узлов. Такой двигатель может работать бесперебойно многие сотни тысяч часов;
• высокая экономичность. При утилизации тепла в небольшом диапазоне температур производительность этих двигателей вне конкуренции;
• полное отсутствие выхлопа, наименьшая амплитуда вибраций и низкая шумность по сравнению с прочими ДВС;
• высокая экологичность ввиду отсутствия выработки рабочего тела (гелия или водорода);
• как и ДВС других типов, в процессе работы двигателей Стирлинга выделяется значительное количество тепла, утилизируемое рекуператорами и используемое для отопления или охлаждения внешних объектов.

Основные минусы «стирлингов»:

• большие габариты, вес и материалоемкость, в первую очередь вызванные потребностью в охлаждении двигателя;
• выход на заданную мощность занимает время, поскольку контакт с источником тепла происходит через теплообменники, имеющие ограничения по теплопроводности.

Топливные элементы

Они подобны гальваническим элементам, т.е. относятся к электрохимическим устройствам, но есть одно различие – химические вещества, участвующие в реакции, подаются в элемент снаружи. Выработка электроэнергии в топливных элементах происходит за счет химического преобразования топлива путем «холодного» горения.

Первый топливный элемент в 1838 году создал английский химик Уильям Грове, случайно обнаруживший во время опыта по разделению воды на кислород и водород, что электролизер не только поглощает, но и производит электроток. Однако интерес промышленников к этому изобретению возник лишь столетие спустя, с открытием космических программ в СССР и США – они использовались в американских кораблях Apollo, были установлены на советский луноход и «Бураны».

Водородно-кислородный элемент первого содержит два электрода, разделенных полимерной мембраной, проницаемой для протонов и непроницаемой для электронов. Пластины катода и анода выполнены из прессованной угольной пыли, покрытой снаружи слоем платины либо сплавом платиноидов. Реагенты – водород и кислород либо метанол и кислород – в топливном элементе постоянно обновляются, сменяя прореагировавшие продукты на новые. Реакция будет продолжаться столько времени, сколько в элемент будут поступать «свежие» реагенты. В результате реакции формируется единственный продукт – вода в жидком или парообразном состоянии.

Достоинства топливных элементов:

• с их помощью можно компенсировать потери энергии в центральной сети;
• КПД порядка 40-60%;
• выработка электроэнергии происходит в результате экзотермической реакций, что позволяет использовать их в качестве когенераторов;
• компактные размеры;
• полное отсутствие каких-либо вредных выбросов в атмосферу;
• они работают бесшумно, нет вибрации.

Их недостатки:

• для работы топливному элементу требуется внешний источник электроэнергии, подающий питание на катод и анод, т.е. в его отсутствие элемент электрическую энергию не вырабатывает;
• не способны запасать и хранить электроэнергию, необходимы ИБП.

Разработка топливных элементов для частных потребителей ведется в США, Европе и Японии с начала XXI века. Основная задача – заменить платину на электродах на более дешевые сплавы, поскольку ее использование серьезно влияет на стоимость каждого элемента (сегодня каждый киловатт мощности топливного элемента обходится покупателю в 1500 $). В данное время созданы твердооксидные, кислотные, щелочные и метанольные топливные элементы, активно исследуются их регенеративные аналоги, способные работать по замкнутому циклу, т.е. без ввода реагентов извне.

В завершении

Поскольку наиболее выгодным топливом для мини-ТЭЦ является природный газ, то будущие владельцы недешевого когенератора будут вынуждены пройти нелегкий путь получения разрешений от ряда государственных инстанций. Отмечу, что добиться подключения мини-теплоцентрали к магистральному газоснабжению в России довольно сложно даже промышленным предприятиям.

На этом исследование электрогенераторов не возобновляемых ресурсах завершается. Цикл «Автономное электроснабжение загородного дома» продолжит статья о мини-ГЭС, открывающая серию материалов о способах получения электроэнергии из возобновляемых источников.