Які перспективи в енергетичної інфраструктури України? Та як може допомогти зелена енергетика?

Які проблеми має галузь?

Сьогодні в Україні вже доходить до кінця другий рік від початку повномасштабного вторгнення росії, яке завдає великих руйнувань всім галузям економіки та інфраструктурі. Енергетична галузь також не стала винятком та страждає від терористичних атак росії. Значна частина енергооб’єктів або зруйнована, або ушкоджена, або залишилися на непідконтрольній території. У зв’язку з цим вже не один місяць поспіль відчувається дефіцит електроенергії в мережах та аварійні відключення подачі її споживачам, особливо це відчувається в осінньо-зимовий період, коли навантаження на систему зростають.

Відключення електроенергії в Україні можуть бути з двох причин:
· нестача власної генерації, при якій і відсутня достатня кількість електроенергії, для забезпечення потреб. Сьогодні, Україна, на жаль, є дефіцитною державою, коли на піках не вистачає власної електроенергії;
· пошкодження мереж, що не дозволяє отримувати споживачам електроенергію. Ніхто конкретно не знає чого очікувати від російської агресії і тому потрібно готуватися до можливих відключень.

За інформацією ДТЕК, унаслідок воєнних дій та окупації частини українських територій російськими військами Україна втратила близько 10 гігаватів потужностей генерації електроенергії, при цьому втрати включили ТЕС, ТЕЦ та ГЕС. Такі втрати вплинули на збалансованість системи в цілому, наприклад, в пікові години навантажень дефіцит електрогенерації сягає до 5 гігаватів.

Також, до цього додається непостійність вітрових потоків та сонячного випромінювання (частка зеленої енергетики в структурі виробництва до тотальної війни перевищувала 13% та на початок 2022 року загальна встановлена потужність об’єктів зеленої енергетики сягнула 9656 МВт) – і як наслідок, велика варіабельність обсягів енергії, що одержується – ставить перед енергетичною системою такі завдання, які не можуть бути вирішені на рівні енергомережі. Навіть невеликі зміни швидкості вітру, які можуть відбуватися багаторазово протягом дня (у межах тимчасових інтервалів менш як 15 хвилин), дуже сильно впливають на потужність, що генерується. В енергетичних системах з високою часткою встановленої потужності вітрових електростанцій це призводить до виникнення проблем, на вирішення яких дана система не розрахована.

Тому, наявну енергетичну систему необхідно доповнювати регульованими та маневровими потужностями, які здатні виконувати швидкий пуск, набір потужності та зупинку. Для створення стійкої, надійної та доступної енергосистеми потрібна наявність динамічних потужностей, що відповідає приблизно половині необхідної потужності з уривчастим характером дії.

При успішному розв’язанні проблем нестабільності енергопостачання енергія вітру та сонця має значний потенціал.

Автономні джерела тепла, як альтернатива

Автономні джерела тепла – це джерела тепла, які не підключені до систем центрального опалення. Ці джерела не підключені до зовнішніх тепломереж і часто не є повністю автономними, оскільки підключаються до централізованих систем подачі палива (в основному газу), електроенергії та води. Вони обслуговують окремий будинок, групу будинків, інколи ж і невелике місто.

До автономних джерел теплопостачання відносяться котли малої потужності, а також газопоршневі агрегати та газові турбіни малої потужності. Газопоршневі установки та міні-ТЕЦ на базі паротурбінних та газотурбінних установок є автономними джерелами як тепла, так і електроенергії, тобто джерелами когенерації, які за умов відсутності зовнішнього енергопостачання можуть забезпечити роботу теплопостачальних підприємств.

Отже, у розв’язанні зазначених проблем найбільші перспективи мають високоефективні газопоршневі когенераційні установки, які можуть працювати як для забезпечення електроенергією окремих підприємств, тобто працювати в «острівному» режимі, так і виробляти електроенергію і тепло для зовнішніх споживачів та балансувати енергосистему в цілому.

Переваги когенераційних газопоршневих установок

Основна перевага газопоршневих когенераційних установок перед звичайними паротурбінними ТЕЦ у тому, що перетворення енергії тут відбувається ефективніше. Іншими словами, газопоршнева когенераційна система дозволяє максимально використовувати тепло викидних газів, тепло двигуна та низькопотенційне тепло в цілому від агрегату. При цьому на підприємствах потреба в покупній енергії знижується на кількість теплової та електричної енергії, що виробляється, а це сприяє зниженню собівартості продукції.

Завдяки можливості застосування в різних режимах (від ефективного виробництва електроенергії на базовому навантаженні, до динамічного балансування системи в поєднанні, наприклад, з вітровими або сонячними станціями), електростанції на базі газопоршневих установок стають ключовим фактором оптимізації енергетичних систем.

Використання газопоршневих установок забезпечує надшвидкий, з нульовим рівнем викидів, холодний резерв та готовність до будь-яких нештатних ситуацій в енергосистемі, забезпечуючи виконання пуску локальної енергосистеми з «холодного», в тому числі. Для початку видачі в систему електричної потужності, газопоршневим електростанціям потрібно лише декілька хвилини з моменту пуску до виходу в режим повного навантаження. Вони розраховані на виконання багаторазових пусків та зупинок практично одним натисканням кнопки, і при цьому не потрібно додаткового технічного обслуговування.

Генератор з рідинним охолодженням може працювати без зупинки кілька днів, оскільки на нагрівання рідини йде більше часу, ніж на повітря, що дозволяє використовувати генератор як основне джерело електроживлення.

При роботі в резервному режимі, нагрівальний елемент у блоці циліндрів підтримує двигун генератора у теплі, забезпечуючи його швидкий запуск навіть у морози.

Користувачі можуть самі запрограмувати режими та графік включення, а також скасувати включення у разі порожнього приміщення та навіть керувати процесом опалення віддалено.
Елемент добре прогріває генератор при низьких. Для сильних морозів можливе встановлення системи підігріву циліндрів більшої потужності та індивідуальної системи підігріву мастила в піддоні картера.

Багатоблочна конфігурація станцій забезпечує показники готовності та надійності, близькі до 100%, а також максимально можливу гарантовану потужність. Станції також дозволяють оперативно відстежувати навантаження та забезпечувати пікове навантаження зі швидким регулюванням частоти та ефективним виділенням гарячого резерву.

Завдяки компактним розмірам, низьким рівням викидів та шуму газопоршневі станції можна без проблем розміщувати в безпосередній близькості від ключових споживачів, наприклад, у містах, що дозволяє значно знизити капітальні витрати на енергомережу. Особливих вимог до інфраструктури при використанні таких станцій не висувається – споживання води або відсутнє, або незначне, а необхідний для роботи тиск у газопроводі невисокий.

Газопоршневі когенераційні установки надійні та економічні, мають високий електричний ККД – 43-45% і вище, а з виробництвом тепла ККД складає понад 88%. Ці установки також ефективно працюють на часткових навантаженнях і в складних умовах навколишнього середовища, забезпечуючи високі рівні потужності навіть у спекотному кліматі і на великих висотах.

Газопоршневі когенераційні установки можуть працювати як на природному газу, так і на, бутані, пропані, біогазі, сміттєвому газі, попутному газі нафтових свердловин тощо.

В Україні по когенераційному циклу, включаючи існуючі ТЕЦ, виробляється близько 7% електроенергії, Україна має чималий потенціал для розширення когенераційних технологій. Комбіноване вироблення теплової та електричної енергії в котельнях дозволяє встановити до 6 тис. МВт генеруючих потужностей, у промисловості (при необхідності використання тепла в технологічних процесах) ~ 8 тис. МВт, а на базі газотранспортної системи – створити до 2 тис. МВт нових потужностей.

Когенерація на базі газопоршневих установок має як позитивні, так і негативні сторони, які слід враховувати при ухваленні рішення, чи підходить вона вам. При цьому переваги, які пропонує така когенерація, є надзвичайно вигідними з усіх боків, у тому числі як з фінансової точки зору, так і з погляду навколишнього середовища. Хоча початкові витрати на встановлення когенераційної системи на базі газопоршневих установок можуть виявитися вищими, ніж хотілося б, однак, середньострокова та довгострокова економія, яку може запропонувати система, з лишком це компенсує. І не слід забувати про екологічні переваги, включаючи зменшення кількості відходів та викидів парникових газів, що є шляхом до стійкого майбутнього.

Рентабельність газопоршневих когенераційних установок

Когенераційні установки на базі газопоршневих установок мають чудові характеристики: дешева електро- і теплоенергія, близькість до споживача, відсутність необхідності в дорогих ЛЕП і підстанціях, екологічною безпекою, мобільністю, легкістю монтажу і багатьма іншими чинниками.

По-перше, спорудження подібних установок (одиничною електричною потужністю від 0,4 до 4,5 МВт, а в комбінації може досягати значно більших показників) не вимагає величезних капіталовкладень. В порівнянні з витратами на будівництво нових електростанцій, які обходяться в $3000 – $5000 на один кВт потужності, питома вартість 1 кВт потужності пропонованих газопоршневих когенераційних установок складає $500 – $1000.

По-друге, враховуючи відмінність в собівартості електроенергії та теплової енергії та тарифів монопольних постачальників енергоносіїв, що діють на енергоринку, використання газопоршневих когенераційних установок економічно ефективно, тобто когенераційні установки здатні приносити прибуток. Таким чином, газопоршневі когенераційні установки є економічно привабливими для промислового споживача. Витрати на проєктування, закупівлю, введення в експлуатацію та амортизацію подібних установок окупаються вже на 2 – 4 році (а в деяких випадках і на першому році) експлуатації при розрахунковому терміні служби устаткування 25-30 років (180-192 тисячі годин роботи).

Пропоновані нами установки мають міжремонтний ресурс 80 тис. годин до першого капремонту і низьку вартість експлуатаційних витрат: витрата газу – менш як 0,22 м3, витрата мастила – до 0,2 г на 1 кВт/годину.

Сфера застосування

Потенційними об’єктами для запровадження когенерації в якості резервного енергозабезпечення є житлово-комунальна сфера (водоканали, котельні, лікарні, школи, дитячі садочки, комунальні підприємства тощо), готелі, торговельні центри, промислові виробництва, заводи, підприємницька сфера (пекарні, хімчистки, і так далі), нафтопереробні заводи, адміністративні центри, ферми, власні потреби газоперекачуючих станцій, компресорних станцій і так далі.

Також, як зазначено вище, газопоршневі установки можуть виступати як балансир потужності у забезпеченні стабільності роботи електросистеми.

У ряді застосувань, утилізоване тепло газопоршневих когенераційних установок використовується в низькотемпературних виробничих процесах, таких, як сушка, дублення, обробка харчових продуктів, обігрів приміщень і нагрівання води в будівлях, охолоджування приміщень за допомогою холодильних абсорбційних холодильних машин тощо.