Енергоінтеграція

Електроенергетика і сектор централізованого теплопостачання нині мало пов'язані між собою, за винятком теплоелектроцентралей (ТЕЦ), які виробляють електричну й теплову енергію, однак морально і фізично застаріли та втрачають обсяги збуту як електричної, так і теплової енергії. Національна електроенергетика складає Об'єднану енергетичну систему України (ОЕСУ), а централізоване теплопостачання (ЦТ) є проблемою місцевих органів виконавчої влади. На національному рівні про централізоване теплопостачання згадують тільки перед опалювальним сезоном у зв'язку з боргами та подорожчанням природного газу або з розривами труб теплових мереж.

Водночас в економічно розвинених країнах, в тому числі в країнах — членах ЄС, реалізовується Стратегія інтеграції енергетики (EU Strategy for Energy System Integration, 2020). При цьому ключова роль відводиться сектору централізованого теплопостачання як ефективному інструменту забезпечення стабільності електроенергетики в умовах перманентного нарощування мінливої сонячної та вітрової електричної генерації.

Для української електроенергетики, основу якої відповідно до Енергетичної стратегії до 2035 року становлять атомні електростанції (АЕС), цілісний підхід до модернізації електроенергетики й централізованого теплопостачання є особливо актуальним. ОЕСУ має гостру потребу в балансуючих потужностях, роль яких на сьогодні виконують застарілі вугільні енергоблоки, які в принципі, так само, як і АЕС, призначені для роботи в базовому режимі, гідроенергетика, потужність якої обмежена, та застаріли ТЕЦ, багато з яких за своїми технічними характеристиками не пристосовані для роботи в сегментах балансуючих і допоміжних послуг ринку електроенергії.

Як стратегічна перспектива підвищення стабільності електроенергетики в умовах нарощування частки мінливої сонячної й вітрової генерації можуть розглядатися потужні мережні накопичувачі електричної енергії та водень як накопичувач енергії. Однак і перший, і другий напрями наразі потребують технологічного вдосконалювання та є занадто дорогими, принаймні для внутрішнього ринку України.

У цих умовах треба по-новому подивитися на централізоване теплопостачання, яке в нас уже є і проблему модернізації якого в кожному разі слід вирішувати досить швидко, бо це не лише технічна, а й гостра соціальна проблема, що стосується половини населення країни. Не говоритиму надалі про проблеми ЦТ, їх достатньо докладно розглянуто в низці аналітичних досліджень, зокрема в публікації ZN.UA (випуск №36, 2019 рік). Тема цієї публікації — синергія електроенергетики та централізованого теплопостачання в контексті декарбонізації енергетики, коли поняття «енергія» асоціюватиметься не з потужною трубою, з якої клубами валить чорний дим, а з величними сріблястими гігантами, які неспішно виконують свою роботу, виблискуючи на сонці скляними конструкціями, що йдуть за обрій.

Так у чому ж полягають синергетичні ефекти цілісного підходу до модернізації електроенергетики й централізованого теплопостачання? Коротко назвемо ці ефекти «спільне вироблення», «задоволення підвищеного попиту», «зрізка піків» і «електроопалення».

Спільне вироблення електричної й теплової енергії (когенерація) — це добре відомий і досить поширений термодинамічний принцип, який реалізовується на ТЕЦ. Теплоелектроцентралі одночасно виробляють електричну й теплову енергію та заощаджують до 30% палива порівняно з роздільним виробленням цих видів енергії на конденсаційних електричних станціях (КЕС) і в теплоцентралях. Однак на практиці вироблення теплової енергії на ТЕЦ в Україні безупинно падає і на сьогодні знизилося в чотири рази порівняно з 1990 роком. Причин кілька: наші ТЕЦ фізично й морально застаріли, вони не конкурентоспроможні на ринку електроенергії порівняно з АЕС і вугільними КЕС, втрати енергії в теплових мережах ТЕЦ суттєві. Однак усі ці причини не скасовують того, що спільне вироблення електричної й теплової енергії — найекономічніший спосіб одержання цих видів енергії. Швидше, навпаки, усунення перелічених бар'єрів — це спосіб розвинути когенерацію в енергетиці України. Слід модернізувати трубопроводи ТЕЦ, виділяючи на це відповідні кошти. Нові ТЕЦ слід будувати не тільки на природному газі, а й на біопаливі та відходах. А збереження і розширення централізованого теплопостачання є наріжним каменем енергоефективного виробництва як теплової, так і електричної енергії.

Задоволення підвищеного попиту на електричну енергію. Добова зміна електричної потужності ОЕСУ може сягати 30%, або 5–6 тис. МВт в абсолютному вираженні. Установлена потужність ТЕЦ, більша частина яких працює на природному газі, становить близько 6 тис. МВт, а фактична зимова потужність — 2,5–3 тис. МВт. Виходить, потужність, яку має ТЕЦ, порівнянна зі змінною складовою добового графіка електричного навантаження Об'єднаної енергосистеми, що створює передумови їх використання для балансування ринку електричної енергії. Однак для реалізації цієї можливості потрібно модернізувати наявні або створити нові маневрені ТЕЦ, здатні одночасно забезпечувати споживачів тепловою енергією і працювати в сегменті балансуючих послуг на ринку електроенергії.

Для цього слід застосувати на ТЕЦ теплові акумулятори й теплові насоси. У періоди зниженого попиту на електроенергію вона використовується в теплових насосах для вироблення теплової енергії, яка накопичується в акумуляторі. А в періоди підвищеного попиту на електроенергію ТЕЦ працює на енергосистему без шкоди для теплових споживачів, використовуючи енергію з акумулятора. Таким чином, основне обладнання ТЕЦ працює в найбільш економічному базовому режимі.

Перспективним напрямом розвитку ЦТ в Україні є також створення маневрених газопоршневих когенераційних установок з визначеною потужністю понад 20 МВт, які працюють у сегменті балансуючих послуг ринку електроенергії та забезпечують населені пункти теплом.

Зрізка піків мінливої в часі сонячної та вітрової генерації — це нова функція централізованого теплопостачання, яка в Україні поки що не реалізована, а в європейській енергетиці є найважливішим драйвером розвитку ЦТ. На технічному рівні реалізація цієї функції потребує включити в структуру ЦТ теплові акумулятори й теплові насоси для підвищення маневреності ТЕЦ. У періоди надлишкової електричної потужності, пов'язаної з підвищеною сонячною і вітровою генерацією, вироблювана електроенергія спрямовується на виробництво тепла, накопичується та зберігається в теплових акумуляторах і використовується в потрібний час для забезпечення споживачів тепловою енергією. Інтенсивність сонячної радіації в літній період майже вдвічі вища, ніж у зимовий, а теплова енергія нам більше потрібна взимку, ніж улітку. Тут допоможуть сезонні теплові акумулятори, технологія будівництва й експлуатації яких добре відома та використовується у світі.

Вітрова електрична генерація більш гармонійно поєднується з теплопостачанням. Узимку ми потребуємо теплової енергії, і вітер узимку дме сильніше, тому можна обмежитися добовими тепловими акумуляторами, які значно менші за обсягом і дешевші, ніж сезонні теплові акумулятори.

Однак повернімося до теплових насосів. Вони не просто перетворять електроенергію на тепло. З цим успішно справляються й електричні котли, які на порядок дешевші. Але теплонасоси черпають енергію з навколишнього середовища, підвищуючи її температурний рівень до потрібних нам опалювальних параметрів. Найбільш перспективними джерелами енергії, тобто середовищем для теплонасосів централізованого теплопостачання, є морська вода (у Чорному морі її температура не падає нижче 7⁰С), каналізаційні стоки (у холодні періоди не нижче 10⁰С), скидна теплова енергія промислових підприємств (може досягати 40⁰С і вище). На ТЕЦ теплові насоси можуть використовувати всю скидну теплову енергію технологічного циклу виробництва енергії, починаючи від вихідних газів котлів і закінчуючи системами охолодження трансформаторів і електрогенераторів.

Електроопаленння доцільно розглядати як регулятор-споживач електроенергетичної системи для вирівнювання нічних провалів споживання електроенергії. Така практика в Україні є, але тільки на рівні індивідуальних споживачів. Поширення цієї практики на рівні окремих будинків і житлових кварталів відкриває широкі перспективи розвитку електроопалення і видається для України актуальним у зв'язку зі збереженням домінуючої ролі АЕС. Автономне електроопалення з використанням відносно дешевої нічної електроенергії низькокарбонового (ядерного) походження — гідна альтернатива індивідуальним газовим котлам. Для реалізації такого рішення треба впровадити пілотні проекти теплоакумулюючого електроопалення, а також підвищити інституціональну спроможність теплопостачальних організацій і співвласників багатоквартирних житлових будинків зі здійснення закупівель електроенергії за мінімальними цінами в періоди надлишкової генерації.

***

Цілісний підхід до енергетики й ключова роль централізованого теплопостачання є базовими положеннями європейської енергетичної політики. До 2050 року в країнах ЄС планується майже в два рази збільшити частку централізованого теплопостачання, переважно на основі когенерації, теплових насосів, використання промислової скидної теплової енергії, сонячної енергії.

Принцип такого цілісного підходу слід задекларувати в Україні на законодавчому рівні та підкріпити відповідними нормативно-методичними документами й практичними кроками.

При цьому важливо враховувати не лише локальний економічний ефект для кожного населеного пункту, а й ефект для всієї електроенергетичної системи. Також слід розробити стимулюючу тарифну політику і підвищити інституціональну спроможність підприємств централізованого теплопостачання по їхній роботі в секторі балансуючих послуг ринку електроенергії.

Централізоване теплопостачання створювалося як елемент цілісної державної енергетичної політики. На сучасному етапі розвитку декарбонізованої енергетики інтегруюча роль централізованої енергетики зросла. Тому модернізацію цього сектору не можна розглядати тільки як завдання місцевих органів влади. Без системної підтримки на національному рівні це завдання не можна вирішити. Взаємодія центральних і місцевих органів влади є вирішальним чинником декарбонізації та підвищення енергетичної ефективності українського централізованого теплопостачання.

Усі статті Євгена Нікітіна читайте тут.