Климчук Андрій

Зараз все частіше для енергозабезпечення сіл, селищ, малих міст, районів у містах, промислових підприємств впроваджуються технології когенерації на основі міні-ТЕЦ. Однією з таких технологій є будівництво газотурбінних установок з утилізацією теплової енергії (ГТУ).

ГТУ складається з двох основних частин: силової турбіни і генератора, які розміщуються в одному корпусі. ГТУ працює на газі, але в резервному або аварійному режимі може використовуватися дизельне паливо. Діапазон електричного навантаження, яку може покривати ГТУ: від 2 МВт. до 100 МВт. (хоча є деякі ГТУ з потужністю понад 100 МВт.).

ККД вироблення електричної енергії ГТУ досить низький, але це компенсується величиною вироблення теплової енергії. ГТУ здатна віддавати споживачу значну кількість теплової енергії – з коефіцієнтом ~ 1:2 по відношенню до електричної потужності. У деяких досить потужних ГТУ температура відхідних газів після турбіни досить висока для того, щоб отримувати пар і / або гарячу воду у великих кількостях.

При реконструкції енергооб’єктів або новому будівництві можна виділити кілька компонувальних рішень впровадження ГТУ:

1. Будівництво ГТУ-ТЕЦ на окремому майданчику, нове будівництво.
2. Встановлення ГТУ в діючій котельні, у вигляді надбудови.
3. Розміщення ГТУ з паровими котлами-утилізаторами на діючій ТЕЦ замість існуючих парових котлів зі збереженням паротурбінної частини ТЕЦ.

Розглянемо конкретні випадки.

Досвід впровадження ГТУ-ТЕЦ на окремому майданчику при новому будівництві

У 2000 р. в Башкортостані (Російська Федерація) була побудована і введена в експлуатацію ГТУ-ТЕЦ. Електрична потужність станції – 4 МВт., теплова – 8,8 МВт., коефіцієнт використання тепла палива – не менше 75,4%. Станція побудована за півтора року,  основним її призначенням є теплопостачання районного центру, а також підвищення надійності електропостачання як райцентру, так і прилеглих населених пунктів.

ГТУ-ТЕЦ забезпечує опалювальне навантаження районного центру, котлоагрегати в котельні знаходяться в резерві на випадок зупинки ГТУ-ТЕЦ, працює лише насосна станція котельні. Застосування установки дозволило знизити втрати в електричних мережах на 8-9%, що в значній мірі компенсувало відносно невисокий електричний ККД ГТУ-ТЕЦ (23,3%).

Кількість персоналу, безпосередньо зайнятого обслуговуванням ГТУ-ТЕЦ, становить 13 осіб.

Надбудова водогрійних або парових котелень ГТУ

Спільна робота ГТУ з водогрійними і паровими котлами в котельнях дозволяє забезпечити надійне електропостачання власних потреб, що в свою чергу підвищує надійність теплопостачання споживачів, а також  знизити питомі витрати палива на одиницю одержуваної теплової та електричної енергії.

При широкомасштабній реконструкції котелень з розміщенням в них газотурбінних установок (ГТУ) їх встановлена ​​ сумарна електрична потужність в котельнях з  тепловою потужністю понад 50 Гкал./год. в умовах помірно-континетального клімату може досягти 10-15 млн кВт.

Якщо порівнювати вартість електроенергії, що виробляється на ГТУ (без урахування утилізаційного теплового контуру), то вона на 30% і більше перевищує вартість електроенергії, одержуваної з централізованого джерела. Газові турбіни мають невеликий ККД (0,22-0,37 %), тому вони повинні використовуватися тільки з утилізаційними контурами.

Окупність модернізації котельні залежить від кількості електроенергії, що відпускається, від тарифів на електроенергію, капітальних витрат, витрат на експлуатацію і від кількості годин  роботи при великих теплових навантаженнях. Найбільша ефективність використання ГТУ забезпечується при тривалій роботі з максимальним електричним навантаженням.

Основні проблеми, які можуть виникнути при надбудові котелень ГТУ

– необхідність спорудження сховищ резервного для ГТУ дизельного палива, тому що в котельнях резервним паливом є мазут;

– необхідність спорудження газокомпресорних дотискувальних станцій (ГТУ  потребує газ з тиском 2,5 МПа), будівництво яких близько зони житлової забудови заборонено;

– велика витрата вихлопних газів ГТУ (вона  обумовлена високим коефіцієнтом надлишку повітря в ГТУ) вимагає нової димової труби;

– високий рівень шуму;

– збільшується споживання газу, виникає необхідність отримання нових лімітів на газ;

– питомий вихід оксидів азоту на 1 кг спаленого палива в 3 рази більше у ГТУ, ніж в котельнях.

Основні плюси при надбудові котелень ГТУ, в порівнянні з незалежним будівництвом ГТУ:

– наявність майданчика (інфраструктури);

– оформленість джерела шкідливих викидів;

– наявність системи централізованого теплопостачання з конфігурацією мереж від існуючих котелень;

– можливість використання частини котлів котельні в якості пікових для ТЕЦ;

– близькість споживачів електричної енергії;

– менші початкові витрати і термін окупності.

Синхронна робота з енергосистемою. Надійність роботи міні-ТЕЦ

Існують проблеми підключення мікро- і міні-ТЕЦ (не тільки ГТУ) до відповідних комунікацій – систем централізованого електро-, тепло- і газопостачання. В першу чергу підключення є «дорогим задоволенням». Виникають також проблеми з продажем електричної енергії до електромережі, в якості варіанту вирішення проблем можливе створення локальних енергосистем з декількох ТЕЦ з резервуванням потужності і виходом на загальнодержавні мережі не кожного енергоджерела, а цвиключно місцевої енергосистеми. Витрати на здійснення таких проектів відносно невисокі при достатньому рівні надійності.

Необхідність резервування незалежних джерел енергопостачання погіршує їх економічні показники, при паралельній роботі з системою необхідна дорога і складна система синхронізації генератора з мережею.

Що стосується промисловості, то ТЕЦ може і не підключатися до мережі, забезпечуючи лише технологічні потреби виробничого процесу. Однак житловий сектор, у якого добовий графік споживання відрізняється істотною нерівномірністю, потребує резервування, тому що при автономній роботі можна не втримати частоту (різкі спад і падіння навантаження, вихід навантаження за можливі межі регулювання і т.д.). Системи автоматики дуже дорогі.

Найбільш істотним фактором, що визначає стійкість газотурбінних генераторів є значно менший момент інерції газової турбіни в порівнянні з паровою.

Висновки

Переваг застосування ГТУ в будь-якому селищі, місті, районі визначається конкретними умовами: споживана теплова та електрична потужність, існуючі джерела та комунікації, щільність забудови, поверховість та інші фактори.

Впровадження тих чи інших технологічних рішень повинно визначатися конкуренцією різних проектів. Конкурувати повинні проекти на основі різних технологій і технологічних рішень: ГТУ, газопоршневі установки, ТЕЦ, котельні, теплові насоси та багато іншизх.

Як показує практика, в деяких випадках нема потреби фінансування нових високотехнологічних енергогенеруючих станцій,  достатнім заходом буває реконструкція або модернізація вже існуючих станцій із застосуванням новітніх технологій. Чим більше розглядається варіантів і краще прораховується перспектива, тим більша ймовірність, що буде прийнятий оптимальний варіант.

В останні роки проблема відсутності пікових потужностей (електричних і теплових) в муніципальних поселеннях постає досить гостро. Застаріле і зношене обладнання генеруючих станцій, передавальні мережі, а також зростання енергоспоживання в великих містах з кожним роком тільки ускладнює проблему. Однією з можливостей вирішення проблеми покриття пікових потужностей може бути будівництво ГТУ. Час запуску в установок досить короткий, тим самим можна досить швидко реагувати на зростання пікових потужностей. При надбудові котельні за допомогою ГТУ з’являється можливість отримувати додаткову електричну енергію в межах міста, тим самим розвантажуючи інші електростанції.

Основна проблема ГТУ – надзвичайно низький електричний ККД, особливо при малих потужностях. Слід враховувати і той факт, що в більшості ГТУ при зменшенні навантаження до 50%, електричний ККД газової турбіни значно знижується, також відбувається підвищений знос устаткування. Тому при плануванні впровадження ГТУ повинен враховуватися графік її 100% завантаження.

Використання ГТУ економічно виправдано при підборі установки під покриття теплового навантаження на гаряче водопостачання. Цим самим забезпечується 100% навантаження ГТУ, а котельні, що працюють в опалювальний сезон, в літній час відключаються.

Незважаючи на складнощі, які виникають при будівництві і експлуатації ГТУ, установки такого типу можуть вирішити проблемні завдання по надійному тепло- і електропостачання промислових споживачів або житлових районів. У муніципальних поселеннях при виділенні фінансових коштів на реконструкцію або модернізацію систем енергопостачання варто більш детально розглядати проекти впровадження ГТУ.

Одне звалище сміття здатне виробити таку кількість газу, якої вистачить, щоб забезпечити електрикою приблизно 200 тисяч будинків. Сміття можна використовувати в якості нового невичерпного ресурсу енергії. Однак такий сміттєвий газ має певні особливості, тому «енергетичні королі» не поспішають займатися його видобутком.

Переробка сміття для отримання енергії

Переробляти сміття в енергію почали порівняно недавно. Вперше подібний експеримент був проведений в Каліфорнії в кінці 30-х років XX століття з використанням сміттєзвалищ і особливих технічних пристроїв. Вивчення і застосування сміттєвого газу в США прискорилося завдяки внесенню до законодавства в 1965 році статей про утилізацію твердих відходів. А з 1980 року влада почала давати пільги тим, хто займається переробкою сміття в газ. На 1985 рік в США діяло близько 30 станцій, що займалися виготовленням сміттєвого газу.

Хараз США займає лідируючу позицію в сфері переробки сміття в газ  і має 427 функціонуючих об’єктів з  його виробництва. Велика їх частина знаходиться в Каліфорнії, оскільки саме вона стоїть на першому місці з переробки сміття в газ – 36 мільйонів тонн на рік.

Спосіб переробки сміття в газ

Переробка сміття на звалищах відбувається за рахунок безкисневого розкладання відходів, під час якого виділяється біогаз. Під час гниття сміттєзвалищ беруть участь два види  бактерій – ацідогени і матаногени. Перші сприяють первинному розкладанню сміттєвих відходів на летючі жирні кислоти, саме за рахунок них виходить значний обсяг метану. Другі займаються перетворенням летючих жирних кислот в природний газ і діоксид вуглецю.

Облаштування полігону

Переробка сміття повинна відбуватися на спеціально облаштованих майданчиках. Їх облаштування має бути виконано так, щоб збирати газ для майбутнього його застосування, а також, щоб відповідати всім екологічним вимогам, виключаючи можливості забруднення землі і ґрунтових вод.

На дно глибокої ями стелиться особлива геомембрана, яка покривається метровим шаром глини. Все це сприяє захисту від можливості потрапляння продуктів горіння в шари землі і ґрунтові води.

Щодня сміття укладається в цей котлован рівнями, які трамбуються за допомогою великовагових ковзанок, після чого знову все покривається глиною висотою до 30 см. Подібні дії сприяють не поширенню запахів і не дозволяють сміттєвим залишкам розлітатися.

Коли об’єм котловану максимально заповнений сміттєвими відходами, його закривають покрівлею з ущільненої глини і особливим захисним покриттям, що складається з землі і рослинного покриву.

Майданчик переробки має всі технічні пристрої, які відводять продукти розкладання сміттєвих відходів, як в рідкому вигляді, так і у вигляді газу. Усередині нього є система свердловин, труб і насосів. Природний газ збирається і відправляється в спеціальний газоочисний пристрій. Одержуваний газ очищується за допомогою води, таким способом з нього видаляються  всі частинки пилу і аерозолів. Після цього газ відправляється на компресор, він вже готовий до застосування. Такий сміттєвий газ є джерелом тепла і пари,  його також застосовують як паливо для машин. Плюс до всього газ, одержуваний в ході переробки сміття, застосовують і як паливо для отримання електроенергії. У цих випадках застосовують газотурбінні і газопоршневі  електростанції.

Негативний вплив сміттєвого газу

Сміттєвий газ, незважаючи нанизку  своїх переваг і величезні можливості застосування иає значні мінуси. Головними з яких є наявність великої дози отруйних і небезпечних виділень.

Переробка сміття в біогаз яскраво демонструє згубний ефект для всіх рослин, які розташовані поруч з майданчиком переробки. Якщо полігон не забезпечили доброю системою збору газу, то незабаром він провалиться через викид парів. До того ж сміттєвий газ – це парниковий газ.

Внаслідок наявності п низки таких  недоліків у сміттєвого газу сьогодні дуже активно обговорюються шляхи вирішення проблем, пов’язаних з видобутком і мінімальним впливом газу на природу і людей.

Видобуток  сміттєвого газу потребує величезного комплексу дій, які вимагають капітальних фінансових вкладень.

Обсяг виробництва біогазу в світі

Наразі сміттєвий газ ще не вважається заміною інших видів горючих речовин, але при цьому частка його  використання в світі досить велика – близько 1,2 мільярдів кубічних метрів на рік. Як показують прогнози, за рахунок незліченних сміттєвих покладів і активного розвитку сучасних способів добування і очищення з сміттєвого  газу можна сміливо прогнозувати про те, що потреби в його застосуванні в майбутньому значно збільшаться.

Впровадження концепції розумних міст для забезпечення сталого розвитку базується на інтелектуалізації їх підсистем (енергетика, транспорт, будівлі, водопостачання, держпослуги). Для її реалізації пропонується чотирьохетапну модель:

1) визначення базової лінії,

2) розробка стратегії розвитку,

3) планування,

4) впровадження і оцінка ефективності.
Сучасні міста повинні бути інтелектуальними, тобто ефективними (в тому числі в частині обміну інформацією, технологічної стресостійкості, високого рівня контролю всіх систем), зі стійким розвитком (із забезпеченням зниження енергоспоживання  і викидів CO2, ефективним управлінням витратами, зниженням потреби в великих інвестиціях в інфраструктуру ) і комфортними для життя (шляхом забезпечення зростання якості життя городян, залучення талантів, зростання конкурентоспроможності).
Для формування підходів до інтелектуалізації міста пропонується його розгляд у вигляді системи систем зі специфічними для різних систем інфраструктурними проблемами, які вимагають рішення.

Таким чином, завдання інтелектуалізації міста зводиться до завдання інтелектуалізації його різних систем.
При цьому вже в існуючій світовій та вітчизняній практиці існують апробовані рішення, здатні здійснити інтелектуалізацію систем міста:
– В енергетиці: інтелектуальні енергетичні системи з активно-адаптивною мережею (Smart Grid).
– У транспорті: електромобілі з відповідною інфраструктурою, автоматизовані системи управління транспортними потоками, інтегровані системи управління пересадками, транзитами, інформування пасажирів.
– У водопостачанні та водовідведенні: управління водопостачанням на базі он-лайн гідравлічних моделей, автоматизоване виявлення витоків, інтеграція систем розподілу, безпеки і контролю, управління зливовими потоками і системи попередження повеней.
– У ЖКГ: технології зелених будівель, системи енергомоніторингу.
– У  сфері держпослуг: системи відеоспостереження та оповіщення для забезпечення безпеки, цифрові технології: електронний уряд, освіта, охорона здоров’я, туризм, системи автоматизованого управління вуличним освітленням.
Застосування перерахованих та інших існуючих рішень, розробка інших інноваційних рішень для міст дозволяють вирішувати специфічні проблеми в різних системах.
Для забезпечення інноваційного сталого розвитку міста необхіднн залучення в роботу і забезпечення взаємодії всіх зацікавлених сторін: ​​уряду, приватних інвесторів, архітекторів і девелоперів, промислових постачальників, постачальних організацій, професійних асоціацій та громадських організацій безпосередньо з жителями і місцевими громадами.
Для створення базису релізації пропонованої концепції необхідні:
– Аналіз і забезпечення розуміння факторів, які роблять місто унікальним: історія; інфраструктура, що склалася; «больові» точки; бачення; виклики; оцінка ефективності; бенчмаркінг; визначення можливостей.
– Фокус на найважливіших питаннях, де вже існують готові і доступні рішення.
– Оцінка вкладу кожного проекту в загальну ефективність і стійкість міста в майбутньому, вплив на фінансово-економічні, соціальні та екологічні показники.
– Розстановка пріоритетів для ключових проектів, побудова адекватної реаліям фінансової та операційної моделі; впровадження, вплив на проекти, а також їх ув’язка в часі.

Надалі, для проектування та впровадження концепції розумного міста для інноваційного сталого розвитку пропонується чотирьохетапну модель:
1. Визначення базової лінії: формування профілю території, оцінка існуючої інфраструктури, визначення індикаторів розвитку, аналіз доступних активів, існуючих викликів та історій успіху.
2. Розробка стратегії впровадження концепції розумного міста (залучення зацікавлених сторін (стейкхолдерів), визначення напрямків заходів і планів, оцінка ризиків, формування фінансової стратегії, визначення ключових показників ефективності  і цілей).
3. Детальне планування: бюджетування, прогноз ефективності, визначення можливостей автоматизації та впровадження інформаційних систем.
4. Впровадження та оцінка ефективності: спільне (з усіма зацікавленими сторонами) впровадження, моніторинг ефективності, оцінка та переоцінка (відстеження, аналіз трендів, інвестиційних параметрів), забезпечення розгортання (експансії).
Необхідно також відзначити, що з ростом інтелектуалізації систем управління містом відбувається  зміщення фокусу з потреби в обладнанні на потребу в програмному забезпеченні і сервісах, а також підвищуються вимоги до рішень на базі сучасних програмно-технічних розробок і сервісів.
У найбільш розвинених містах з збудованими інтелектуальними системами для досягнення кращих результатів, широкого поширення інформації, бізнес-аналітики, підтримки прийняття рішень, управління інцидентами рекомендується створення інтегрованих платформ управління містами.

Канадський стартап Hydrostop розробив оригінальну технологію зберігання енергії за допомогою повітряних куль, поміщених під воду. У загальних рисах суть нововедення полягає в наступному. Енергія конвертується в стиснене повітря, яке під високим тиском закачується в високоміцні балони, розташовані під поверхнею води. У години найбільш інтенсивного енергоспоживання потрібно лише повернути вентиль: потік повітря під тиском води спрямується назад і за допомогою спеціального конвертера заповнить лакуну в електриці. Використовувати енергосховище  можна в поєднанні з будь-яким типом генерації, але особливо актуально цей винахід для нестабільної вітрової та сонячної енергії.
Компанія використовує технології горизонтального буріння, практично всю систему монтуючи з берегової лінії, тому для установки енергокуль такого типу  потрібен лише один невеликий буксир. Зараз технологію на озері Онтаріо займається найбільша канадська енергокомпанія Toronto Hydro. Якщо  випробування будуть успішними, тоді Hydrostoр отримає великий прибутковий контракт. За словами директора стартапа Hydrostoр Кертіса Ван Валлегема, його компанія сама практично нічого не виробляє, а лише працює над монтажем обладнання від інших виробників. Наприклад, ті ж повітряні балони використовуються для рятувальних операцій на морі.
Проект на озері Онтаріо має потужність в 1 МВт, але компанія здатна зробити інабагато  більш потужні установки – на 10,50 і навіть 100 МВт. При цьому ціна буде залежати більшою мірою від природних умов, ніж від вартості обладнання. Як зазначає Ван Валлегем, зараз фахівці Hydrostoр займаються вивченням акваторії поблизу великих прибережних міст, щоб виявити ідеальні для свого проекту місця.

У технологічному центрі Deutsche Bank створили робочий простір, яке надає мінімальний вплив на навколишнє середовище.
У бізнес-центрі «Нордстар» на Третьому транспортному кільці діє один з найбільш «зелених» офісів в Москві. Приміщення площею 7 тис. кв. м на трьох верхніх поверхах висотки на Біговій вулиці займає технологічний центр Deutsche Bank – німецької фінансової організації з підрозділами по всій Європі. В минулому році цей офіс став призером рейтингу «Зелені офіси Росії».
Офіс Deutsche Bank зміготримати  золотий сертифіката LEED завдяки тому, що 20% оздоблювальних матеріалів, використаних під час ремонту,виготовлені в радіусі 500 км від Москви.
«За це LEED дає додаткові бали», – пояснив Дмитро Агішев, керівник управління громадських зв’язків Deutsche Bank в Росії.
Система енергозбереження дозволила скоротити споживання електрики на 20%, йдеться в матеріалах Deutsche Bank.
«На даху будівлі встановлені спеціальні датчики, що обчислюють кількість природного світла. Залежно від цього показника система визначає інтенсивність штучного світла, необхідного для подачі в приміщення», – розповів Агішев. – «В результаті світло, яке дають лампи, розміщені ближче до вікон, більш тьмяне, ніж світло від ламп, що знаходяться далі від вікна».
Додатковою функцією датчиків є визначення кута освітлення сонця. Залежно від цього автоматика опускає жалюзі на вікнах на необхідну величину. Якщо подивитися на план приміщення, то можна побачити, що open space організований за принципом кола, де всі робочі місця йдуть від периферії до центру. За рахунок цього досягається найбільше проникнення сонячного світла на робочі місця.
За відсутності природного світла столи висвітлюються лампами, які реагують на рух.
Додаткові бали в оцінці LEED Deutsche Bank набрав завдяки використанню перероблених матеріалів в інтер’єрі: з них тут виготовлено 20%  меблів. Важливим виявилося навіть розташування оргтехніки: все офісне обладнання, включаючи сканери, копіювальні установки, принтери і факси, знаходиться в окремих приміщеннях, ізольованих від співробітників.
Нарешті екологічна складова московського офісу проявляється в контролі якості повітря. Всі приміщення Deutsche Bank в «Нордстар» обладнані сенсором вуглекислого газу: якщо на робочій нараді рівень CO2 перевищить норму, учасники зустрічі почують особливий сигнал, який попередить їх про необхідність терміново провітрити приміщення.