Малая энергетика

Оглавление

Введение 2

Малая энергетика (общая характеристика) 3

Энергетическая  безопасность и малая энергетика 4

Области применения малой энергетики 5

Зоны  децентрализованного энергоснабжения 6

Дизельные электростанции 7

Газодизельные и газопоршневые электростанции 8

Мини-ТЭЦ 9

Газотурбинные электроустановки 10

Малая энергетика в России. 10

Энергопотребление 10

Предпосылки развития 11

Объем рынка 12

Тарифы  и топливо 12

Заключение 13

Список  литературы 14

Введение

Представление об энергетике у многих связано с крупными теплоэлектростанциями (ТЭЦ), гидроэлектростанциями (ГЭС),атомными электростанциями (АЭС),станциями теплоснабжения(АСТ),тепловыми сетями большой протяжённости, высоковольтными линиями электропередач, мощными трансформаторными станциями и подстанциями, огромными градирнями и высокими дымовыми трубами больших диаметров и т. д. и т.п.

Кроме перечисленных ТЭЦ, ГЭС, АЭС, ГРЭС, АСТ и других мощных источников тепло- и электроэнергии, в большинстве своём относящихся  к системе Минэнерго, существует значительное число локальных систем тепло-электрогенерирования, которые сосредоточены по населённым пунктам и различным отраслям промышленности.

Это - районные отопительные и отопительно-производственные котельные, заводские ТЭС, ТЭЦ и котельные, промышленные печи, бытовые энергоустановки, предназначенные для обслуживания нескольких зданий и сооружений и  индивидуальных построек, коттеджей, частных  домов и т.д.

Все эти энергогенерирующие источники имеют признаки отдельной (единой) отрасли со своей   продукцией в виде тепло и электроэнергии и со своими потребностями в топливе, оборудовании, материалах, инвестициях и т.д. По сути это - своеобразный топливно-энергетический комплекс, который принято называть Малой энергетикой.

Этот термин пока не узаконен стандартом, но в кругах специалистов он нашёл  уже широкое признание. Более того, перечисленный выше круг объектов, который условно можно  отнести к понятию “традиционной” малой энергетики, существенно расширен за счёт так называемых нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. К таким объектам относятся установки  и сооружения, использующие солнечную  энергию, энергию ветра, геотермальную  энергию, энергию мирового океана, биомассы и др.

Малая энергетика позволяет  потребителю не зависеть от централизованного  энергоснабжения и его состояния, использовать оптимальные для данных условий источники производства энергии. Закономерно, что такие  технологии находят себе место и  в промышленно развитых, и в  развивающихся районах с различным  климатом.

Рис. 1. Классификация энергоустановок  малой энергетики

Малая энергетика (общая характеристика)

Общепринятого термина «малая энергетика» в настоящее время  нет. В электроэнергетике наиболее часто к малым электростанциям  принято относить электростанции мощностью  до 30 МВт с агрегатами единичной  мощностью до 10 МВт. Обычно такие  электростанции разделяют на три  подкласса:

1. микроэлектростанции мощностью до 100 кВт;
2. миниэлектростанции мощностью от 100 кВт до 1 МВт;
3. малые электростанции мощностью более 1 МВт.

Наряду с термином «малая энергетика» применяются понятия  «локальная энергетика», «распределенная  энергетика», «автономная энергетика»  и «распределенная генерация  энергии (РГЭ)». Последнее понятие  определяют как производство энергии  на уровне распределительной сети или  на стороне потребителя, включенного  в эту сеть. В дальнейшем в реферате будет использоваться термин «малая энергетика», как наиболее четкий и  позволяющий рассматривать различные  сферы применения.

Энергетическая безопасность и малая энергетика

В настоящее время значимость малой энергетики увеличивается  в связи с изменяющейся в стране социально-экономической обстановкой. Большую роль играет малая энергетика в обеспечении надежности электроснабжения и энергетической безопасности (ЭБ) потребителей электроэнергии, которая  является важной компонентой национальной безопасности страны и трактуется как  состояние защищенности граждан, общества, государства, экономики от обусловленных  внутренними и внешними факторами  угроз дефицита всех видов энергии  и энергетических ресурсов. По ситуативному признаку при анализе ЭБ выделяют три основных варианта, соответствующих  нормальным условиям функционирования, критическим ситуациям и чрезвычайным ситуациям.

ЭБ в условиях нормального  функционирования связывается с  необходимостью обеспечения в полном объеме обоснованных потребностей в  энергетических ресурсах. В экстремальных  условиях (то есть в критических  и чрезвычайных ситуациях) ЭБ требует  гарантированного обеспечения минимально необходимого объема потребностей в  энергии и энергоресурсах.

Непосредственно на ЭБ нашей страны сказываются острый дефицит инвестиционных ресурсов, недофинансирование капиталовложений в топливно-энергетический комплекс и многие другие угрозы экономического характера. В связи со значительной выработкой технического ресурса энергооборудованием всё большее влияние на ЭБ оказывают аварии, взрывы, пожары техногенного происхождения, а также стихийные бедствия.

События последних лет  показали существенную неустойчивость в обеспечении электроэнергией  и теплом потребителей различных  категорий от централизованных энергетических систем. Одна из причин этого – состояние  «отложенного кризиса» в энергетике, обусловленное быстрым старением  основного оборудования, отсутствием  необходимых инвестиций для обновления и строительства новых энергетических объектов и их ремонта, сложности  со снабжением топливом.

Другой причиной потери энергоснабжения  являются природные (прежде всего климатические) катаклизмы, приводящие в ряде случаев  к тяжелым последствиям для значительных территорий и населенных пунктов. Весьма уязвимыми являются централизованные системы энергоснабжения и с  военной точки зрения. Например, с помощью сравнительно недорогих  боевых блоков, разбрасывающих проводящие нити или графитовую пыль, НАТО удалось всего за двое суток вывести из строя до 70% электроэнергетических систем Югославии.

Кроме того, стратеги ядерных  держав в качестве одного из вариантов  начала войны рассматривают «ослепляющий удар»: взрыв над территорией  противника на большой высоте ядерного боеприпаса, в том числе и специального, с усиленным выходом электромагнитных излучений. Электромагнитный импульс (ЭМИ) высотного взрыва охватывает огромные территории (с радиусом в несколько тысяч километров) и может выводить из строя не только системы управления, связи, но и системы электроснабжения, прежде всего за счет наведения перенапряжений на воздушных и кабельных ЛЭП. Характерно, что одним из стандартов МЭК рекомендуется проверка устойчивости энергетических систем к воздействию ЭМИ высотного ядерного взрыва. Уязвимыми являются централизованные системы энергообеспечения и для террористических актов.

Опасность потери энергоснабжения  вследствие указанных выше причин весьма значительна. Устранить ее средствами централизованного энергоснабжения  по тем же причинам затруднительно. Однако задача повышения ЭБ ответственных  объектов может быть решена средствами малой энергетики.

Государство должно поощрять повышение энергетической безопасности объектов за счет строительства собственных  электростанций малой мощности, например, снижением налогов или их отменой  на определенное время с момента  ввода электростанции в строй (опыт такого поощрения есть за рубежом).

Области применения малой  энергетики

Несмотря на относительно скромную долю малой энергетики в  общем энергобалансе страны по сравнению  с большой энергетикой, которой  уделяется основное внимание нашей  науки и промышленности, значимость малой энергетики в жизни страны трудно переоценить.

Во-первых, обширной сферой применения средств малой энергетики является резервное (иногда его называют аварийным) электроснабжение потребителей, требующих повышенной надежности и не допускающих перерывов в подаче энергии при авариях в зонах централизованного электроснабжения. Во-вторых, малая энергетика может быть конкурентоспособна в тех зонах, где большая энергетика до сего времени рассматривалась как безальтернативная. Например, на промышленных предприятиях, когда постоянное повышение платы за подключение к централизованным сетям или за увеличение мощности подталкивает потребителей к строительству собственных источников энергии.

Зоны децентрализованного  энергоснабжения

В зонах децентрализованного  энергоснабжения роль малой энергетики в обеспечении ЭБ является определяющей. Рабочие (постояннодействующие) электростанции малой мощности обеспечивают постоянное электроснабжение объектов, размещенных  в регионах, где отсутствуют централизованные системы электроснабжения, или удаленных  от этих систем на такое расстояние, что строительство линий электропередачи  экономически менее эффективно, чем  создание рабочей электростанции. Рабочие  электростанции должны обеспечивать потребности  объектов в энергии в полном объеме в режиме нормального функционирования и в минимально гарантированном  объеме в критических и чрезвычайных ситуациях.

Для таких объектов все  аспекты обеспечения ЭБ (наличие  на рынке, цена, качество, способ транспортировки, создание запасов топлива; технико-экономические  характеристики, ресурс, состояние  энергетического оборудования, возможность  его замены и модернизации и т.п.) имеют значение не меньшее, чем для  объектов большой энергетики. Рабочие  электростанции являются, как правило, стационарными и прежде всего должны по возможности удовлетворять требованиям большого срока службы и малой удельной стоимости вырабатываемой электроэнергии. Однако рабочие электростанции малой энергетики по этим показателям, конечно, уступают крупным электростанциям централизованных систем электроснабжения.

Дизельные электростанции

Сегодня в малой электроэнергетике  преобладающими являются дизельные  электростанции (ДЭС). Широкое применение ДЭС определяется рядом их важных их преимуществ перед другими  типами электростанций:

1. высокий КПД (до 0,35–0,4) и, следовательно, малый удельный расход топлива (240–260 г/кВт·ч);
2. быстрота пуска (единицы-десятки секунд), полная автоматизация всех технологических процессов, возможность длительной работы без технического обслуживания (до 250 часов и более);
3. малый удельный расход воды (или воздуха) для охлаждения двигателей;
4. компактность, простота вспомогательных систем и технологического процесса, позволяющие обходиться минимальным количеством обслуживающего персонала;
5. малая потребность в строительных объемах (1,5–2 м3/кВт), быстрота строительства зданий станции и монтажа оборудования (степень заводской готовности 0,8–0,85);
6. возможность блочно-модульного исполнения электростанций, сводящая к минимуму строительные работы на месте применения.

Главными недостатками ДЭС  являются высокая стоимость топлива  и ограниченный по сравнению с  электростанциями централизованных систем срок службы (ресурс).

Промышленность предлагает широкий выбор ДЭУ во всем необходимом диапазоне мощностей и исполнений. Однако следует отметить, что российские установки существенно уступают лучшим зарубежным образцам этой техники прежде всего по массогабаритным показателям, характеристикам шумности и экологическим показателям. Кроме того, например, ДЭУ на базе дизельного двигателя фирмы «Waukesha» P9390G при номинальной мощности 800 кВт имеет удельный расход топлива 0,215 кг/кВт∙ч и ресурс до капитального ремонта 180000 ч.

Все ДЭС мощностного ряда от 315 до 2500 кВт имеют относительно высокие значения моторесурса (32000–100000 часов) и высокие показатели топливной  экономичности (значения коэффициента использования топлива 0,33–0,4). Стоимость  электроэнергии, вырабатываемой ДЭС, составляет 0,16–0,25 у.е. /кВт·ч, а стоимость 1 кВт установленной мощности – порядка 165–200 у. е. В стоимости электроэнергии доля топливной составляющей (для работы на дизельном топливе) доходит до 80–85%. Дизельные электротепловые станции

Большое распространение  получают рабочие дизельные электротепловые  станции (ДЭТС), обеспечивающие комбинированную  выработку электрической и тепловой энергии за счет комплексной утилизации тепловых потерь. На таких электротепловых  станциях в выхлопной тракт дизеля включаются пассивные или активные котлы-утилизаторы, в которых тепло  горячих газов передается воде системы  теплоснабжения объекта. В тепловую схему ДЭТС могут включаться также  тепловые насосы для повышения температурного уровня охлаждающей дизель воды до уровня, на котором возможно ее использование  в системе теплоснабжения. Проведенные  исследования показали, что применение ДЭТС особенно эффективно для небольших  объектов с потребляемой электрической  мощностью до нескольких тысяч киловатт и относительно ограниченным теплопотреблением  при соотношении между тепловой и электрической нагрузкой от 1,0 до 4,0. Коэффициент использования  топлива при раздельном получении  электроэнергии от ДЭС и тепла  от котельной на таких объектах находится  в пределах 0,45–0,65. Применение ДЭТС увеличивает этот коэффициент до 0,8–0,85.

Газодизельные и газопоршневые электростанции

В последнее время всё  большее внимание во всем мире, уделяется  газодизельным (ГДЭС) и газопоршневым (ГПЭС) электростанциям, использующим в качестве топлива природный газ. При современных отпускных ценах на дизельное топливо и природный газ топливная составляющая стоимости электроэнергии для газодизельных электростанций в несколько раз меньше, чем у обычных ДЭС. Наряду с высокой экономичностью ГДЭС и ГПЭС обладают хорошими экологическими характеристиками, поскольку состав выхлопных газов у них отвечает самым строгим мировым экологическим стандартам. При использовании газа значительно увеличивается и ресурс собственно дизельного агрегата.

Применение ГДЭС и ГПЭС целесообразно в зонах, имеющих  систему газоснабжения. В этих условиях по стоимости электроэнергии они  могут конкурировать с системами  централизованного электроснабжения, использующими мощные традиционные электростанции, а по срокам окупаемости  капиталовложений существенно опережать  их. В зонах без систем газоснабжения  возможно применение ГДЭС и ГПЭС, использующих привозной сжиженный природный  газ. Однако экономическая сторона  этого варианта их применения требует  дополнительного анализа.

В основном налаживается серийное производство электростанций мощностного  ряда от 100 до 2500 кВт на базе ПДВС, работающих по газовому и газодизельному циклам. При этом все электростанции, за исключением 100 и 200 кВт, имеют относительно высокие показатели по ресурсу и топливной экономичности. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой такими станциями, снижается за счет топливной составляющей до 0,016–0,03 у. е./кВ т•ч, а стоимость установленной мощности повышается примерно в 1,5 раза по сравнению с ДЭС.

Мини-ТЭЦ

Эффективность мини-ТЭЦ достаточно высока. Так, для мини-ТЭЦ с электрической  мощностью 100 кВт и тепловой мощностью 120 кВт себестоимость электрической  энергии составляет 6 руб./кВт·ч, а  полной энергии (электрической и  тепловой)– 0,08 у. е./кВт·ч. Срок окупаемости  мини-ТЭЦ составляет 2,2 года. Для  сравнения: мини-ТЭЦ на базе газопоршневого двигателя фирмы «Deutz» TCG2016V12 при номинальной электрической мощности 580 кВт и тепловой 556 кВт имеет удельный расход газа с теплотворностью 33520 кДж/нм3 – 0,26 нм3/кВт•ч, коэффициент использования топлива 0,8 и ресурс до капитального ремонта 64000 ч.

В среднем стоимость энергии  для мини-ТЭЦ, работающих на дизельном  топливе, составляет 0,1–0,11 у. е./кВт·ч, а на газовом топливе – 0,013–0,02 у. е. /кВт·ч. Стоимость установленной  мощности для таких станций порядка 500–660 у. е./кВт.

Газотурбинные электроустановки

Пока еще относительно скромное применение в малой энергетике находят газотурбинные электроустановки (ГТУ), которые обладают исключительно  высокими массогабаритными показателями даже по сравнению с ДЭУ кратковременного использования. Их удельная массовая мощность составляет 0,11–0,14 кВт/кг, в то время как для ДЭУ этот показатель лежит в пределах 0,03–0,05 кВт/кг. Однако эти установки имеют по сравнению с ДЭУ меньший КПД (порядка 0,25–0,29), увеличенный расход топлива, требуют большого количества воздуха для охлаждения, обладают высокой шумностью. Поэтому ГТУ используются главным образом на передвижных резервных и автономных электростанциях.

Малая энергетика в России.

Энергопотребление 
    

В России экономический подъем последних лет обусловил рост потребления электрической энергии. В 2004 г. выработка электроэнергии отечественными производителями по сравнению с  предыдущим годом увеличилась на 1,6%, превысив 1000 млрд кВт.ч. Одновременно производство тепловой энергии сократилось на 1,3% - до 1402 млн Гкал, что объясняется мягкими погодными условиями (табл. 1).

 
      На долю холдинга РАО "ЕЭС России" в 2004 г. приходилось 70% предложения электроэнергии, на долю Росэнергоатома - 15,4%. Суммарный удельный вес независимых производителей был примерно равен выработке АЭС (табл. 2). 
    

 Согласно энергетической стратегии5 к 2020 г. энергопотребление в нашей стране вырастет на 22-36%. В то же время на производство единицы ВВП мы тратим в пять-шесть раз больше электроэнергии, чем европейские страны, и в 12-16 раз больше, чем Япония6. Следовательно, потенциал энергосбережения составляет 360-400 млн т у. т. - 40% текущего потребления. Если российские предприятия и граждане смогут в полной мере реализовать потенциал современных энергосберегающих технологий, к 2020 г. энергопотребление, вероятнее всего, останется примерно на том же уровне.

Предпосылки развития 
    

На сегодняшний день электроэнергетика  России представляет собой 205 млн кВт установленной мощности, из которых в режиме максимальной нагрузки работают станции на 140 млн кВт7. Если в 1940-1950-е гг. строилось 5-8 млн кВт установленных мощностей в год, а в 1970-1980-е гг. - по 7-10 млн кВт, то за 1990-2004 гг. темп обновления в среднем составил 1,22 млн кВт8. К 2010 г. 55,5% (115 млн кВт) установленных мощностей полностью выработают свой ресурс.  
     

На сегодняшний день износ  основного оборудования по разным оценкам  составляет:

1. генерирующих станций - 50-80%;
2. магистральных сетей - 70% и увеличивается на 2% в год;
3. реальный срок службы теплотрасс в среднем 50-55 лет при норме 35-40 лет. 
       

По статистике РАО "ЕЭС  России", потери при передаче электроэнергии равны 12% от объема производства (табл. 3), а потери при передаче тепла  по существующим теплотрассам достигают 70%. 
     

Таким образом, избегая передачи электроэнергии на дальние расстояния (а тепло может производиться  только рядом с потребителем), можно  не только сократить потери, но и  снизить риск зависимости от магистральных  сетей. Поэтому малая энергетика характеризуется не столько уровнем  мощности и степенью износа оборудования, сколько близостью к потребителям. Основная функция малых ТЭЦ - производство тепла, электроэнергия лишь побочный продукт. 
     

У малой энергетики большое  будущее. Произошла техническая  революция: малые и большие газовые  турбины сегодня могут работать с одинаковым КПД. По статистике потери большой генерации при передаче и трансформации энергии составляют до 10% на 1000 км, тогда как при передаче газа - 1%. Следовательно, когенерирующие (производящие одновременно и электричество, и горячую воду) газовые установки эффективнее строить в непосредственной близости от потребителей: в таком случае КПД использования газа будет на 30-40% выше. Но это сложный и дорогой рынок, требующий серьезных инвестиций в инжиниринг. 

Объем рынка 
     

Несмотря на относительно скромную долю малой энергетики в  энергобалансе страны, ее значение огромно. Как видно из табл. 3, в 2004 г. 4,8% электроэнергии произведено на малых станциях, еще 11,5% - на собственных  станциях крупных потребителей и  около 61% - на больших ТЭС. По разным оценкам, от 50 до 70% территории России не охвачено централизованным электроснабжением  и до 80% - централизованным теплоснабжением. По данным Российской академии наук, суммарная  мощность малых электростанций на сегодняшний  день равна 17 ГВт. Около 26% от общего производства тепла в РФ вырабатывается в малых  котельных и на индивидуальных отопительных установках, моральный и физический износ которых составляет порядка 80%.  
     

Если начать сейчас строить  малые ТЭЦ на замещение выбывающих генерирующих ресурсов, то к 2010 г. размер рынка малой энергетики может  достичь 115-130 млн кВт установленной мощности. На модернизацию существующей инфраструктуры потребуется от 120 до 600 млрд долл. (при цене 600 долл. за установленный кВт), т. е. в среднем 8 млрд ежегодно.

Тарифы и топливо 
    

 По данным Российского союза  нефтегазостроителей9, в России сосредоточено около 30% доказанных и 40% потенциальных мировых запасов газа. Доля газа в структуре энерготарифа Российской Федерации на сегодняшний день достигла 63% от общей суммы расходов на органическое топливо и продолжает увеличиваться в среднем на 2,3% в год. Несмотря на большие запасы, доступность "голубого топлива" и цены на него остаются непростым вопросом. 
     

При значительных объемах  энергопотребления и определенных сложностях выхода на оптовый рынок  предприятия задумываются о развитии малых энергетических станций, которые  могут полностью обеспечить их потребности. 

Заключение

Для активного внедрения  Малой энергетики требуются большие  средства, которыми белорусское государство  в настоящее время не располагает.

С учётом ограниченности финансовых средств программа развития Малой энергетики должна быть полной, но многоэтапной с выделением первоочередных задач, жёсткой системой ответственности и контроля за их выполнением, а также стимулирования и санкций.

Для реализации этой программы  целесообразно определить или специально создать правительственный орган (на уровне министерства или государственного комитета), осуществляющий техническую, организационную и финансовую политику в этой отрасли, которая ранее  в условиях монопольного развития большой  энергетики и централизации энергоснабжения  почти не развивалась.

Что касается экономической  стороны, то практически всегда, как  это показывает практика, вложенные в энергетику средства быстро окупаются.

Список литературы

1.  Романов А., Украина: эффективность Малой энергетики. - Учеб. Пособие К.1996

2. Новости электротехники №5 (2006) - Информационно-справочный журнал.

3. Максимова И., Белорусский опыт развития малой и нетрадиционной энергетики.- статья на http://electromost.by/