МАЛАЯ ЭНЕРГЕТИКА РОССИИ
КЛАССИФИКАЦИЯ, ЗАДАЧИ, ПРИМЕНЕНИЕ

Алексей Михайлов, д.т.н., профессор
Александр Агафонов, д.т.н., профессор
Виктор Сайданов, к.т.н., доцент
Военный инженерно-технический университет, г. Санкт-Петербург

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.
До настоящего времени публикации, посвященные малой энергетике, появлялись в нашем журнале эпизодически. Теперь редакция планирует сделать эту тему одной из ключевых и регулярно представлять ее, в том числе и в рамках специальной рубрики. Сегодня о задачах российской малой энергетики, ее роли в обеспечении энергетической безопасности страны, возможностях в повышении надежности энергообеспечения – в материале специалистов Военного инженерно-технического университета.

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:

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

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 страны, 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. Насколько известно, в России работа в этом направлении практически не ведется.
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).

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, по разным оценкам, от 60 до 70% территории России не охвачены централизованным электроснабжением. На этой огромной территории проживает более 20 млн человек и жизнедеятельность людей обеспечивается главным образом средствами малой энергетики.
Во-вторых, 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. В-третьих, 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.
На рис. 1 представлена классификация различных по характеристикам энергетических установок (ЭУ) малой энергетики, которые в настоящее время широко распространены на энергетическом рынке России.
Рассмотрим возможности и перспективы использования ЭУ различного вида в указанных выше основных сферах их применения, а также современное состояние малой энергетики, её характерные проблемы и возможности в обеспечении надежности электроснабжения и ЭБ.

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. Более того, поскольку зоны децентрализованного энергоснабжения охватывают главным образом северную и северо-восточную часть территории нашей страны с суровым климатом, тяжелыми и дорогими условиями доставки грузов, удаленностью от центров снабжения, а маневрирование ресурсами и мощностью на малых объектах затруднительно, проблемы ЭБ для таких объектов становятся особенно острыми.
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.

Сегодня в малой электроэнергетике преобладающими являются дизельные электростанции (ДЭС). Из 49 тысяч малых электростанций России примерно 47 тысяч являются именно дизельными. Такое широкое применение ДЭС определяется рядом их важных их преимуществ перед другими типами электростанций:

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

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 в Военном инженерно-техническом университете 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.

В последнее время всё большее внимание как во всем мире, так и в нашей стране 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.
К сожалению, ГДЭС и ГПЭС еще не нашли в нашей стране широкого применения, хотя за рубежом они используются уже достаточно широко. Характеристики выпускаемых в нашей стране ЭУ с поршневыми двигателями, работающими на газе, приведены в табл. 2, а комбинированных ЭУ с системами комплексной утилизации тепла (назовем их мини-ТЭЦ) – в табл. 3.
Анализ данных табл. 2 свидетельствует о том, что в настоящее время в России налажено 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 0,5–1 руб./кВ т•ч, а стоимость установленной мощности повышается примерно в 1,5 раза по сравнению с ДЭС.

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) – 2,5 руб./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 3–3,5 руб./кВт·ч, а на газовом топливе – 0,4–0,6 руб./кВт·ч. Стоимость установленной мощности для таких станций порядка 15–20 тыс. руб./кВт.

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.
К сожалению, отечественные ГТУ обладают в настоящее время существенно худшими показателями по сравнению с зарубежными. Характеристики некоторых видов ГТУ, выпускаемых в нашей стране, приведены в табл. 4, а ГТУ с комплексной утилизацией тепла – в табл. 5.

В своей следующей статье, которая будет опубликована в №6(36) нашего журнала, авторы рассмотрят роль малой энергетики (электростанций резервного и аварийного питания) в повышении надежности электроснабжения в зонах централизованного энергоснабжения.