Теплоэлектростанции для жилых домов

Жители частных домов очень часто озадачиваются вопросом применения автономных систем и оборудования, позволяющего генерировать электрическую и тепловую энергию. Сегодня подобное становится вполне реальным.

Многие производители и поставщики предлагают частным клиентам компактные генераторы тока, в основе функционирования которых лежат разные по типам двигатели и установки. Микротурбины, к примеру, применяются в газопоршневых установках, которые нередко называются еще и когенерационными.

На сегодняшний день можно смело утверждать, что именно за таким оборудованием стоит наше будущее. В промышленной сфере сложные конструкции применяются уже давно. Также газотурбинные двигатели могут применяться на крупных ТЭС, которые обслуживают целые города. Хотя в последние годы наблюдается тенденция отказа от использования таких систем в пользу компактного автономного оборудования. Мы часто говорим, что генераторы тока и тепловые или паровые котлы применяются в частном секторе, в своих домах. Но установка этих систем вполне реальна и в многоквартирном доме для обеспечения нормальной, бесперебойной, постоянной работы всех электроприборов, а также для отопления квартир в зимний период. Такая мини тэц позволяет избавиться вообще от влияния коммунальных служб.

Просто подумайте, насколько необоснованными являются наши регулярные затраты на оплату низкокачественных коммунальных услуг. Неужели не пришло еще время, чтобы отказаться от них? К тому же, такие возможности имеются у всех. Нужно лишь немного углубиться в изучение данного вопроса. И в этом помочь могут истинные профессионалы.

Конечно, прежде чем делать заказ конкретного вида генератора, важно обосновать свой выбор. Обращаясь в надежную компанию, которая специализируется на поставках сложного оборудования, важно сразу объяснить, для каких целей необходима установка, где она будет применяться. Газотурбинные генераторы являются, кроме всего прочего, еще и экономически выгодными. С их помощью экономятся природные ресурсы, а также денежные средства владельцев современной техники.

Очень важно отметить, что компактное, но многофункциональное оборудование не наносит вреда окружающей среде. А значит, может применяться повсеместно. О прочих достоинствах компактных электростанций более подробно расскажут узкие специалисты при первом к ним обращении.

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.