Ученые сделали тепловые электростанции экологичнее

Исследователи разработали новаторскую схему работы теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) — тепловых электростанций, которые наряду с электричеством производят тепло для отопления и горячего водоснабжения. Часть тепловой энергии от сжигаемого топлива предлагается заменить электроэнергией от ветрогенератора. Использование таким способом одной установки мощностью 500 кВт при достаточной силе ветра позволит сэкономить более 900 тонн угля в год и сократить выбросы углекислого газа на 1500 тонн в год. Статья о разработке опубликована в Energy Procedia. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.

Более 45% всего ископаемого топлива в России тратится на теплоснабжение жилых районов и промышленных объектов. Наиболее эффективный способ производства тепла в российском климате — теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Тепло от сжигаемого топлива на них используется для превращения воды в пар, приводящий в действие турбину, которая обеспечивает производство электроэнергии. В отопительный сезон часть пара из турбины используется для теплоснабжения.

Ученые из Института систем энергетики имени Л. А. Мелентьева Сибирского отделения РАН предложили способ сокращения необходимого для работы ТЭЦ количества топлива за счет энергии ветра. Как правило, именно в холодное зимнее время на территории России дуют самые сильные ветры. Соединение ветрогенератора с паротурбинной ТЭЦ может стать эффективным вариантом включения возобновляемого источника энергии в традиционную энергосистему. Обычно в подобных ситуациях предполагается, что произведенная энергия сразу направляется в общую энергосеть. При таком подходе зависимость потока энергии от силы ветра нередко приводит к нестабильности всей системы, и требуется установка на ветрогенератор дополнительных компенсирующих или стабилизирующих устройств.

Авторы предложили альтернативный вариант: ветрогенератор не работает параллельно с ТЭЦ и не подменяет ее, а напрямую включается в цикл ее работы. Электроэнергия с ветрогенератора направляется на перегрев пара, полученного за счет сжигания топлива в котле, что позволяет не тратить на дополнительное топливо, как это происходит в традиционной схеме ТЭЦ. Кроме того, избыток электроэнергии с ветрогенератора можно направить на предварительный разогрев воды и за счет этого еще больше сократить расход топлива. Если же ветер ослабевает и производимой энергии не хватает для перегрева пара, включается резервный источник энергии — аккумулятор любого типа или энергоустановка на органическом топливе. Таким образом, производство электричества и тепла при этом останется независимым от изменений в силе ветра. Ветрогенератор может работать совместно не только с паротурбинной, но и с более эффективной парогазовой ТЭЦ: в этом случае электроэнергия ветроустановки может использоваться при подогреве сжатого воздуха для газовой турбины. Описанная разработка запатентована.

Расчеты авторов показывают, что включение в схему ТЭЦ ветрогенератора мощностью 500 кВт позволить экономить в год до 187 тонн дизельного топлива или 380 тонн угля даже при небольшой среднегодовой скорости ветра в 6 м/с. Если средняя скорость ветра составит 10 м/с, то будет сэкономлено до 468 тонн дизельного топлива или 950 тонн угля. Количество выбросов углекислого газа в атмосферу при этом сократится на 1500 тонн в год.

«Предлагаемая технология позволяет как выдавать высококачественную электроэнергию независимо от изменения силы ветра, так и существенно снизить потребление органического топлива на ТЭЦ или котельных. Это поможет сэкономить затраты и снизить выбросы СО₂, — говорит ведущий автор статьи, старший научный сотрудник Института систем энергетики имени Л. А. Мелентьева СО РАН Иван Постников. — Вместе с тем схема не исключает передачу электроэнергии от ветроустановок в энергосистему, что делает ее универсальной и маневренной. По нашим оценкам, срок окупаемости такого гибридного энергоисточника мощностью 500 кВт не превышает пять лет при среднегодовой скорости ветра 10 м/с. Мы планируем продолжать исследования по гибридным энергосистемам с внедрением возобновляемых источников энергии и традиционных технологий. В частности, с применением воздухоаккумулирующих газотурбинных установок, различных типов и конструкций ветрогенераторов, их использованием для получения водорода и так далее».

Работа отвечает на несколько вызовов Стратегии научно-технического развития РФ: качественное изменение характера глобальных и локальных энергетических систем, рост значимости энерговооруженности экономики; исчерпание возможностей экономического роста России, основанного на экстенсивной эксплуатации сырьевых ресурсов, на фоне появления группы стран-лидеров, ориентированных на использование возобновляемых ресурсов; возрастание антропогенных нагрузок на окружающую среду.

Материал подготовлен при поддержке Фонда президентских грантов.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.