Системний підхід до оцінки ефективності теплових насосів
Системний підхід до оцінки ефективності теплових насосів
Технічна можливість та енергетична ефективність застосування теплових насосів в якості джерел теплопостачання і теплохолодопостачання доведена багато років тому. Однак практичне використання ці розробки в державах СНД отримали тільки в останні роки на територіях, дефіцитних по паливу, і на тих об'єктах, де використання теплових насосів надається державна підтримка.
У Республіці Білорусь, що має обмежені запаси власних паливних ресурсів, застосування теплових насосів віднесено до пріоритетних напрямків енергозбереження. Теплові насоси встановлені на 15 промислових підприємствах, об'єктах житлово-комунального господарства та відпочинку. Як правило, це дослідно-промислові системи теплопостачання з парокомпресійна тепловими насосами, що відрізняються типом, теплопродуктивністю, видом робочого агента, джерелами низькопотенційної теплоти і теплоспоживаючого процесами. У таблиці наведені загальні дані про деяких розроблених авторами і вбудованих системах.
Таблиця Об'єкти застосування теплових насосів Джерело низькопотенційної теплоти Тепло споживач Тип компресорів Вид робочих агентів Схема відбору теплоти Споруди річкового водозабору Річкова вода Опалення, вентиляція і ГВ Гвинтові R134а З проміжним теплоносієм Водонасосні станції II-го підйому Водопровідна вода Опалення Поршневий R22 З проміжним теплоносієм Спіральний R407С З безпосереднім відбором Каналізаційні насосні станції Міські стічні води, Опалення і вентиляція Спіральні R407С З проміжним теплоносієм Грунтові води, міські стічні води Гвинтові R134а З безпосереднім відбором і з проміжним теплоносієм Споруда очищення міських стічних вод Очищені стічні води, Опалення, вентиляція і ГВ Гвинтові R134а З безпосереднім відбором Станції метро
Витяжне повітря Опалення та охолодження Спіральні R22 З безпосереднім відбором Повітря тунелю метро Опалення Поршневі R22 Промислові підприємства
Умовно чисті стічні води Гаряче водопостачання Спіральний R22 З проміжним теплоносієм Оборотна вода Поршневий R22 З безпосереднім відбором Гвинтові R134а Трансформаторні п/ст Трансформаторне масло Опалення, вентиляція і ГВ Спіральний R407С З проміжним теплоносієм
Однак незважаючи на підтверджену досвідом експлуатації ефективність, застосування теплових насосів (ТН) до цього часу розглядається як рядове енергозберігаюче захід, яких в енергетичних програмах безліч. Насправді ж роль ТН в теплопостачанні важливіше. Завдяки своїм технологічним і термодинамічними властивостями вони включають у сферу теплопостачання нові, раніше не задіяні зв'язку, дозволяючи тим самим уникнути ряд проблем, які без ТН вирішити було б складно і дорого, а в окремих випадках неможливо. У цьому виявляються системні переваги ТН порівняно з іншими теплоджерела.
Стисло зупинимося на найважливіших з цих переваг. Перше – можливість використання для теплопостачання потоків низькопотенційних ВЕР та природної теплоти. Це значно розширює ресурсну базу теплопостачання, робить її менш залежною від постачання паливних ресурсів, що дуже важливо в умовах дефіциту і зростання вартості органічного палива.
Одночасно утилізація низькопотенційної теплоти в промисловості створює хороші передумови для підвищення ефективності енерговикористання на підприємствах, зниження собівартості продукції і зростання рентабельності. Наприклад, утилізація низькопотенційної теплоти в системах оборотного водопостачання підприємств дозволяє істотно знизити витрати підживлювальної води і обсяг відведення стічних вод, більш економно витрачати електроенергію на вироблення стисненого повітря та ін Утилізація теплоти міських стічних вод підвищує ефективність роботи міських очисних споруд та скорочує теплове забруднення водойм.
Друге – раціональне використання електроенергії в системах теплопостачання. Досі використання електричної енергії з перетворенням її в теплоту сприймається енергетичною галуззю як нераціональне і збиткове. При цьому, як правило, посилаються на неефективність подвійної трансформації теплоти первинного палива в електроенергію та електричної енергії в теплоту, а також на більш високі витрати на виробництво електроенергії в порівнянні з тепловою. Слід зауважити, що така позиція енергетичної галузі склалася в умовах, коли електроенергія використовувалась для виробництві теплоти безпосередньо, в різних електронагрівачах і електрокотли.
При застосуван ТН електроенергія споживається для трансформації теплоти з порівняно низькою температурою в теплоту з температурою мережі теплопостачання, тобто одночасно реалізується як теплове, так і силове якість електроенергії, завдяки чому досягається економія первинного енергоресурсу. По суті, витрачається в ТН електроенергія заміщає високоякісне паливо: вугілля, природний газ і рідке паливо.
Основний зміст економічного питання у застосуванні ТН з електроприводом полягає в правильній і об'єктивною оцінкою ефективності такого заміщення як по витраті первинного енергоресурсу, так і за рівнем витрат. Розрахунки показують, що пропорції в названому розміні складаються на користь ТН. Простежимо це на спрощеному прикладі стосовно білоруської енергосистеми. Нехай ТН виробляє Q Гкал теплоти і споживає для цього Е МВт×год електроенергії. Питома витрата палива на одержання електроенергії (ве) на замикаючої електростанції Білоруської енергосистеми (Лукомльской ГРЕС) з урахуванням втрат електроенергії в ЛЕП в розмірі 9% становить 347 кг. т./МВт×год Питома витрата палива на виробництво теплоти (вQ) в енергосистемі з урахуванням втрат у теплопроводах – 15%, що становить близько 198 кг. т./Гкал.
Основним рівнянням, що визначає співвідношення у виробництві теплоти і споживанні електроенергії в ТН, є відомий вислів коефіцієнта перетворення (трансформації) енергії в ТН:
етн = Q/ (0,86×Е) Приймемо значення коефіцієнта перетворення у разі утилізації теплоти низькопотенційних ВЕР рівним 3,5. Тоді економія первинного палива від застосування ТН, порівняно з альтернативним отриманням теплоти від теплоджерела енергосистеми, складе:
DВтн = (вQ×ε×0,86-ве) Е = (198×3,5×0,86-347) Е = 249×Е, кг. т. Питома ж економія палива в розрахунку на 1МВт×год спожитої електроенергії визначиться величиною:
Dвтн = DВтн/Е = 249 кг. т. /МВт×год Як видно, витрата палива в енергосистемі на виробництво електроенергії для ТН більш ніж на 70% перекривається економією палива на теплопостачання у цій же енергосистемі. Це дуже важлива обставина необхідно враховувати при формуванні тарифу на електроенергію для ТН.
Цілком очевидно, що цей тариф, повинен бути нижче среднесистемного рівня. До такого ж висновку приходимо і при зіставленні вартості виробленої теплоти і спожитої електроенергії. Вартість теплоти в Білоруської енергосистеми в середньому становить близько 19 доларів США/Гкал, а вартість електроенергії — приблизно 40 доларів США/МВт×ч. З наведеного розрахунку видно, що на вироблення 1Гкал теплоти в ТН витрачається 0,33 МВт×год електроенергії. Вартість цієї електроенергії в енергосистемі становить 0,3340=13,2 долара США, тобто в 1,44 рази нижче вартості виробленої теплоти в альтернативному варіанті. З цього випливає, що певне зниження тарифу на електроенергію для ТН в цілях досягнення сукупного економічного ефекту не призведе до падіння рентабельності енергетичного виробництва в енергосистемі.
Третє — більш широке розуміння централізації теплопостачання. Застосування ТН з електроприводом не скорочує централізацію теплопостачання, а переводить її на більш якісний рівень, властивий електропостачальних систем. При цьому спрощується система регулювання подачі теплоти споживачам, від недосконалості якої в даний час втрачається до 20% споживаної теплоти. Істотний додатковий ефект може бути отриманий від ТН, що працюють з акумуляторами теплоти і споживають електроенергію у період нічного провалу добового графіка електричного навантаження в енергосистемі. При цьому досягається економічна вигода обопільна: для ТН — за рахунок понижувальної плати за електроенергію за нічним тарифом, а для енергосистеми — за рахунок зниження собівартості виробленої електроенергії при ущільненому графіку електричного навантаження. Досить ефективно ТН можуть використовуватися безпосередньо в діючих теплофікаційних системах з теплоелектроцентралями. Тут вони можуть застосовуватися для зниження температури зворотної мережної води із забезпеченням додаткової вироблення електроенергії по економічному теплофикационному циклу, а також в системах оборотного водопостачання для поліпшення роботи градирень.
Четверте – свобода вибору приводу для ТН. Безперечно, електропривод є найпоширенішим пристроєм, що зв'язує ТН з енергосистемою безпосередньо. Однак у конкретних умовах міста в якості приводу для ТН можуть застосовуватися детандер-генераторні установки, що використовують надлишковий тиск природного газу в газопостачальної системи, невеликі гідроенергетичні установки, що використовують надлишковий тиск води в системі міського водопостачання та водовідведення внаслідок різниці геодезичних відміток місцевості, вітроенергетичні установки, а також газотурбінні установки та двигуни внутрішнього згоряння. Останні володіють певним перевагою перед іншими видами приводу, оскільки дають можливість підігріву теплоносія після ТН відходять продуктами згоряння до температури, наявної в місцевих системах теплопостачання.
Перевага ТН полягає також і в тому, що вони можуть застосовуватися в комбінації з іншими нетрадиційними теплоджерела, такими, як сонячні водонагрівачі, біоенергетичні установки, установки з переробки і спалювання твердих побутових відходів.
П'яте – можливість використовувати ТН для регулювання структури топливопотребления міста, регіону і республіки в цілому. Справа в тому, що витрати на спалювання різних видів палива на електростанціях і в опалювальних котелень сильно розрізняються. Перехід з природного газу на тверде паливо в питомій обчисленні в опалювальних котелень обходиться значно дорожче, ніж на великих теплових електростанціях. Поки використовуються одні види палива (в умовах Білорусі – це природний газ), вплив ТН на структуру паливного балансу не суттєво. Але варто тільки почати обмежувати постачання природного газу великій енергетиці і для виробництва електроенергії почати використовувати інші види палива (включаючи ядерну), що цілком реально при дефіциті запасів природного газу і зростання його вартості, як ТН стають регулятором структури паливного балансу з отриманням додаткового системного ефекту в сфері паливопостачання.
Можна назвати й інші менш значущі переваги ТН. Але й наведених достатньо, щоб побачити: ТН мають суттєві відмінності від традиційних джерел, які необхідно враховувати при їх економічному виборі.
В даний час немає загальновизнаної методики економічних обґрунтувань ефективності застосування ТН. Її розробка у чому ускладнена відсутністю єдиної типової методики техніко-економічних розрахунків, затвердженої на державному рівні, за прикладом тієї, яка існувала в колишньому Радянському Союзі. Застосовувана зараз при складанні бізнес-планів методика ПРООН оперує критеріями чистого дисконтованого прибутку і пов'язує вибір того або іншого технічного рішення з економічним інтересом інвестора, ставлячи цей вибір в залежність від існуючої на даний момент податкової системи, тарифної та цінової політики, митного законодавства та інших факторів, які з плином часу можуть змінюватися. Цілком очевидно, що для прийняття довгострокових технічних рішень потрібні стійкі довгострокові критерії, які б повною мірою відображали техніко-економічні переваги запропонованого варіанту. В той же час не можна ігнорувати і стан поточної економічної ситуації, в умовах якої належить здійснювати пропонований варіант. По всій імовірності, необхідний компроміс між об'єктивною оцінкою ефективності запропонованого технічного рішення як такого і реальними економічними умовами його здійснення.
Такий підхід необхідно враховувати при розробці типової методики техніко-економічних розрахунків. На даному етапі стосовно до оцінки ефективності ТН пропонується проводити економічне обґрунтування одночасно за двома критеріями: Перший (основний) – сумарні приведені витрати (річні або дисконтовані за розрахунковий період залежно від відмінностей порівнюваних варіантів за фактором часу). У цьому критерії враховуються безпосередньо пов'язані з даним варіантом одноразові капіталовкладення і річні витрати. Споживані паливні ресурси обліковуються за реальною їх вартістю, тепло та електроенергія по фактичним витратам на їх виробництво.
Другий (додатковий) – чиста дисконтована прибуток інвестора від запропонованого варіанту технічного рішення, як це і передбачено методикою ПРООН. Поряд з одноразовими капіталовкладеннями і річними витратами, цей критерій враховує всі податки, платежі за кредитом, митні збори. Всі споживані ресурси і вироблена енергія обліковуються за діючими цінами і тарифами.
Виявлені за даними критеріями оптимальні варіанти можуть збігатися і не збігатися. У разі збігу приймається оптимальний варіант. У разі невідповідності можуть мати місце дві ситуації: перша, коли при переході від одного варіанта до іншого сумарні витрати збільшуються на більший відсоток, ніж відсоток чистого дисконтованого прибутку; другий — коли відсоток зниження чистого дисконтованого прибутку виявляється вищою відсотка збільшення сумарних витрат. У першому випадку перевага віддається оптимального варіанту за критерієм сумарних приведених витрат, у другому – оптимального варіанту за критерієм чистої дисконтованої прибутку.
В економічному обґрунтуванні ТН велике значення має правильно обґрунтований вибір альтернативних варіантів теплопостачання. В загальному випадку ці варіанти треба приймати відповідно до затвердженої перспективної схеми теплопостачання міста стосовно тих споживачів теплоти, які передбачається підключати до ТН.
Якщо ТН передбачаються для теплопостачання конкретного підприємства, альтернативним варіантом є система теплопостачання, прийнята в проекті цього підприємства.
Найбільш характерні альтернативні варіанти для ТН наступні:
• централізована система теплопостачання від ТЕЦ; • централізована система теплопостачання від великих районних котелень; • локально-централізована система теплопостачання від групових і квартальних котелень; • децентралізована система теплопостачання від індивідуальних опалювальних котелень; • децентралізована система теплопостачання від різних місцевих теплогенераторів. В економічних обгрунтуваннях необхідно розрізняти випадки, коли ТН витісняють діючі теплоджерела і коли заміщають нові. Необхідно також враховувати недовантаження діючих альтернативних теплоджерел, так само як і відмінності в надійності теплопостачання і у впливі на навколишнє середовище по всіх розглянутих варіантах.
У той же час слід розуміти, що навіть найдосконаліші економічні обґрунтування не гарантують успіху в практичній реалізації запропонованого варіанту будь-якого технічного рішення. Тут потрібен економічний механізм, що стимулює учасників процесу функціонування цього варіанту, заснований на справедливому розподілі отримуваного сукупного ефекту між ними. Відсутність таких механізмів є однією з найважливіших причин, що гальмують застосування ТН.
При застосуванні ТН з електроприводом основними учасниками процесу теплопостачання є:
• безпосередній власник ТН, допоміжного устаткування і трубопроводів, тобто теплонасосної установки ( ТНУ); • постачальник електроенергії; • постачальник низькопотенційної теплоти; • місцева система теплопостачання (централізована чи децентралізована), з якої ТНУ технологічно пов'язана; • споживач, який отримує теплоту від ТНУ. Для кількісного вираження цих зв'язків необхідні спеціальні економічні дослідження і розробки. Тому тут зупинимося лише на основних принципових моментах побудови цих зв'язків для кожного учасника процесу теплопостачання від ТНУ.
Підлягає розподілу отриманий при застосуванні ТН сукупний економічний ефект в основному визначається об'ємом досягає економії палива по відношенню до найбільш реального альтернативного варіанту і безпосередньо залежить від ціни зекономленого палива.
При формуванні економічного механізму основну увагу слід приділити економічним зв'язкам з електропостачальною системою – постачальником електроенергії для ТНУ. Зараз цей зв'язок односторонній і представлена платою за електроенергію за тарифом. Енергосистема прагне встановити для ТНУ тариф на рівні тарифу для інших промислових споживачів. Для системи теплопостачання з ТН такі тарифи економічно неприйнятні. В результаті виникає дискусія і створюється напруженість у взаємовідносинах. Нами пропонується задіяти зворотний економічну зв'язок, при якій визначена частка сукупного економічного ефекту передається енергосистемі, а частина переданого буде повертатися на ТНУ у вигляді зниженого тарифу. Інша його величина буде витрачатися всередині енергосистеми, забезпечуючи її зацікавленість в електропостачанні ТНУ. З передаються економічним ефектом енергосистема буде отримувати і частину зекономленого палива, відносячи його на рахунок власного енергозбереження. Якщо цю економію палива віднести на споживану ТН електроенергію, то неважко побачити, що питома витрата палива на виробництво електроенергії буде нижче, ніж на електроенергію, що передається іншим споживачам. В цьому не слід вбачати якогось порушення термодинаміки енергетичного процесу, а краще помітити те, що система теплопостачання з ТН створює умови для розвитку теплофікації іншого системного «властивості» замість звичайної суто станційної.
Необхідно формувати економічні зв'язки з постачальниками низькопотенційної теплоти. Зараз вони відсутні, так як потоки цієї теплоти, що надходять в ТН, не оплачуються. Це веде до зниження надійності системи теплопостачання з ТН і робить її менш керованою. Пропонується певну частину сукупного економічного ефекту передавати постачальникам низькопотенційної теплоти у вигляді плати за спожиту низькопотенційну енергію. Доцільно величину цієї плати пов'язати зі значенням працездатності низькопотенційного потоку, тобто з його ексергією. Це буде стимулювати постачальників низькопотенційної теплоти підтримувати температуру потоку на певному рівні і всіляко створювати сприятливі умови для його регулювання. Так само як і в енергосистемі постачальники низькопотенційної теплоти зможуть записувати отриману частину зекономленого палива на свій рахунок енергозбереження і відображати його в зниженні питомих норм енергоспоживання на вироблену ними продукцію.
Необхідно формувати взаємовигідні економічні зв'язки з теплопостачальною системою міста в разі, як позитивного, так і негативного впливу ТНУ. Характер цього впливу підлягає вивченню в кожному конкретному випадку. Негативними можна назвати збиток від розвантаження міської теплопостачальної системи і від зниження вироблення електроенергії на тепловому споживанні.
Підлягають ретельній відпрацювання економічні взаємовідносини із споживачами, які отримують теплоту від ТНУ. Виходячи з умов відкритої ринкової конкуренції в теплопостачанні, ціна на продукцію, що постачається від ТНУ теплоту повинна бути не вище, ніж в альтернативному варіанті теплопостачання. Це положення необхідно дотримуватися навіть у випадку, якщо доведеться на це витратити деяку частку отриманого економічного ефекту. Споживачам необхідно забезпечити більш досконале регулювання відпуску теплоти в порівнянні з традиційними системами теплопостачання, т. к. при цьому сукупний ефект від економії палива збільшується.
Рентабельність роботи системи теплопостачання з ТНУ обумовлюється витратами на її створення і безпосереднім чином пов'язана із співвідношенням тарифів на споживану електроенергію та ціни на відпускається теплоту. Безпосередньо від ціни зекономленого палива залежить і підлягає розподілу сукупний економічний ефект.
З усього вищесказаного випливає, що запропонований економічний механізм в змозі забезпечити прийнятну рентабельність ТНУ, якщо всі перераховані економічні зв'язки будуть оптимальними. Виконані в УП «БЕЛНИИПГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВА» розробки показали, що економічно найбільш ефективно застосування ТНУ там, де вони комплексно інтегровані в інженерну структуру міст і промислових районів. Тому напрями і масштаби застосування теплових насосів доцільно визначати вже на стадіях перспективного планування при розробці генеральних планів міст і районів, проектів територіального зонування та ін. У цьому випадку найкращим чином вирішуються проблеми забезпечення надійності та екологізації теплопостачання міст, глибокої утилізації теплоти низькопотенційних ВЕР не тільки нових, але і діючих об'єктів. Одночасно із застосуванням ТН виникають нові економіко-структурні зміни в системах теплопостачання, скорочується матеріаломісткість систем та експлуатаційні витрати, збільшується наукомістка частина постійних витрат, що відповідає сучасним тенденціям у теплопостачанні.
У Республіці Білорусь, що має обмежені запаси власних паливних ресурсів, застосування теплових насосів віднесено до пріоритетних напрямків енергозбереження. Теплові насоси встановлені на 15 промислових підприємствах, об'єктах житлово-комунального господарства та відпочинку. Як правило, це дослідно-промислові системи теплопостачання з парокомпресійна тепловими насосами, що відрізняються типом, теплопродуктивністю, видом робочого агента, джерелами низькопотенційної теплоти і теплоспоживаючого процесами. У таблиці наведені загальні дані про деяких розроблених авторами і вбудованих системах.
Таблиця Об'єкти застосування теплових насосів Джерело низькопотенційної теплоти Тепло споживач Тип компресорів Вид робочих агентів Схема відбору теплоти Споруди річкового водозабору Річкова вода Опалення, вентиляція і ГВ Гвинтові R134а З проміжним теплоносієм Водонасосні станції II-го підйому Водопровідна вода Опалення Поршневий R22 З проміжним теплоносієм Спіральний R407С З безпосереднім відбором Каналізаційні насосні станції Міські стічні води, Опалення і вентиляція Спіральні R407С З проміжним теплоносієм Грунтові води, міські стічні води Гвинтові R134а З безпосереднім відбором і з проміжним теплоносієм Споруда очищення міських стічних вод Очищені стічні води, Опалення, вентиляція і ГВ Гвинтові R134а З безпосереднім відбором Станції метро
Витяжне повітря Опалення та охолодження Спіральні R22 З безпосереднім відбором Повітря тунелю метро Опалення Поршневі R22 Промислові підприємства
Умовно чисті стічні води Гаряче водопостачання Спіральний R22 З проміжним теплоносієм Оборотна вода Поршневий R22 З безпосереднім відбором Гвинтові R134а Трансформаторні п/ст Трансформаторне масло Опалення, вентиляція і ГВ Спіральний R407С З проміжним теплоносієм
Однак незважаючи на підтверджену досвідом експлуатації ефективність, застосування теплових насосів (ТН) до цього часу розглядається як рядове енергозберігаюче захід, яких в енергетичних програмах безліч. Насправді ж роль ТН в теплопостачанні важливіше. Завдяки своїм технологічним і термодинамічними властивостями вони включають у сферу теплопостачання нові, раніше не задіяні зв'язку, дозволяючи тим самим уникнути ряд проблем, які без ТН вирішити було б складно і дорого, а в окремих випадках неможливо. У цьому виявляються системні переваги ТН порівняно з іншими теплоджерела.
Стисло зупинимося на найважливіших з цих переваг. Перше – можливість використання для теплопостачання потоків низькопотенційних ВЕР та природної теплоти. Це значно розширює ресурсну базу теплопостачання, робить її менш залежною від постачання паливних ресурсів, що дуже важливо в умовах дефіциту і зростання вартості органічного палива.
Одночасно утилізація низькопотенційної теплоти в промисловості створює хороші передумови для підвищення ефективності енерговикористання на підприємствах, зниження собівартості продукції і зростання рентабельності. Наприклад, утилізація низькопотенційної теплоти в системах оборотного водопостачання підприємств дозволяє істотно знизити витрати підживлювальної води і обсяг відведення стічних вод, більш економно витрачати електроенергію на вироблення стисненого повітря та ін Утилізація теплоти міських стічних вод підвищує ефективність роботи міських очисних споруд та скорочує теплове забруднення водойм.
Друге – раціональне використання електроенергії в системах теплопостачання. Досі використання електричної енергії з перетворенням її в теплоту сприймається енергетичною галуззю як нераціональне і збиткове. При цьому, як правило, посилаються на неефективність подвійної трансформації теплоти первинного палива в електроенергію та електричної енергії в теплоту, а також на більш високі витрати на виробництво електроенергії в порівнянні з тепловою. Слід зауважити, що така позиція енергетичної галузі склалася в умовах, коли електроенергія використовувалась для виробництві теплоти безпосередньо, в різних електронагрівачах і електрокотли.
При застосуван ТН електроенергія споживається для трансформації теплоти з порівняно низькою температурою в теплоту з температурою мережі теплопостачання, тобто одночасно реалізується як теплове, так і силове якість електроенергії, завдяки чому досягається економія первинного енергоресурсу. По суті, витрачається в ТН електроенергія заміщає високоякісне паливо: вугілля, природний газ і рідке паливо.
Основний зміст економічного питання у застосуванні ТН з електроприводом полягає в правильній і об'єктивною оцінкою ефективності такого заміщення як по витраті первинного енергоресурсу, так і за рівнем витрат. Розрахунки показують, що пропорції в названому розміні складаються на користь ТН. Простежимо це на спрощеному прикладі стосовно білоруської енергосистеми. Нехай ТН виробляє Q Гкал теплоти і споживає для цього Е МВт×год електроенергії. Питома витрата палива на одержання електроенергії (ве) на замикаючої електростанції Білоруської енергосистеми (Лукомльской ГРЕС) з урахуванням втрат електроенергії в ЛЕП в розмірі 9% становить 347 кг. т./МВт×год Питома витрата палива на виробництво теплоти (вQ) в енергосистемі з урахуванням втрат у теплопроводах – 15%, що становить близько 198 кг. т./Гкал.
Основним рівнянням, що визначає співвідношення у виробництві теплоти і споживанні електроенергії в ТН, є відомий вислів коефіцієнта перетворення (трансформації) енергії в ТН:
етн = Q/ (0,86×Е) Приймемо значення коефіцієнта перетворення у разі утилізації теплоти низькопотенційних ВЕР рівним 3,5. Тоді економія первинного палива від застосування ТН, порівняно з альтернативним отриманням теплоти від теплоджерела енергосистеми, складе:
DВтн = (вQ×ε×0,86-ве) Е = (198×3,5×0,86-347) Е = 249×Е, кг. т. Питома ж економія палива в розрахунку на 1МВт×год спожитої електроенергії визначиться величиною:
Dвтн = DВтн/Е = 249 кг. т. /МВт×год Як видно, витрата палива в енергосистемі на виробництво електроенергії для ТН більш ніж на 70% перекривається економією палива на теплопостачання у цій же енергосистемі. Це дуже важлива обставина необхідно враховувати при формуванні тарифу на електроенергію для ТН.
Цілком очевидно, що цей тариф, повинен бути нижче среднесистемного рівня. До такого ж висновку приходимо і при зіставленні вартості виробленої теплоти і спожитої електроенергії. Вартість теплоти в Білоруської енергосистеми в середньому становить близько 19 доларів США/Гкал, а вартість електроенергії — приблизно 40 доларів США/МВт×ч. З наведеного розрахунку видно, що на вироблення 1Гкал теплоти в ТН витрачається 0,33 МВт×год електроенергії. Вартість цієї електроенергії в енергосистемі становить 0,3340=13,2 долара США, тобто в 1,44 рази нижче вартості виробленої теплоти в альтернативному варіанті. З цього випливає, що певне зниження тарифу на електроенергію для ТН в цілях досягнення сукупного економічного ефекту не призведе до падіння рентабельності енергетичного виробництва в енергосистемі.
Третє — більш широке розуміння централізації теплопостачання. Застосування ТН з електроприводом не скорочує централізацію теплопостачання, а переводить її на більш якісний рівень, властивий електропостачальних систем. При цьому спрощується система регулювання подачі теплоти споживачам, від недосконалості якої в даний час втрачається до 20% споживаної теплоти. Істотний додатковий ефект може бути отриманий від ТН, що працюють з акумуляторами теплоти і споживають електроенергію у період нічного провалу добового графіка електричного навантаження в енергосистемі. При цьому досягається економічна вигода обопільна: для ТН — за рахунок понижувальної плати за електроенергію за нічним тарифом, а для енергосистеми — за рахунок зниження собівартості виробленої електроенергії при ущільненому графіку електричного навантаження. Досить ефективно ТН можуть використовуватися безпосередньо в діючих теплофікаційних системах з теплоелектроцентралями. Тут вони можуть застосовуватися для зниження температури зворотної мережної води із забезпеченням додаткової вироблення електроенергії по економічному теплофикационному циклу, а також в системах оборотного водопостачання для поліпшення роботи градирень.
Четверте – свобода вибору приводу для ТН. Безперечно, електропривод є найпоширенішим пристроєм, що зв'язує ТН з енергосистемою безпосередньо. Однак у конкретних умовах міста в якості приводу для ТН можуть застосовуватися детандер-генераторні установки, що використовують надлишковий тиск природного газу в газопостачальної системи, невеликі гідроенергетичні установки, що використовують надлишковий тиск води в системі міського водопостачання та водовідведення внаслідок різниці геодезичних відміток місцевості, вітроенергетичні установки, а також газотурбінні установки та двигуни внутрішнього згоряння. Останні володіють певним перевагою перед іншими видами приводу, оскільки дають можливість підігріву теплоносія після ТН відходять продуктами згоряння до температури, наявної в місцевих системах теплопостачання.
Перевага ТН полягає також і в тому, що вони можуть застосовуватися в комбінації з іншими нетрадиційними теплоджерела, такими, як сонячні водонагрівачі, біоенергетичні установки, установки з переробки і спалювання твердих побутових відходів.
П'яте – можливість використовувати ТН для регулювання структури топливопотребления міста, регіону і республіки в цілому. Справа в тому, що витрати на спалювання різних видів палива на електростанціях і в опалювальних котелень сильно розрізняються. Перехід з природного газу на тверде паливо в питомій обчисленні в опалювальних котелень обходиться значно дорожче, ніж на великих теплових електростанціях. Поки використовуються одні види палива (в умовах Білорусі – це природний газ), вплив ТН на структуру паливного балансу не суттєво. Але варто тільки почати обмежувати постачання природного газу великій енергетиці і для виробництва електроенергії почати використовувати інші види палива (включаючи ядерну), що цілком реально при дефіциті запасів природного газу і зростання його вартості, як ТН стають регулятором структури паливного балансу з отриманням додаткового системного ефекту в сфері паливопостачання.
Можна назвати й інші менш значущі переваги ТН. Але й наведених достатньо, щоб побачити: ТН мають суттєві відмінності від традиційних джерел, які необхідно враховувати при їх економічному виборі.
В даний час немає загальновизнаної методики економічних обґрунтувань ефективності застосування ТН. Її розробка у чому ускладнена відсутністю єдиної типової методики техніко-економічних розрахунків, затвердженої на державному рівні, за прикладом тієї, яка існувала в колишньому Радянському Союзі. Застосовувана зараз при складанні бізнес-планів методика ПРООН оперує критеріями чистого дисконтованого прибутку і пов'язує вибір того або іншого технічного рішення з економічним інтересом інвестора, ставлячи цей вибір в залежність від існуючої на даний момент податкової системи, тарифної та цінової політики, митного законодавства та інших факторів, які з плином часу можуть змінюватися. Цілком очевидно, що для прийняття довгострокових технічних рішень потрібні стійкі довгострокові критерії, які б повною мірою відображали техніко-економічні переваги запропонованого варіанту. В той же час не можна ігнорувати і стан поточної економічної ситуації, в умовах якої належить здійснювати пропонований варіант. По всій імовірності, необхідний компроміс між об'єктивною оцінкою ефективності запропонованого технічного рішення як такого і реальними економічними умовами його здійснення.
Такий підхід необхідно враховувати при розробці типової методики техніко-економічних розрахунків. На даному етапі стосовно до оцінки ефективності ТН пропонується проводити економічне обґрунтування одночасно за двома критеріями: Перший (основний) – сумарні приведені витрати (річні або дисконтовані за розрахунковий період залежно від відмінностей порівнюваних варіантів за фактором часу). У цьому критерії враховуються безпосередньо пов'язані з даним варіантом одноразові капіталовкладення і річні витрати. Споживані паливні ресурси обліковуються за реальною їх вартістю, тепло та електроенергія по фактичним витратам на їх виробництво.
Другий (додатковий) – чиста дисконтована прибуток інвестора від запропонованого варіанту технічного рішення, як це і передбачено методикою ПРООН. Поряд з одноразовими капіталовкладеннями і річними витратами, цей критерій враховує всі податки, платежі за кредитом, митні збори. Всі споживані ресурси і вироблена енергія обліковуються за діючими цінами і тарифами.
Виявлені за даними критеріями оптимальні варіанти можуть збігатися і не збігатися. У разі збігу приймається оптимальний варіант. У разі невідповідності можуть мати місце дві ситуації: перша, коли при переході від одного варіанта до іншого сумарні витрати збільшуються на більший відсоток, ніж відсоток чистого дисконтованого прибутку; другий — коли відсоток зниження чистого дисконтованого прибутку виявляється вищою відсотка збільшення сумарних витрат. У першому випадку перевага віддається оптимального варіанту за критерієм сумарних приведених витрат, у другому – оптимального варіанту за критерієм чистої дисконтованої прибутку.
В економічному обґрунтуванні ТН велике значення має правильно обґрунтований вибір альтернативних варіантів теплопостачання. В загальному випадку ці варіанти треба приймати відповідно до затвердженої перспективної схеми теплопостачання міста стосовно тих споживачів теплоти, які передбачається підключати до ТН.
Якщо ТН передбачаються для теплопостачання конкретного підприємства, альтернативним варіантом є система теплопостачання, прийнята в проекті цього підприємства.
Найбільш характерні альтернативні варіанти для ТН наступні:
• централізована система теплопостачання від ТЕЦ; • централізована система теплопостачання від великих районних котелень; • локально-централізована система теплопостачання від групових і квартальних котелень; • децентралізована система теплопостачання від індивідуальних опалювальних котелень; • децентралізована система теплопостачання від різних місцевих теплогенераторів. В економічних обгрунтуваннях необхідно розрізняти випадки, коли ТН витісняють діючі теплоджерела і коли заміщають нові. Необхідно також враховувати недовантаження діючих альтернативних теплоджерел, так само як і відмінності в надійності теплопостачання і у впливі на навколишнє середовище по всіх розглянутих варіантах.
У той же час слід розуміти, що навіть найдосконаліші економічні обґрунтування не гарантують успіху в практичній реалізації запропонованого варіанту будь-якого технічного рішення. Тут потрібен економічний механізм, що стимулює учасників процесу функціонування цього варіанту, заснований на справедливому розподілі отримуваного сукупного ефекту між ними. Відсутність таких механізмів є однією з найважливіших причин, що гальмують застосування ТН.
При застосуванні ТН з електроприводом основними учасниками процесу теплопостачання є:
• безпосередній власник ТН, допоміжного устаткування і трубопроводів, тобто теплонасосної установки ( ТНУ); • постачальник електроенергії; • постачальник низькопотенційної теплоти; • місцева система теплопостачання (централізована чи децентралізована), з якої ТНУ технологічно пов'язана; • споживач, який отримує теплоту від ТНУ. Для кількісного вираження цих зв'язків необхідні спеціальні економічні дослідження і розробки. Тому тут зупинимося лише на основних принципових моментах побудови цих зв'язків для кожного учасника процесу теплопостачання від ТНУ.
Підлягає розподілу отриманий при застосуванні ТН сукупний економічний ефект в основному визначається об'ємом досягає економії палива по відношенню до найбільш реального альтернативного варіанту і безпосередньо залежить від ціни зекономленого палива.
При формуванні економічного механізму основну увагу слід приділити економічним зв'язкам з електропостачальною системою – постачальником електроенергії для ТНУ. Зараз цей зв'язок односторонній і представлена платою за електроенергію за тарифом. Енергосистема прагне встановити для ТНУ тариф на рівні тарифу для інших промислових споживачів. Для системи теплопостачання з ТН такі тарифи економічно неприйнятні. В результаті виникає дискусія і створюється напруженість у взаємовідносинах. Нами пропонується задіяти зворотний економічну зв'язок, при якій визначена частка сукупного економічного ефекту передається енергосистемі, а частина переданого буде повертатися на ТНУ у вигляді зниженого тарифу. Інша його величина буде витрачатися всередині енергосистеми, забезпечуючи її зацікавленість в електропостачанні ТНУ. З передаються економічним ефектом енергосистема буде отримувати і частину зекономленого палива, відносячи його на рахунок власного енергозбереження. Якщо цю економію палива віднести на споживану ТН електроенергію, то неважко побачити, що питома витрата палива на виробництво електроенергії буде нижче, ніж на електроенергію, що передається іншим споживачам. В цьому не слід вбачати якогось порушення термодинаміки енергетичного процесу, а краще помітити те, що система теплопостачання з ТН створює умови для розвитку теплофікації іншого системного «властивості» замість звичайної суто станційної.
Необхідно формувати економічні зв'язки з постачальниками низькопотенційної теплоти. Зараз вони відсутні, так як потоки цієї теплоти, що надходять в ТН, не оплачуються. Це веде до зниження надійності системи теплопостачання з ТН і робить її менш керованою. Пропонується певну частину сукупного економічного ефекту передавати постачальникам низькопотенційної теплоти у вигляді плати за спожиту низькопотенційну енергію. Доцільно величину цієї плати пов'язати зі значенням працездатності низькопотенційного потоку, тобто з його ексергією. Це буде стимулювати постачальників низькопотенційної теплоти підтримувати температуру потоку на певному рівні і всіляко створювати сприятливі умови для його регулювання. Так само як і в енергосистемі постачальники низькопотенційної теплоти зможуть записувати отриману частину зекономленого палива на свій рахунок енергозбереження і відображати його в зниженні питомих норм енергоспоживання на вироблену ними продукцію.
Необхідно формувати взаємовигідні економічні зв'язки з теплопостачальною системою міста в разі, як позитивного, так і негативного впливу ТНУ. Характер цього впливу підлягає вивченню в кожному конкретному випадку. Негативними можна назвати збиток від розвантаження міської теплопостачальної системи і від зниження вироблення електроенергії на тепловому споживанні.
Підлягають ретельній відпрацювання економічні взаємовідносини із споживачами, які отримують теплоту від ТНУ. Виходячи з умов відкритої ринкової конкуренції в теплопостачанні, ціна на продукцію, що постачається від ТНУ теплоту повинна бути не вище, ніж в альтернативному варіанті теплопостачання. Це положення необхідно дотримуватися навіть у випадку, якщо доведеться на це витратити деяку частку отриманого економічного ефекту. Споживачам необхідно забезпечити більш досконале регулювання відпуску теплоти в порівнянні з традиційними системами теплопостачання, т. к. при цьому сукупний ефект від економії палива збільшується.
Рентабельність роботи системи теплопостачання з ТНУ обумовлюється витратами на її створення і безпосереднім чином пов'язана із співвідношенням тарифів на споживану електроенергію та ціни на відпускається теплоту. Безпосередньо від ціни зекономленого палива залежить і підлягає розподілу сукупний економічний ефект.
З усього вищесказаного випливає, що запропонований економічний механізм в змозі забезпечити прийнятну рентабельність ТНУ, якщо всі перераховані економічні зв'язки будуть оптимальними. Виконані в УП «БЕЛНИИПГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВА» розробки показали, що економічно найбільш ефективно застосування ТНУ там, де вони комплексно інтегровані в інженерну структуру міст і промислових районів. Тому напрями і масштаби застосування теплових насосів доцільно визначати вже на стадіях перспективного планування при розробці генеральних планів міст і районів, проектів територіального зонування та ін. У цьому випадку найкращим чином вирішуються проблеми забезпечення надійності та екологізації теплопостачання міст, глибокої утилізації теплоти низькопотенційних ВЕР не тільки нових, але і діючих об'єктів. Одночасно із застосуванням ТН виникають нові економіко-структурні зміни в системах теплопостачання, скорочується матеріаломісткість систем та експлуатаційні витрати, збільшується наукомістка частина постійних витрат, що відповідає сучасним тенденціям у теплопостачанні.
Інші статті
