Перспективные варианты развития централизованной системы теплоснабжения в России и мире

Россия является страной с высоким уровнем централизации теплоснабжения. Энергетическое и техническое преимущество ЦТС над автономным в условиях монополии государственной собственности закрепилось в современном мире как факт.

Наумов А.Л. в «Пути развития теплоэнергетики в России» писал, что: «Системами централизованного теплоснабжения вырабатывается около 1,4 млрд. Гкал тепла в год. Около 600 млн. Гкал тепловой энергии ежегодно производят 68 тысяч коммунальных котельных. В большинстве крупных городов (более 100 тыс. чел.) централизованным теплоснабжением обеспечено 70-95% жилого фонда».

Ведь благодаря столь высокому обеспечению потребителей в системе централизованного теплоснабжения большое распространение получили Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) – когенерационные предприятия (предприятия по комбинированной выработке электроэнергии и тепловой энергии).

Когенерация помогает потребителям и предприятиям взять под контроль свое энергетическое будущее, делая их активными бенефициарами интегрированной энергетической системы и вознаграждая их за те выгоды, которые они приносят системе», - заявляет COGEN Europe.

«Когенерация обеспечивает эффективность, экологичность, экономичность и надежность». - перечисляет Агентство по охране окружающей среды США. Когенерация представляет собой «серию проверенных, надежных и экономичных технологий, которые уже вносят важный вклад в удовлетворение глобального спроса на тепло и электроэнергию», - заверяет Международное энергетическое агентство. Вышеупомянутые цитаты вкратце освещают некоторые основные особенности комбинированного производства тепла и электроэнергии, намечая основные области, связанные с когенерацией. Особое место отводится энергоэффективности, на которой строятся взаимные выгоды ТЭЦ. Технологически ТЭЦ ориентированы на электроснабжение, в связи с чем гармонизировать режимы производства тепловой и электрической энергии с режимами их потребления удается далеко не всегда. Тем не менее, высокий уровень большой промышленной энергетики предопределил «независимость» и даже определенный экспортный потенциал страны.

Рисунок 1. Северо-Западная ТЭЦ, г. Санкт-Петербург

Обращаясь к опыту развитых стран Европы, следует отметить, что специфика теплоснабжения в них смешанная. Так, страны Восточной Европы сохранили высокое преобладание централизованного теплоснабжения. Италия, Испания, Франция отдают приоритет поквартирному теплоснабжению с настенными газовыми котлами. В Германии, Англии, Бельгии, Австрии наряду с поквартирными системами теплоснабжения активно развиваются автономные домовые котельные. А скандинавские страны, особенно Дания, нейтрализуют индивидуальное отопление в пользу централизованных источников средней мощности.

Так в г. Валкеакоски, примерно в 150 км к северу от г. Хельсинки, Финляндия – один из главных центров производства целлюлозы и бумаги. Почти 70% жителей города (20 000 человек) подключены к централизованному теплоснабжению. Сеть, которой управляет Valkeakosken Energia Oy (Valkeakoski Energy Ltd) – это 100% муниципальная энергетическая компания, обеспечивающая теплом и электричеством потребителей в Валкеакоски. Центральное тепло производится на заводе Pure Energy, который построен компанией Wärtsilä NSD в 1999 году.

Дерегулирование открыло энергетический рынок в Финляндии во многих отношениях. Многие муниципалитеты заняли выжидательную позицию на рынке, но вместо этого Valkeakosken Energia решила инвестировать в свою собственную ТЭЦ, чтобы гарантировать своим клиентам надежные поставки доступного тепла и электроэнергии.

В условиях сильных колебаний цен на электроэнергию Valkeakosken Energia рассматривала новую станцию Pure Energy как краеугольный камень, на котором необходимо строить свое будущее. Независимость была одним из основных факторов, по которым Valkeakosken Energia решила инвестировать в собственную тепло-энергоцентраль. Завод с долгой историей Valkeakosken Energia изучает несколько вариантов независимого производства энергии с начала 1990-х годов. Один из рассматриваемых вариантов заключался в расширении существующего сотрудничества с местной бумажной промышленностью. Однако тщательный анализ показал, что автономная ТЭЦ будет лучшим вариантом.

Сердце станции – два газовых двигателя Wärtsilä 34SG, номинальная тепловая мощность каждого из которых: 9203 кВт (7,915 Гкал/ч) при полной утилизации тепла. Общий КПД установок может превышать 90%. Каждый двигатель и его генератор были поставлены на общую опорную раму и перевезены из Ваасы в Валкеакоски целиком, каждая по 100 тонн.

Полный учёт многообразия действующих на систему централизованного теплоснабжения возмущений, свойств распределённости параметров её звеньев и сложной иерархии построения неизбежно приводит к чрезмерному усложнению процесса её моделирования. Для систем централизованного теплоснабжения малых населённых пунктов сложность исходит от небольшого количества потребителей тепловой энергии, протяжённости и изношенности тепловых сетей и значительным превышением мощности теплоисточников над фактическим отпуском тепловой энергии.

Проблемы в теплоснабжении, которые были накоплены за продолжительное время негативно сказываются на нормальном функционировании не только жилищно-коммунального, но и топливно-энергетического комплексов страны. Решение данных проблем порождает дискуссии о стратегии развития централизованного теплоснабжения в России, что свидетельствует об огромном ресурсе мнений и оценок специалистов, нередко прямо противоположных. Одни считают развитие индивидуального теплоснабжения отрицательным стремлением, ведущим к снижению надежного и безопасного обеспечения потребителей тепловой энергией. Другие заявляют о том, что централизованное теплоснабжение от районных тепловых сетей и квартальных котельных доживает свой век из-за низкой энергетической эффективности. Как правило, мнение обеих точек зрения приводит к выводам, составленным на основе частных сравнительных оценок конкретных проектов, зачастую выполненных ими же самими.

Для решения накопившихся проблем в теплоснабжении, которые проявились в последние годы в секторе ЖКХ и связаны с дальнейшим развитием систем теплоснабжения (централизованных, децентрализованных), предполагается осуществление комплекса мер.

Одной из попыток проанализировать эффективность теплоснабжения в стране предпринята в национальном докладе «Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из кризиса», подготовленного в рамках проекта «Глобального экологического фонда» и Программы развития ООН.

В статье предлагаются на обсуждение методические подходы к паспортизации систем теплоснабжения и разработке программы развития теплоснабжения региона:

Сбор и поддержание объективной организационной и технической информации о состоянии объединенных тепловых сетей акционерных обществ и муниципальных образований в рамках одного предприятия, что определит ответственность таких предприятий за надежное и экономически эффективное состояние передачи тепла конечным потребителям. Задачи, которые способствует решить паспортизация системы теплоснабжения:

Рисунок 2. Пример бланка паспорта тепловой сети

- разработка плана развития теплоснабжения региона;

- нахождение резервов энергосбережения и экономии топливно-энергетических ресурсов;

- инвестиционное планирование в поддержание и развитие системы теплоснабжения;

- оптимизация структуры контроля и управления.

В области разработки новых стратегий тарификации и развития рынка:

Введение системы тарифов с выделенными ставками за тепловые мощность и энергию, а также дифференцированных тарифов по объемам потребления, времени года, времени использования максимума нагрузок, и главное – отдельно по субъектам (возможно, и по отдельным источникам) с целью исключения перекрестного субсидирования неэкономичных источников тепла за счет высокорентабельных;

Снижение температурного графика теплоснабжения, связанное с сокращением и снятием дотаций населению в оплате коммунальных услуг, в том числе тепловой энергии. На протяжении последних десятилетий практически во всех городах РФ наблюдается очень значительный разрыв между фактическим и проектным температурными графиками регулирования систем теплоснабжения.

Во многих городах причинами неисполнения утвержденных температурных графиков являются:

Значительный рост температуры теплоносителя в обратном трубопроводе тепловой сети при повышении температуры в подающем трубопроводе, что приводит к перетопам у потребителей. Это связано с отсутствие достаточного теплосъема теплопотребляющими установками, фактические тепловые нагрузки теплопотребляющих установок потребителей гораздо меньше, чем указанные в договоре:

При испытаниях на максимальную температуру система теплоснабжения дает сбой при увеличении температуры в подающем трубопроводе выше 110-120⁰С. Причина повреждений – утонение металла стенки трубопровода, вызванная наружной коррозией. Причина возникновения наружной коррозии – отсутствие гидроизоляционного и антикоррозионного покрытия трубопровода, прокапывание сторонними водами через неплотности между люком и плитой перекрытия камер.

В технической модернизации отрасли: осуществление развития действующих систем централизованного теплоснабжения с целью наиболее возможного использования комбинированного производства электрической и тепловой энергии;

Обеспечение совершенствования технологий в области теплоснабжения и теплофикации, снижение себестоимости производства тепловой энергии за счет внедрения газотурбинных, парогазовых, газопоршневых и газовинтовых ТЭЦ различной мощности с вытеснением действующих газовых котельных в зону пиковых тепловых нагрузок;

И постепенное приближение цен на топливно-энергетические ресурсы внутри страны к существующим на мировом рынке. Формирование «дефицита» экспорта топливных ресурсов, в первую очередь – природного газа и нефти. Увеличение доли угля и торфа в топливном балансе страны.

Формирование баланса муниципальных и рыночных механизмов организации и управления теплоснабжением регионов.

Перспективами рынка ТЭЦ во всем мире можно назвать:

1. Ускоренный отказ от ядерной энергетики до 2022-2025 года в сочетании с обязательством правительства продвигать когенерацию открывают для ТЭЦ положительные перспективы в ближайшие годы.

Хотя искровой разброс не является особенно положительным, что приводит к низким уровням инвестиций в крупные ТЭЦ, текущая схема субсидирования способствует устранению этих негативных последствий.

Искровой разброс – это теоретическая валовая прибыль газовой электростанции от продажи единицы электрической и тепловой энергии, при покупке топлива, необходимого для производства единицы  этой энергии. Все остальные расходы (эксплуатация и техническое обслуживание, капитальные и прочие финансовые затраты) должны покрываться за счет распространения искры.

В Среднесрочной оценке немецкого закона о ТЭЦ за 2011 год Prognos и Berliner Energie Institut представляют три сценария развития ТЭЦ на 2020-ые годы, основанные на различных путях вывода из эксплуатации АЭС в Европе. По сравнению с уровнями 2010 года ожидается, что к концу 2020 года выработка энергии на ТЭЦ увеличится в 5-6 раз. Благодаря субсидиям, установленным Законом о ТЭЦ 2009 г (2009 CHP Law), 20,8% от общего объема выработки тепло- и электроэнергии может быть произведено на ТЭЦ в 2020-2025 гг.

Поправка 2012 года к Закону о ТЭЦ (2012 amendment to the CHP Law), т.е. повышение уровней субсидий, дополнительные возможности финансирования тепловых сетей, аккумулирования тепла)) приблизит сектор ТЭЦ к достижению 25% целевого показателя к концу 2020 года.

Согласно среднесрочному прогнозу, опубликованному немецкими TSO, в период 2013-2017 гг. основная часть субсидируемой электроэнергии ТЭЦ вырабатывалась на новых установках мощностью более 20 МВт теплоэнергии, получающей бонус ТЭЦ, производилась микро-ТЭЦ. Более долгосрочные прогнозы показывают, что существует значительный потенциал для роста в сегменте микро- и малых ТЭЦ. Недавнее исследование, проведенное IZES и Bremer Energie Institut, оценивает экономический потенциал микро-ТЭЦ примерно в 339 000 единиц. Это приведет к ежегодному экономическому потенциалу 17000 систем микро-ТЭЦ до 2030 года, что эквивалентно примерно 22 ТВтч вырабатываемой электроэнергии в год.

Предполагается, что к 2020 году сокращение выбросов в результате использования ТЭЦ может увеличиться с 46 миллионов тонн в год до 65-73 миллионов тонн в год. Например, это составляет важную долю годового объема, необходимого для достижения цели Германии по сокращению выбросов на 40% к концу 2020-ых годов, оцениваемой в 250 миллионов тонн в год.