XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Современные требования к энергоэффективности и экологической безопасности вынуждают искать новые подходы к организации теплоснабжения. Одним из наиболее перспективных направлений является использование когенерационных технологий, которые позволяют одновременно производить тепло и электроэнергию. Когенерационные установки, или мини-ТЭЦ, находят широкое применение в отопительных котельных, обеспечивая значительную экономию топлива и снижение выбросов вредных веществ.

Когенерация, или комбинированная выработка тепла и электроэнергии, предполагает использование единого источника энергии для одновременного производства двух полезных видов энергии. В обычных электростанциях значительная часть тепловой энергии теряется, в то время как в когенерационных системах это тепло эффективно утилизируется и направляется на нужды отопления или обеспечения горячего водоснабжения.

Основные компоненты когенерационной установки:

• Двигатель или турбина: Преобразует энергию топлива в механическую энергию.

• Генератор: Преобразует механическую энергию в электрическую.

• Теплообменник: Утилизирует тепло, выделяемое при работе двигателя.

• Система управления: Обеспечивает автоматическое регулирование работы установки.

В современных когенерационных установках используются следующие типы двигателей:

1. Газотурбинные установки (ГТУ).

Основным двигателем газотурбинной установки (ГТУ) является газовая турбина. Принцип её работы заключается в следующем: воздух, который компрессор нагнетает в камеру сгорания, смешивается с топливным газом, создавая топливную смесь, которая затем воспламеняется. Продукты сгорания, обладающие высокой температурой (900–1200 градусов), проходят через несколько рядов лопаток на валу газовой турбины, что приводит к вращению ротора ГТУ. Механическая энергия передаётся электрическому генератору, который соединён с турбиной. Тепло отработанных газов используется в теплоутилизаторе для повышения эффективности установки. Газотурбинные установки используются для установок средней и большой мощности, отличаются высокой надежностью и долговечностью и эффективны при работе на природном газе.

2. Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ГПУ).

Основным двигателем в газопоршневых установках является поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В настоящее время применяются два типа таких двигателей: с искровым зажиганием (бензиновые) и с воспламенением от сжатия (дизельные). Дизельные двигатели могут работать как на дизельном топливе, так и на природном газе с добавлением 5% дизельного топлива для обеспечения воспламенения смеси. В свою очередь, двигатели с искровым зажиганием способны функционировать на чистом газе, включая природный газ, биогаз и другие условно бесплатные газы. ГПУ применяются для установок малой и средней мощности, имеют высокий КПД (до 45% по электроэнергии и до 90% в целом), а также подходят для работы на природном газе, биогазе или дизельном топливе.

3. Топливные элементы (ТЭ).

Топливные элементы (ТЭ) могут функционировать как самостоятельные первичные источники энергии, производя электричество, или быть частью гибридной энергетической системы, например, в качестве дополнения к газотурбинной установке (ГТУ).

Принцип работы высокотемпературного модуля топливных ячеек заключается в следующем: анод и катод внутри модуля разделены мембраной. Когда водород поступает на анод, а кислород на катод, начинается химическая реакция. Мембрана между анодом и катодом состоит из карбонатного электролита. Ионы карбоната (CO₃^-2) проходят через мембрану и достигают анода, где свободный атом кислорода соединяется с водородом, образуя воду, которая стекает вниз. В процессе также выделяются углекислый газ и два свободных электрона. Эти электроны перемещаются по проводнику к катоду, создавая электрический ток. Оставшиеся молекулы CO₂ поступают на катод, где они взаимодействуют со свободными электронами и атомами кислорода из воздуха. Затем углекислый газ участвует в реакции как ионы карбоната. Рабочая температура в модуле составляет примерно 650 °C. Инновационная технология ТЭ, основана на электрохимическом преобразовании топлива, имеют высокий КПД и минимальные выбросы, но пока высокие по стоимости и ограниченные в применении.

Когенерационные установки широко используются в отопительных котельных для:

• Обеспечения теплом и горячей водой жилых и промышленных объектов.

• Снижения нагрузки на централизованные энергосети.

• Повышения энергоэффективности котельных за счет утилизации тепла.

Примеры применения:

Мини-ТЭЦ: Обеспечивают теплом и электроэнергией отдельные здания или микрорайоны.

Промышленные котельные: Используются на предприятиях, где одновременно требуется тепло и электроэнергия.

Коммунальное хозяйство: Применяются для отопления и энергоснабжения больниц, школ, жилых комплексов.

Когенерационные технологии являются эффективным способом повышения энергоэффективности и экологичности отопительных котельных. Их использование позволяет существенно сократить расходы на энергоснабжение и снизить отрицательное влияние на окружающую среду. Продолжение развития когенерационных установок и их сочетание с возобновляемыми источниками энергии создают новые возможности для устойчивого развития теплоснабжения.

Библиографический список

1. Лебедева Е. А. Анализ эффективности использования когенерационных технологий в котельных установках // Приволжский научный журнал (Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет). 2019. № 1 (49). С. 63–69.

2. Иванов А.А., Петров В.В. Применение когенерационных установок в системах теплоснабжения // Энергетика и теплотехника. – 2020. – № 3. – С. 45-52.

3. Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. – М.: Изд-во МЭИ, 2005.

4. Сафонов Л.П., Кругликов П.А., Смолкин Ю.В. Установка паровых турбин при реконструкции котельных // Теплоэнергетика. – 1996. ─ № 1. – С. 23–26.

5. Длугосельский В.И., Зубков В.Я. Надстройка водогрейных котельных газотурбинными установками // Теплоэнергетика. ─ 1999. – № 1. – С. 47–50.

6. Сеннова Е.В., Федяев А.В., Федяева О.Н. Эффективность развития малых ТЭЦ на базе газотурбинных и дизельных установок при газификации регионов // Теплоэнергетика. – 2000. – № 12. – С. 35–39.