Основные направления развития распределенной энергетики

Трибуна энергоэффективности / РЭЭ №1, 2019

Основные направления развития распределенной энергетики

Зайченко Виктор Михайлович

Со времен энергетического кризиса 1973 г. в развитых странах, в частности, в странах западной Европы, распределенное энергообеспечение стало основным направлением развития энергетики. Это было продиктовано стремлением к переходу на когенерационное производство энергии, т.е. к совместному получению электрической и тепловой энергии. В этом случае коэффициент использования топлива составляет 85–92%. При производстве только электрической энергии коэффициент использования топлива составляет около 40%.

Заведующий отделом распределенных энергетических систем Объединенного Института высоких температур РАН (ОИВТ РАН), д.т.н.

Зайченко Виктор Михайлович

Тепловую энергию нельзя передавать на большие расстояния, поэтому производить ее нужно в непосредственной близости от потребителя. Это и стало основной движущей силой перехода на распределенное энергоснабжение. Переход к когенерационным схемам в развитых странах был закончен 30–40 лет назад. И следующим этапом в развитии региональной либо распределенной энергетики стало использование возобновляемых источников энергии. В начальной стадии ВИЭ были значительно дороже традиционных, использующих ископаемые топлива. Но уже в 2017 г. мощности вводимых ВИЭ сравнялись с мощностями традиционных ТЭС.

Мы в значительной степени отстаем в этом направлении. Созданная в нашей стране единая энергосистема является крупнейшим в мире централизованно управляемым энергообъединением. Переход от «самых больших централизованных» систем к системам локального значения достаточно сложен для нашего государства. При этом существуют и объективные причины, которые препятствуют широкому использованию возобновляемых технологий. Использование возобновляемых источников делает необходимым создание систем резервирования. В европейских странах резервирование осуществляется сетью. У нас приблизительно 70% территории, на которой проживает 20–22 млн человек, находится вне сетей. ВИЭ необходимы в первую очередь на тех территориях, где мощности существующих сетей недостаточны. Это Юг России, северные территории, значительное количество удаленных и обособленных территорий, которые не соединены с централизованной системой электроснабжения. Во многих случаях с экономической точки зрения гораздо выгодней создание на этих территориях собственных систем энергоснабжения на базе местных топливно-энергетических ресурсов.

Наши подходы к решению проблемы распределенного энергоснабжения могут отличаться от используемых в Европе. Россия – лидер по запасам угля, нефти, природного газа, обладает самыми большими ресурсами природной биомассы. У нас сосредоточено более 40% мировых запасов торфа и 25% древесины. Именно на этой ресурсной базе должна развиваться система регионального или распределенного энергоснабжения. У нас уже имеются разработки, промышленная реализация которых позволит решить многие из существующих проблем создания системы распределенного энергоснабжения на базе местных топливно-энергетических ресурсов. Создаваемая система должна включать энергетическую утилизацию различных видов отходов жизнедеятельности, т.е. того вида местных топливно-энергетических ресурсов, которые имеются во всех населенных пунктах.
В качестве источника электрической энергии для распределенного электроснабжения могут быть использованы газотурбинные установки, газопоршневые электростанции и мини-ТЭЦ на базе газопоршневого двигателя. Как правило, потребляемые мощности в системах распределенной генерации не превышают 3 МВт. При этом уровне мощности газопоршневые электростанции имеют лучшие технико-экономические характеристики по отношению к газотурбинным установкам.

Конверсия биомассы в газовое топливо

Для производства электроэнергии в системах распределенной энергетики необходима технология получения из местных топливно-энергетических ресурсов энергетического газа, который может быть использован в качестве топлива. Сегодня известны две технологии получения энергетического газа при термической конверсии биомассы: пиролиз и газификация. Продукты пиролиза – энергетический газ, жидкие продукты, твердые продукты реакции – углерод. В среднем, энергетический газ, получаемый при пиролизе, содержит не более 25% от энергии перерабатываемой биомассы. При этом отделить газообразное топливо от жидкой фазы – достаточно сложная задача, требующая больших затрат.

При газификации получаемое газообразное топливо, в среднем, содержит до 50% горючих компонентов, основные из которых – водород и окись углерода, остальное составляет азот – 45–50% от объема газообразных продуктов реакции и 6–7% двуокиси углерода. Теплотворная способность продуктов газификации – 4…6 МДж/м3. Для современного энергетического оборудования, рассчитанного на большие нагрузки, эффективнее использовать топливо с более высокими теплотехническими характеристиками. Получаемый при газификации газ содержит не менее 200 мг/м3 жидкой фазы. Этот газ не может быть непосредственно использован в виде топлива в газотурбинных и газопоршневых электростанциях. По существующим нормам топливо для газопоршневых двигателей не должно содержать жидкой фазы более чем 40 мг/м3.

Получаемый по существующим технологиям пиролиза и газификации газ для использования в электропроизводящем оборудовании необходимо очищать от жидкой фракции. Тонкая очистка от конденсирующихся примесей значительно усложняет и удорожает процесс и делает получение этого топлива экономически невыгодным. Для энергетической утилизации биомассы необходимо получение не содержащего жидкой фракции газового топлива с повышенными теплотехническими характеристиками.

Такой процесс был разработан в Объединенном институте высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН). На первой стадии проводится пиролиз биомассы с образованием газообразных, жидких и твердых продуктов реакции при температурах до 900°С. Жидкая фаза пиролиза состоит из набора высокомолекулярных углеводородных соединений СnHm и пирогенетической воды. Эти жидкие продукты находятся в паровой фазе.

На второй технологической стадии газообразные продукты реакции пиролиза, состоящие из конденсируемой и неконденсируемой частей, продуваются при температуре около 1000°С через твердую углеродную фазу, образующуюся при пиролизе на первой стадии процесса. При этом пирогенетическая вода, находящаяся в паровой фазе, взаимодействует с углеродом с образованием водорода и окиси углерода. Высокомолекулярные соединения, входящие в состав конденсируемой части, пиролизируются при прохождении через засыпку высокотемпературного углерода с образованием водорода и окиси углерода.

Таким образом осуществляется конверсия жидких и твердых продуктов реакции пиролиза в водород и окись углерода. Это обеспечивает безотходную переработку биомассы с получением высококалорийных энергетических газов. Свойства этих газов в зависимости от температуры ведения процессов изменяются (см. таблицу).

Основное достоинство этой технологии – высокая степень конверсии перерабатываемой биомассы в энергетический газ. В существующих технологиях эта величина не превышает 20–25%, в технологии ОИВТ РАН составляет более 75%. Суммарный выход горючих газов составляет 1,4 м3/кг биомассы, а средняя теплота сгорания – около 11,5 МДж/м3. Получаемый по этой технологии энергетический газ может быть непосредственно использован в качестве топлива для электропроводящего оборудования.

Производительность установки при переработке древесных отходов – около 50 кг/час. Получаемый газ использовался в качестве топлива для газопоршневой электростанции с получением электрической мощности ~50 кВт, т.е. из одного килограмма древесных отходов может быть получен один кВт электроэнергии. Оценка финансово-коммерческой эффективности этой установки показала высокие значения всех критериев эффективности инвестиций, в том числе быструю окупаемость всех затрат – не более четырех-пяти лет.

Реализация технологии позволит осуществить комплексное энерготехнологическое использование местных топливных ресурсов, в первую очередь древесных отходов и торфа, для выработки тепла и электроэнергии как для объектов стационарной энергетики, так и для автономного энергоснабжения. Получение высококалорийного энергетического газа при термической переработке биомассы позволит решить задачу создания автономной энергетики, работающей на местных топливно-энергетических ресурсах.

Повышение потребительских свойств твердого топлива из биомассы (торрефикация)

На юге России ежегодно выращивается ~50 млн тонн зерна. На тонну зерна собирается около 400 кг соломы, т.е. общий объем соломы в южных регионах страны составляет ~ 20 млн тонн в год. В западноевропейских странах принята следующая схема использования соломы: примерно половина запахивается для восстановления плодородия почв, часть идет на корм скоту, остальное используется в виде топлива. Если следовать данной схеме, то в энергетике юга России может быть использовано примерно 6–8 млн тонн соломы. Значительная часть потребностей в топливе на юге России обеспечивается за счет поставок угля, в том числе из Канско-Ачинского бассейна с теплотворной способностью 2800–3800 ккал/кг. Теплотворная способность пеллет из соломы в среднем составляет 3500–3700 ккал, т.е. если треть соломы сжигается, то это соответствует ~7–8 млн тонн Канско-Ачинского угля, который привозится в южные регионы из Красноярского края.

Современные технологии позволяют получать из биомассы гранулированное топливо в виде пеллет. Пеллетизация позволяет решить вопросы, связанные с обеспечением требуемого гранулометрического состава топлив из биомассы. Главным недостатком пеллетизированного топлива является его гигроскопичность. Пеллеты при хранении и перевозке абсорбируют воду и при достижении определенной влажности разрушаются. Основными сдерживающими факторами энергетического использования пеллет из различных видов биомассы является необходимость соблюдения специальных условий, исключающих возможность контакта пеллетизированного топлива с воздушной средой, которая является источником влаги.

Улучшение потребительских свойств гранулированного топлива из биомассы – обеспечение гидрофобных свойств, повышение теплотворной способности – может быть достигнуто в процессе торрефикации.

Торрефикацией принято называть термическую обработку биомассы при температурах 250–280 С в безокислительной среде. При торрефикации (низкотемпературном пиролизе) при нагреве до 240–270 С пеллеты становятся гидрофобными, одновременно за счет выхода паров воды и части летучих на 25–35% снижется вес пеллет и на 25–30% увеличивается их теплотворная способность.

Считается, что торрефикация пеллетизированной биомассы – главное направление улучшения потребительских свойств данного вида топлив. Исследования по разработке технологии торрефикации ведутся во многих научных центрах мира. Но к настоящему времени промышленной технологии торрефикации не создано. Основная проблема при реализации процесса торрефикации – неконтролируемое повышение температуры перерабатываемой биомассы при ее нагреве. При температурах порядка 230–250°С происходят экзотермические реакции в нагреваемой биомассе, в результате которых перерабатываемый материал разогревается до 700–800 С. Предотвращение неконтролируемого нагрева перерабатываемого сырья требует соблюдения специальных схемных решений. Увеличение затрат на предотвращение самопроизвольного разогрева перерабатываемого материала может не компенсироваться теми преимуществами, которые получает топливо из биомассы в процессе торрефикации.

В ОИВТ РАН отработана схема, позволяющая использовать экзотермическое тепло, выделяющееся в процессе нагрева биомассы. Это значительно упрощает схему процесса и сокращает потребление энергии примерно в 4–6 раз по сравнению с существующими аналогами.

Одним наиболее востребованных направлений использования процесса торрефикации может стать переработка различных видов отходов жизнедеятельности, в том числе пометно-подстилочной массы (ППМ) куриных хозяйств. В крупных куриных хозяйствах образуется ~15–18 млн тонн ППМ в год. Для того чтобы использовать данную массу в качестве удобрений, необходима ее выдержка в течение 3 лет для уничтожения вредной микрофлоры, затем транспортировка к местам использования. Это невыгодно с экономической точки зрения. Использование минеральных удобрений требует меньших затрат. Наиболее приемлемым с экономической точки зрения является получение из ППМ топлива для местного использования.

В результате низкотемпературного отжига (низкотемпературного пиролиза) производится биоуголь. При этом свойства торрефицированного материала, кроме состава и процентного содержания золы, практически не зависят от того, какого вида был исходный перерабатываемый материал: древесные и сельскохозяйственные отходы, торф, ППМ и т.д.

Получение чистых углеродных материалов при совместной термической переработке древесных отходов и углеводородных газов (попутных газов)

В основе разрабатываемой технологии использованы новые представления о методах термического воздействия на природные и попутные газы и углеродсодержащие материалы растительного происхождения. Принципиальные отличия технологии от существующих в промышленности традиционных методов получения углеродных материалов – низкая стоимость исходных материалов (попутный нефтяной газ и биомасса, в данном изложении древесные отходы) и качественно новые свойства получаемых конечных продуктов.

Суть технологии заключается в совмещении в одном реакторе процессов получения древесного угля и заполнения пор древесного угля углеродом природного газа. Древесина в среднем на 50% состоит из углерода. Получаемый композит состоит из углерода, входящего в состав древесины, и углерода природного или попутного нефтяного газов. Получение чистых углеродных материалов при совместной термической переработке углеводородных газов и древесных отходов может быть реализовано в одном аппарате.

В реактор сверху подаются древесные отходы, которые под собственным весом движутся сверху вниз. Природный газ подается снизу вверх и движется в противотоке с засыпкой из биомассы. В нижних и средних горизонтах реактора температура ~1000°С, происходит термическое разложение природного газа, образующийся при этом углерод заполняет поры попадающего в эту зону древесного угля. Образование древесного угля происходит в верхних горизонтах реактора при взаимодействии высокотемпературных газообразных продуктов реакции с засыпаемой свежей древесиной. Выгрузка готового материала осуществляется в нижней части реактора. Газообразные продукты реакции, состоящие примерно на 80% из водорода и отводимые из верхней части реактора, используются для обеспечения требуемого температурного режима работы установки.

Новые композитные материалы, получаемые в процессе переработки отходов и природного газа, обладают рядом свойств, делающих эти материалы перспективными для использования в различных промышленных технологиях, в частности, в виде высококалорийного экологически чистого топлива. В металлургии новый углеродный продукт позиционируется как заменитель углеродных материалов, используемых в сталеплавильном, доменном производствах и в процессах прямого восстановления железа.

Плотность материала зависит от режимных параметров процесса переработки и может варьироваться в пределах от 0,7 до 1,8 г/см3. Себестоимость углеродных материалов, получаемых при использовании попутных газов, составляет $ 80–110 за тонну. Цена углеродных материалов данного качества на внутреннем и мировом рынках – от $ 2200 за тонну.

Системы аккумулирования электроэнергии для энергосистем с использованием ВИЭ

Из-за нестабильности энергетических параметров установок, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ), а также колебаний нагрузки в системе потребления, среднегодовой коэффициент полезного использования установленной мощности автономных энергетических установок на базе ВИЭ не превышает 18–22%.

Для использования возобновляемой энергетики необходимо аккумулирование электрической энергии. Наиболее эффективными для аккумулирования больших количеств электроэнергии считают гидроаккумулирующие и воздухоаккумулирующие системы. Однако для создания таких систем необходимы определенные особенности геологического строения площадки, на которой строится СЭУ или ВЭУ. Наиболее перспективным методом сохранения электрической энергии считается водородное аккумулирование: получение и накопление водорода в моменты избыточной выработки электроэнергии и последующее использование этого водорода для обратного получения электроэнергии различными методами. Получение электроэнергии из водорода наиболее просто осуществляют сжиганием водорода в качестве топлива для работы газопоршневых, газотурбинных, паротурбинных или парогазовых энергетических установок. В настоящий момент этот способ считается наиболее приемлемым.

В России работы в этом направлении проводит ОИВТ РАН совместно с Научно-исследовательским и проектно-изыскательским институтом «Ростовтеплоэлектропроект» (РоТЭП).

Газопоршневые двигатели, работающие на водороде, не созданы. Это связано с детонационным режимом сгорания водорода при его использовании в виде топлива в газопоршневом двигателе. Технических решений, обеспечивающих исключение детонационного режима при использовании водорода в качестве топлива для газопоршневых двигателей, в мире пока не существует. Принципиальная возможность доработки газопоршневых двигателей для работы на водороде продемонстрирована в ходе выполненного в ОИВТ РАН комплекса исследований. Была создана опытная газопоршневая установка, работающая на водороде, мощностью 30 кВт. При этом понятие «работа на водороде» включает в себя использование водорода с определенными добавками, в том числе с частичным рециклом продуктов сгорания.

Принципиальная возможность реализации описанных выше технологий продемонстрирована на стендах ОИВТ РАН. Организация промышленного производства установок данного назначения обеспечит нашей стране передовые позиции в сфере распределенной энергетики с использованием ВИЭ и местных топливно-энергетических ресурсов.

Хотите читать больше подобных новостей?

Подпишитесь на электронную рассылку!

Свежий выпуск РЭЭ с доставкой прямо в почтовый ящик