Розвиток централізованого теплопостачання – ключ до розумної енергосистеми в Україні

1 листопада 2021 р.

Активний розвиток систем централізованого теплопостачання (ЦТ), що спостерігається в країнах ЄС, свідчить, що сучасні системи ЦТ є не лише більш ефективними у порівнянні з індивідуальними системами опалення та гарячого водопостачання у містах з щільною забудовою, а й виконують функцію інтеграції енергетичних секторів. Для України останнє важливо, зокрема, тим, що можливості систем ЦТ в інтеграції поновлюваних джерел енергії здатні забезпечити необхідну гнучкість національної енергосистеми.

В цьому тексті ми представимо сучасний погляд на можливості централізованого теплопостачання (заснований як на академічних дослідженнях, так і на реалізованих проєктах в країнах-членах ЄС), наведемо аргументи на користь завершення переходу до систем 3-го покоління ЦТ в Україні, і покажемо, як перехід до автоматизованих систем ЦТ уможливлює гнучкість енергосистеми.

4 покоління систем централізованого теплопостачання

Системи ЦТ за більш як століття свого розвитку пройшли довгий шлях: від перших парових систем, через нерегульовані системи (що дотепер здебільшого поширені в Україні) до автоматизованих систем і, далі, до інтелектуальних високоефективних низькотемпературних систем ЦТ, що сьогодні розвиваються в країнах Північної та Західної Європи.

Про який би з етапів розвитку ЦТ не йшлося, його основа незмінна: від (1) джерела тепла, що підігріває теплоносій, через (2) транспортну мережу теплоносій надходить до (3) споживача. Етапи, або покоління, розвитку ЦТ відрізняються рівнем ефективності використання енергії в системі, ступенем контролю кожної з її ланок та гнучкістю реагування на зміни можливостей постачання та попиту.

Наразі, в українських містах, що спромоглися зберегти систему ЦТ, йде повільний перехід від нерегульованих систем 2-го покоління до автоматизованих систем ЦТ 3-го покоління. Для систем 3-го покоління характерні облік споживання енергії по всьому ланцюгу системи теплопостачання, більш ефективні й різноманітні джерела генерації, попередньоізольовані трубопроводи для транспортування енергії, а на стороні споживача – робота компактних автоматизованих індивідуальних теплових пунктів (ІТП). 

Погляньмо, які можливості для України відкриває завершення переходу до систем ЦТ 3-го покоління (або 3G, G від «generation», англ. «покоління»).

I. Генерація у 3G-системах ЦТ

Джерела тепла в третьому поколінні систем ЦТ стали більш різноманітними. Окрім ТЕЦ, котелень чи сміттєспалювальних заводів, що є традиційною основою енергопостачання у системах ЦТ другого покоління, зниження температури в мережі (зі 120-90 °С до, переважно, 95-70°C або 80-60°C) та підвищення ефективності всього ланцюга теплопостачання, уможливили включення відновлюваних джерел тепла до мережі ЦТ 3G.

Йдеться, зокрема, про установки, що використовують в якості палива біомасу з конденсацією димових газів, сонячну теплову енергію, геотермальне та надлишкове тепло від промислових процессів, акумуляцію тепла (у тому числі сезонне зберігання).

З точки зору потенціалу включення ВДЕ у теплову генерацію, показовим для України є приклад сусідньої Литви, де 2000 року частка енергії, виробленої за допомогою альтернативних видів палива, зокрема з твердої біомаси та відходів, складала 3%, тоді як 2020 року це значення сягнуло вище 56%. Джерела, що використовували природній газ в якості палива суттєво знизили роль в виробництві тепла – з понад 80% у загальній структурі виробництва тепла у 2000 році, до менш як 20% у 2020 році. Загальна частка ВДЕ в системах централізованого теплопостачання Литви наразі становить більше 80%.

А. Роль великомасштабних теплових насосів у системах ЦТ сьогодні

Особливу увагу привертають можливості застосування великомасштабних теплових насосів (ТН) для розширення частки поновлюваних джерел енергії в ЦТ. Так, наприклад, можна використовувати ТН великої потужності для утилізації низькопотенційного тепла циркуляційної води ТЕЦ. Потенціал, який може дати 1000 м3/г циркуляційної води становить приблизно 4,4 МВт теплової енергії в опалювальний сезон із заміщенням 1,510,000 м3 природного газу та зниженням викидів на 1,09 тис.т СО2. Для порівняння, витрата циркуляційної води на ТЕЦ-6 м. Києва для однієї градирні в зимовий період складає 28,500 м3/год, що може зробити теплонасосну станцію на базі цієї ТЕЦ однією з найбільших в Європі.

Така концепція реалізована на  ТЕЦ Simmering (Відень), що знаходиться в управлінні Wien Energie GmbH, найбільшого постачальника енергії в Австрії. Теплонасосна станція складається з двох однакових компресорних установок компанії Friotherm. Використовуваний холодоагент - R1234ze. Теплова потужність установки 27-40 Мвт. Таким чином, це найпотужніший ТН в Центральній Європі насьогодні (початок монтажу – листопад 2017 року, введений в експлуатацію наприкінці 2018 року). Температура джерела тепла від 6 до 27 ° C, самих джерел кілька: контур охолодження електростанцій і Дунайський канал. Температура на виході - 95 ° C, що є стандартною температурою в радіаторній системі опалення. Середнє значення COP - 3. Сума інвестицій - 15 млн євро. Включення теплонасосної станції в систему ЦТ міста дозволило скоротити викиди CO2 на 40 тис.т/рік.

Поєднання ТН та ТЕЦ в 3G-системах ЦТ дозволяють не лише збільшити частку поновлюваних джерел у виробництві тепла, а й розширюють можливості розбудови гнучкої енергосистеми.

Гарним прикладом тут є ТЕЦ Amager Bakke в м. Копенгаґен, що працює як сміттеспалювальний завод з гірськолижним спуском на даху. Ця електростанція обладнана високоефективною паровою турбіною з протитиском та регульованими виробничими відборами, а також ТН, завдяки цьому ТЕЦ може працювати в трьох режимах, забезпечуючи необхідну гнучкість:

а) Робота ТЕЦ без ТН (55 МВт електричної енергії та 157 МВт теплової).

б) Робота ТЕЦ з ТН (49 МВт електричної енергії та 190 МВт теплової).

в) Байпас парової турбіни з ТН (0 МВт електричної енергії та 247 МВт теплової енергії).

За потреби, теплова енергія може бути реалізована в одну з двох підсистем Копенгаґена: місцеву розподільчу систему ЦТ HOFOR або транспортну мережу CTR.

 

Коротко зауважимо також, що низкопотенційне тепло технологічних процесів ТЕЦ є далеко не єдиним джерелом, що використовується ТН. Поступове загальне зниження температур мережі відкриває шлях для інших джерел низкопотенційного тепла, що раніше не використовувались. Для прикладу – геотермальної енергії та скидного тепла від промислових процесів – див. реалізований проєкт теплової насосної станції у м. Гельсінки під парком Katri Vala, що у 2018 році забезпечила 8% виробництва тепла в місті.

В. Роль ТЕЦ та теплової акумуляції у 3G-системах ЦТ

Як і в системах другого покоління, в третьому поколінні ТЕЦ відіграють ключову роль, але тут до загальної конструктивної складової додається теплова акумуляція. Завдяки використанню акумуляторів тепла ТЕЦ може знизити комбіноване виробництво, коли в системі багато електроенергії від ВДЕ, але при цьому споживачі будуть забезпечені необхідною кількістю тепла.

Перелічимо переваги теплової акумуляції, характерні для всіх видів ТЕЦ: 

  • Великомасштабні теплові акумулятори можуть дозволити повністю зупинити ТЕЦ у вихідний день, коли в мережі присутня надмірна кількість електроенергії, а тепло може подаватися з акумуляторів;
  • Акумулятор компенсує добові коливання навантаження, які пов'язані не тільки з системою ГВП, але і з коливаннями, викликаними зниженням температури зовнішнього повітря в нічний час і, відповідно, з роботою індивідуальних теплових пунктів;
  • Скорочується час запуску і зупинки ТЕЦ, мінімізуються пікові потужності.
  • Уможливлюється експлуатація ТЕЦ в номінальному режимі «найхолоднішший день», коли частина навантаження може бути покрита за рахунок акумуляторів;
  • Акумулятор тепла може підтримувати статичний тиск в мережі централізованого теплопостачання і виконувати функцію розширювального резервуара, при цьому ТЕЦ може працювати в базовому режимі навіть при серйозних аварійних ситуаціях на мережі до їх усунення;
  • Підвищена динаміка ТЕЦ, можливість оптимальної роботи на енергоринку з високою часткою ВДЕ.

Відтак, генерація у 3G-системах ЦТ, для якої характерні більш низькі температури мережі, уможливлює значне розширення частки ВДЕ, включених у мережу ЦТ. Застосування великомасштабних теплових насосів та теплової акумуляції при ТЕЦ відкриває можливості стабільнішої роботи всієї енергосистеми.

ІІ. Транспортування у 3G-системах ЦТ

Перехід до 3G-систем ЦТ характеризується не тільки включенням нових видів генерації, але і зниженням теплових втрат в мережі завдяки заміні погано ізольованих трубопроводів в бетонних каналах на попередньоізольовані трубопроводи. Якщо це зробити в Україні, втрати в мережі знизяться, в середньому, з чинних 20-15% до 8-7%. У свою чергу, підтримка різниці температур в первинних контурах індивідуальних теплових пунктів і, як наслідок, більш низька температура  зворотного теплоносія, дозволить знизити теплові втрати ще більше: до 6-5,5 %.

Якщо в системах ЦТ другого покоління гідравлічне балансування здійснювалось за рахунок неавтоматичних пристроїв, дросельних шайб, то в третьому поколінні це вже автоматичні пристрої – індивідуальні теплові пункти, що встановлюється на боці споживача. Вони відіграють подвійну функцію в системі ЦТ: з одного боку, забезпечують приготування теплоносія для потреб конкретного споживача (багатоквартирного будинку чи громадської будівлі), а з іншого боку – дозволяють гідравлічно сбалансувати мережу централізваного теплопостачання.

Останнє слід пояснити детальніше. Коли  мережа гідравлічно розбалансована, спостерігається значне зниження ефективності системи ЦТ: абоненти в кінцевих точках мережі не отримують теплоносій потрібної температури, низький ΔT в системі призводить до зниження ККД джерел і збільшення витрат на виробництво енергії; зростає швидкість потоку, підвищуються теплові втрати в трубопровідній мережі, зростають витрати енергії на перекачування теплоносія тощо.

При переході до регульованих (автоматизованих) систем, обмеження максимальної витрати здійснюється за допомогою автоматичних засобів для кожного контуру теплоспоживання в індивідуальному тепловому пункті, що можна назвати первинним гідравлічним балансуванням мережі. Первинне балансування підвищує загальну ефективність системи, створює рівні умови для всіх споживачів, підключених до мережі, і продовжує термін служби компонентів і трубопроводів мережі (оскільки зниження стрибків тиску призводить до меншої кількості аварій навіть на тих мережах, де термін експлуатації трубопроводів є значним).

Розрахунки та моделювання, які викладено в дослідженні «Потенціал технічного вдосконалення великої мережі централізованого теплопостачання: застосування на прикладі Таллінна, Естонія» підтверджують значний потенціал, який відкривається при модернізації мережі. Так, заміна старих трубопроводів на попередньо ізольовані трубопроводи (теплопровідність 0,027 Вт/(мК)) системи теплопостачання з однаковим внутрішнім діаметром може зменшити втрати тепла на 40%. При отимізації низьконавантажених трубопроводів мережі (зміна внутрішнього діаметра з урахуванням R = 100 Па/м) втрати зменшаться на 60%. При оптимізації діаметрів також знизяться втрати води та об'єм теплоносія в системі, якій необхідно прокачувати. Гідравлічний баланс мережі за рахунок налагодження відповідних пристроїв в індивідуальних теплових пунктах та обмеження температури зворотного теплоносія додасть ще 10% до загальної цифри зменшення втрат. Це також позитивно вплине на гідравлічну стійкість мережі та збільшить термін використання компонентів.

ІІІ. Споживання у 3G-системах ЦТ

А. Індивідуальні теплові пункти

Основною особливістю систем ЦТ третього покоління на стороні споживача є перехід від нерегульованих систем до індивідуальних теплових пунктів.  Індивідуальний тепловий пункт (ІТП) – це компонент системи ЦТ, призначений для прийому, перетворення і розподілу теплової енергії (на додачу до функції гідравлічного балансування мережі, про яку йшлося вище). ІТП складається з комплексу автоматичних пристроїв та обладнання, призначеного для приєднання внутрішніх систем теплоспоживання одного споживача (будівлі) до теплової мережі, з забезпеченням кожного виду теплового навантаження необхідними параметрами теплоносія.

Зазвичай внутрішні системи не згадуються при розгляді концептуальних змін в системах ЦТ, але слід відзначити, що налагодження ефективної роботи внутрішніх інженерних систем будівель знижує витрати домогосподарств на теплову енергію на 30-50%, сприяє поступовому переходу до низькотемпературних систем ЦТ, та відкриває шляхи до використання більш ефективних, еклогічних та дешевих видів генерації.

В. Зміна призначення центральних теплових пунктів (ЦТП)

Крім ІТП, в системах ЦТ третього покоління важливу роль відіграють розподільні, або центральні, теплові пункти (далі ЦТП). Функціонально їх можна порівняти з класичними ЦТП в системах ЦТ другого покоління, але в третьому поколінні змінюється їхнє призначення. В системах ЦТ другого покоління ЦТП призначався для приєднання до системи невеликих груп споживачів, в основному, через неможливість розмістити великогабаритне, металомістке обладнання в підвальному приміщенні житлового будинку. У третьому поколінні ЦТ ЦТП застосовуються для підключення великих груп споживачів до магістральних трубопроводів, зокрема, для захисту компонентів систем балансування мережі  від високого тиску, а також для приєднання нових видів генерації до поточної мережі.

С. Управління споживанням у 3G-системах ЦТ на основі веб-сервісів

Нещодавно також почали розвиватися різноманітні веб-сервіси та SCADA-системи, що дозволяють віддалено стежити за роботою системи ЦТ, за потреби коригувати настройки і аналізувати зміни в споживанні теплової енергії.

Так, оператору мережі централізованого теплопостачання Stadtwerke Altensteig (Баден-Вюртемберг, Німеччина) вдалося значно підвищити ефективність системи ЦТ завдяки активному контролю та моніторингу температури зворотного теплоносія на рівні індивідуальних теплових пунктів за допомогою спеціального програмного забезпечення. Ця система допомогла також покращити стабільність, ефективність та якість керування завдяки контролю в режимі реального часу. Віддалений моніторинг, зокрема доступ до даних вузлів обліку, та упереджувальний ремонт значно підвищили рівень сервісу для кінцевих споживачів. Все це дозволило додатково знизити загальне споживання енергії на 3-5%.

Висновки

Як бачимо, сучасні системи ЦТ третього покоління – це вже більше, ніж ефективне опалення та гаряче водопостачання. В третьому поколінні стають доступними технології перетворення надлишкової електроенергії в тепло, що сприє декарбонізації теплопостачання та дозволяє значно розширити частку відновлюваних джерел електроенергії в енергосистемі. В свою чергу, споживач отримує якісніші послуги та може впливати на власне споживання енергії.

Саме такий напрям розвитку системи теплопостачання є стійким у середньо- та довгостроковій перспективі і саме тому українським містам слід переходити від стратегії «капітальних ремонтів» системи ЦТ до стратегії модернізації та розширення.