Газовые микротурбины Capstone
О компании
Новости
Энергосистемы
Технологии
Применение
Услуги
Документы
Публикации
Вопросы и ответы
Контакты

Энергия там, где нужно и когда нужно

Д-р Аке Алмгрен
Президент компании «Капстоун Турбин»
Журнал «Ворлд Энерджи», том 4, № 1, ноябрь 2001 г.

В своей книге «Создание богатства: новые правила для индивидуумов, компаний и наций в экономике, основанной на знаниях» известный экономист Лестер Туров из Массачусетского Технологического Института называет развитие немецкой химической промышленности и массовое применение электричества двумя ключевыми элементами второй промышленной революции. Эта революция дала начало фантастическому экономическому развитию в XX веке.

За последние 100 лет энергетическая промышленность предоставила электроэнергию практически всем в развитых и в большинстве развивающихся странах. В целом, это было настолько успешно, что в по крайней мере в промышленно развитом мире мы стали принимать наличие надежной и сравнительно недорогой электроэнергии почти как наше право.

В большинстве стран электроэнергетическим компаниям была предоставлена географическая монополия в обмен на обязанность обслуживать. Эта монополия позволяла им осуществлять долговременное планирование, включающее финансирование и реализацию крупномасштабных проектов по выработке и передаче электроэнергии.

Вопросы экологии и вопросы экономии энергии
Энергетические (нефтяные) кризисы 1973 и 1977 гг. поставили вопрос об экономии энергии, т.е. о создании более энерго-эффективных домов, производственных процессов, энерго-эффективных бытовых приборов и т.п. Все эти факторы привели к снижению роста нагрузки на электросеть во многих районах промышленно-развитого мира до 1—2% в год.

Приблизительно в те же годы озабоченность вопросами экологии стала частью глобального сознания. Все началось с беспокойства по поводу кислотных дождей. В 80-е и 90-е гг. прошлого века, к ним добавилось беспокойство по поводу безопасности ядерных станций и хранения их отходов, мощных гидроэлектростанций, а также глобального потепления. В настоящее время забота об экологии является неотъемлемой частью стратегии энергетического развития. Вероятно, можно утверждать, что сейчас производство электроэнергии является более экологическим, чем когда-либо раньше. Также справедливо утверждение, что для достижения заявленных целей «устойчивого роста» при «нулевых выбросах» нужно сделать еще гораздо больше.

В попытке стимулировать более энерго-эффективное производство энергии, Акт PURPA 1978 года ввел на рынок электричества новых игроков — Независимых Производителей Электроэнергии (НПЭ), а также сделал широко доступной технологию газовых турбин комбинированного цикла, работающих на природном газе (CCGT). НПЭ могли строить и эксплуатировать электростанции на базе CCGT и продавать электроэнергию по привлекательным ценам. Энергетические компании были обязаны покупать эту энергию по ценам равным стоимости производства электроэнергии, которого они избежали. Считалось, что это выгодно для обеих сторон, т.к. позволяло энергетическим компаниям избежать строительства новых мощностей, одновременно создавая мощный стимул для НПЭ рисковать своим капиталом. В ретроспективе, однако, оказалось, что это не всегда было так выгодно для электрических компаний, как ранее ожидалось; в процессе дерегулирования некоторые такие контракты стали частью их попавших в беду( stranded) инвестиций.

В общем, электрическая инфраструктура осталась неизменной, т.е. большие централизованные электростанции и система передачи и распределения электроэнергии, доставляющая ее пользователям, «нагрузка». Была создана еще более технологически усложненная электросеть для передачи и распределения энергии. В среднем электросеть стабильно поставляет электроэнергию 99,9 % времени, а в условиях города — 99,99%. Обычно это называют стандартом 3-х и 4-х девяток, что эквивалентно 8 часам и 45 минутам перерывов в электроснабжении, накопившихся зав год.

Инвестиции в эту электрическую сеть довольно значительны, и, по экспертным оценкам самих компаний, составляют 400—500 долларов за кВт. Эта цифра может ввести в заблуждение. Сегодня, для замены или расширения этой стареющей инфраструктуры более реалистичной представляется сумма фактических затрат, приближающаяся к $800 за кВт.

В основном, поставляющая сторона в электроснабжении была в хорошей форме, но в 80-е гг. прошлого века стали слышны голоса о том, что электроэнергия слишком дорога, причем не в последнюю очередь голоса крупных промышленных компаний, в том числе трех крупнейших автомобилестроительных.

Прекращение регулирования электроэнергетической промышленности
В сложившейся обстановке и в свете успешного дерегулирования во многих других отраслях, включая газовую и телекоммуникационную, считалось, что прекращение регулирования в энергетической промышленности приведет к повышению операционной эффективности и, вероятно, к снижению затрат. Процесс дерегулирования электрической промышленности начался в 90-х гг. с приватизации государственной энергетической промышленности в Великобритании и практически захватил весь мир. Однако будучи приватизированной, она уже не являлась гигантским шагом в дерегулировании промышленности. В условиях собственности государства эта промышленность не требовала большого регулирования.

Совсем наоборот дело обстояло в США, когда они — с их 50-ю правительствами в штатах и 200-ми строго регулируемыми частными электростанциями — начали процесс дерегулирования в 1996 г. по инициативе Федеральной Комиссии по Регулированию Энергетики (ФКРЭ) с принятия инструкций 888 и 889, которые были куда более сложными. Ожидалось, что этот процесс внедрения займет 10 лет, однако, на самом деле, может потребоваться на 5—10 лет больше. Недостаточно конкретизированные правила и несовершенное регулирование не стимулируют инвестиции в производство электроэнергии и еще более снижают интерес к электрическим сетям. Если все должны иметь доступ к электросети по тем же ценам что и ее владелец, зачем инвестировать?

Потребность в энергии высокого качества
Одновременно, в конце 90-ых, начались потенциально более опасные, но гораздо менее громкие перемены, способствующие преобразованиям. Наступает эра цифровой экономики, обозначенная впервые Питером Хубером и Марком Милсом — эра почти «повсеместного» использования микропроцессоров. С быстрым и постоянным ростом Интернета и телекоммуникационной инфраструктуры, потребность в электроэнергии стала расти экспоненциально. Что даже более важно, стали возникать требования к новым уровням надежности. Вместо «3 и 4 девяток» все чаще требуются «5—7 девяток» или выше, электроэнергия высокого качества. Такие требования исходят не только от центров хранения и обработки данных, но и от широкого спектра других видов бизнеса, для которых требуется надежная и качественная электроэнергия. Даже «короткие» перебои в электроснабжении могут привести к большим проблемам и потерям.

Поскольку большинство перебоев с подачей энергии происходит по вине систем распределения, самый очевидный подход к решению задачи бесперебойного электроснабжения — установка на месте резерва из батарей свинцовых аккумуляторов и дизельных генераторов как последней линии защиты. Однако применение батарей имеет серьезные ограничения по энергоемкости, высоким эксплуатационным требованиям и ограниченному сроку эксплуатации. Дизельные генераторы обычно применяются для аварийного энергоснабжения, но их недостатками являются высокие уровни выбросов в атмосферу, высокий уровень шума и вибрации, а также сложность эксплуатации. В большинстве районов США дизельным генераторам запрещается работать более 200 часов из-за загрязнения воздуха.

Распределенное производство электроэнергии
Распределенное производство электроэнергии (РПЭ) представляет собой революционно новый подход к выработке электроэнергии. При производстве электроэнергии непосредственно в местах потребления или очень близко к ним устраняется или, по крайней мере, существенно снижается потребность в сетевой инфраструктуре и связанные с этим затраты.

Основные преимущества РПЭ в следующем:

  • РПЭ — это не только новый способ производства электроэнергии, это еще и новый способ ее доставки и распределения!
  • РПЭ может быть реализовано очень быстро. Обычно это вопрос недель и месяцев, а не лет. В данном вопросе возможность более быстрого наращивания мощности ведет к большей гибкости и меньшему риску.
  • РПЭ позволяет экономить за счет масштабности серийного производства генераторов, а не за счет увеличения размеров отдельного генератора. Установочная стоимость 1 кВт мощности на большой электростанции составляет $500, тогда как для автомобильного двигателя менее $50 благодаря масштабам производства. Поршневые двигатели, используемые для производства электроэнергии, унаследовали, от своих автомобильных корней низкую стоимость и могут конкурировать с CCGT. Главная цель новых РПЭ технологий — поиск путей к массовым объемам производства.

Чаще всего именно установочная стоимость определяет, будет ли применяться данная технология или нет. Тем не менее, при оценивании различных альтернатив следует учитывать много других аспектов. Операционные расходы, включающие затраты на топливо и обслуживание, расходуются в течение всего срока эксплуатации оборудования и, в большинстве случаев, являются более важными. При подсчете стоит также учитывать вопросы экологии и надежности.

Низкая установочная стоимость зависит от массовости производства через организацию эффективных производственных процессов. Однако перейти к массовому производству и, обеспечить низкую цену не так-то просто. К примеру, фотоэлектрические элементы были представлены публике около 30 лет назад при цене около $30 000 за кВт установочной мощности, и, несмотря на постоянно растущие объемы производства и сокращение затрат, их цена еще не ниже $ 4 000 за кВт.

Топливные элементы сталкиваются с еще большими проблемами. На сегодняшний день, самые дешевые топливные элементы стоят $ 4 300 за кВт. В случае использования водородных топливных элементов необходимость создания инфрастуктуры для производства водорода создает новый уровень проблем и затрат, хотя и разрешимых технически, но, скорее всего, в отдаленном будущем.

На этом фоне микротурбины (МТ) выглядят очень многообещающе. При первоначальном уровне установочной цены $ 1 000 за кВт в течение короткого периода времени она снизилась до $ 800 за кВт и ниже. Тем не менее, для широкомасштабного применения МТ должно произойти еще более значительное снижение их цены.

И это может быть достигнуто.

Снижение цены путем расширения применения микротурбин в других областях
Клейтон Кристенсен в своей книге «Дилемма инноватора» описывал, как пробивные технологии нашли свое первоначальное применение в тех областях, где их преимущества дополнились новыми возможностями. Со временем более широкий спектр областей применения ведет к расширению объемов производства и, следовательно, снижению цены. Постепенно новые технологии становятся более эффективными и могут превзойти традиционные и в основных областях применения.

Применяя эту модель к «Кэпстоуну», мы определили 5 основных направлений применения, в которых наша микротурбина имеет большую ценность. Это гибридные электрические средства транспорта, более полное использование природных ресурсов, совместное производство тепла и электроэнергии в малых масштабах, производство электроэнергии повышенного уровня качества и непрерывности, а также сглаживание пиковых нагрузок.

Для гибридных электрических транспортных средств микротурбина служит бортовым генератором, работающим вместе с основной батареей для улучшения их характеристик, в первую очередь пробега. Совмещение экологически чистого производства электроэнергии с ее хранением резко понижает выброс окислов азота и других вредных веществ, снижает эксплуатационные расходы, одновременно повышая пробег между подзарядками и делая возможной реализацию до сих пор не достижимых для чисто электрических автомобилей комбинаций размера, нагрузки и пробега.

В области добычи полезных ископаемых микротурбины позволяют производить электричество из попутных нефтяных газов, биогаза, бросовых газов и т.д. используя топливо которое, в противном случае, не используется и является «бесплатным». Это может быть также вентиляционный или ныне сжигаемый в факелах газ на нефтяных или газовых месторождениях, метан свалок, сточных вод и сельскохозяйственного происхождения.

Микротурбины Капстоун могут работать на высокосернистых газах (с содержанием H2S до 7%) и/или с низкой или переменной теплотой сгорания. Они могут работать без дорогостоящего «посреднического» оборудования (для подготовки газа) с около нулевыми требованиями к условиям эксплуатации и ультра низким уровнем выброса NOx. Это позволяет устанавливать микротурбины непосредственно у скважины, использовать газ затрубного пространства и производить электроэнергию для местных нужд. Отпадает необходимость в строительстве линий электропередачи и/или необходимость постоянного подвоза топлива для дизельного генератора, если он вообще может быть разрешен.

Совместное производство тепла и электроэнергии старается использовать как электрическую энергию, произведенную в процессе генерации, так и отходящее тепло в целях отопления или охлаждения. В таком случае общий КПД превышает 70 % и, в отдельных случаях, доходит до 90 %. Крупномасштабное совместное производство тепла и электроэнергии типа районных ГРЭС широко используется в Европе и Японии. Проблема заключается в том, чтобы найти эффективные по цене решения для удовлетворения потребностей совместного производства тепла и электроэнергии в малых масштабах.

Микротурбины открывают возможность охватить область мелкого, до 100 кВт, совместного производства энергии и тепла на месте. Скоро появиться возможность предложить решения для совместного производства электроэнергии на месте и холода с использованием абсорбционных холодильных установок в комбинации с микротурбинами.

В глобальной перспективе возможность использовать доступное местное топливо — к примеру, природный газ, бросовый метан, керосин, пропан или дизельное топливо — означает, что страны смогут более полно использовать доступную топливную инфраструктуру.

Качество электроэнергии и непрерывность энергоснабжения могут быть значительно улучшены путем производства электроэнергии непосредственно на месте потребления. Исследования показывают, что перебои с электроэнергией в области финансового обслуживания, производств с непрерывным циклом и предприятий по производству пищевых продуктов обходятся очень дорого. Решение этой проблемы с помощью микротурбин предоставляет конечному пользователю набор решений, включая: системы бесперебойного питания на базе МТ, не содержащие батарей или с батареями малой мощности вместо больших батарей и дизельных генераторов, используемых сейчас. Это стало возможным благодаря быстрому запуску МТ и выходу ее на рабочий режим. В более крупных системах, использующих несколько МТ, модульная конструкция еще больше повышает надежность (даже при отказе одной МТ теряется лишь часть мощности).

И, наконец, на более открытом и более усложненном рынке электроэнергии сглаживание пиковых нагрузок с использованием МТ может стать очень привлекательным предложением. Производство электроэнергии на месте с использованием МТ способно защитить конечных пользователей от суточного изменения цен и, в конце концов, позволит с выгодой продавать излишки местной энергии в общую сеть. Еще один пример новых возможностей — комбинирование прерываемой энергии от недорогой электросети с включаемыми в момент отключения энергии МТ для снабжения приоритетных потребителей может явиться наиболее дешевым решением.

Именно этот путь выбрала фирма Капстоун для достижения еще бoльших объемов производства, низкого уровня цен и более широкого применения МТ для полного раскрытия потенциала распределенного производства электроэнергии. И мы уверенно продвигаемся в этом направлении.

С течением времени дальнейший прогресс будет виден и в других возникающих технологиях распределенного производства электроэнергии, например, таких, как фотоэлектрические элементы, которые уже сейчас могут использоваться в качестве строительных элементов для крыш и наружных стен зданий. Это дает возможность более длительной амортизации капитальных затрат, снижая тем самым барьер, созданный довольно высокой себестоимостью. Устойчивый рост спроса также способствует снижению затрат. Для превращения топливных элементов в коммерческий продукт может потребоваться больше времени, но нет никаких сомнений в наличии определенного прогресса и на этом пути.

Экономический рост напрямую зависит от доступности дешевого электричества. Именно поэтому распределенное производство электроэнергии становится все более важным дополнением к традиционным способам генерации, передачи и распределения электроэнергии, Широкое внедрение РПЭ не требует никаких компромиссов со стороны экологии. Уровень выбросов должен быть таким же низким или ниже чем, у больших электростанций. Именно низкий уровень выбросов является одним из основных преимуществ микротурбин и топливных элементов.. Фотоэлектричество, не дающее выбросов, настолько экологически "зелено", насколько это вообще возможно.

Более совершенный энергетический рынок
Технология проделает долгий путь к созданию экологически чистого, эффективного и недорогого РПЭ, но для настоящего широкого внедрения нам также потребуется более совершенный рынок электроэнергии.

До тех пор пока у потребителя нет выбора, нет и рынка. Ценовой механизм, учитывающий дифференциацию в спросе а также и в предложении, по определению, является прерогативой любого рынка. К сожалению, на рынке электричества конечный пользователь был и в значительной степени до сих пор остается «защищенным» и изолированным от истинных рыночных цен. Пользователь, требующий высоконадежное снабжение энергией, скажем 7 девяток, должен быть готовым платить больше чем тот, кто соглашается на поставку энергии с перебоями. Пользователи, требующие экологически чистую энергию продемонстрировали, что они готовы за эту чистоту доплачивать. В данном случае работает эластичность цены: т.е. чем ниже доплаты, тем больше потребителей у конкретного производителя чистой энергии и наоборот.

Потребитель, сглаживающий пиковые нагрузки путем отключения нагрузки или запускающий на это время свои собственные генераторы, должен видеть, как снижаются суммы счетов за электричество, чтобы у него был стимул делать это в дальнейшем. Чем более гибким мы сделаем механизм ценообразования, тем лучше будет функционировать рынок.

В плане использования электрической инфраструктуры те, кто ее используют те и должны за нее платить. Чем отдаленнее генерирующая электростанция, тем дороже должно стоить использование сети. В Великобритании в некоторых случаях обладатели генераторов для распределенного производства электроэнергии не должны оплачивать передающую часть инфраструктуры. В США закон 2000 года вводит концепцию узловых цен на электричество, что имеет экономический смысл.

По контрасту с этим, не имеет никакого смысла то, что передающие электрические компании, так называемые «проводники», не могут использовать генераторы для распределенного производства электроэнергии. Использование ими генераторов мощностью до 2 МВт для распределенного производства электроэнергии существенно помогло бы им оптимизировать системы распределения энергии.

Видимые и скрытые барьеры на пути внедрения распределенного производства электроэнергии в области соединения и резервного питания должны быть удалены. Соединение может и должно проводиться безопасным образом. Требования по соединениям должны соответствовать стандартам, по крайней мере, на уровне. штата Одним из привлекательных аспектов распределенного производства электроэнергии является отсутствие необходимости в централизованном управлении. Оно может осуществляться в автоматическом режиме, поэтому в будущем сведения о цене в реальном времени могут определять необходимость активации или отключения распределенных генераторов. Распределенное производство электроэнергии скорее будет способствовать поддержанию стабильности сети. Вместо того чтобы просить плательщиков по ставкам отключить свои нагрузки — в то время когда они действительно нуждаются в большем количестве энергии — гораздо больше смысла в том, чтобы дать потребителям возможность выбора, когда включать свои собственные генераторы и получать столько мощности, сколько нужно!

Распределенное производство электроэнергии следует в действительности рассматривать, как отличное дополнение к централизованным электростанциям и электрическим сетям, а не как их замену.

Энергия в любом месте и в любое время.
Чисто и понятно.
Теперь.

Д-р Аке Алмгрен — президент и исполнительный директор корпорации Capstone Turbine. Новая американская компания сконцентрировала свои усилия исключительно в области продвижения на рынок микротурбинных энергоустановок. Будучи основанной в 1988 г., Capstone является самым передовым в мире разработчиком, проектировщиком и производителем микротурбинных систем для производства электроэнергии на местах и для использования в гибридных электрических транспортных машинах. После наработки более чем 160 000 тестовых часов, Capstone, в декабре 1998 г., представил микротурбину третьего поколения, модель 330. Семейство моделей мощностью 60 кВт было представлено в 2000 г. До работы в Capstone доктор Алмгрен сделал успешную 26 летнюю карьеру в ASEA Brown Boveri (ABB) Limited, всемирно известной компании по решению проблем производства электроэнергии. За время работы в АВВ на должностях президентов различных подразделений компании, он руководил работой 36 электростанций в 28 странах, и возглавлял проекты «под ключ« в США, Канаде, Бразилии и Индии. До переезда в Штаты в 1991, доктор Алмгрен был президентом компании Autoliv, Стокгольм, Швеция. Под его руководством, данная компания проникла на североамериканский рынок, где расширила деятельность по разработке автомобильных подушек безопасности.

Д-р Алмгрен — доктор технических наук Высшего шведского технического училища в Линчепинге, магистр механики Шведского Королевского Института Технологии.

Он давно выступает в защиту распределенного производства электроэнергии и верит, что микротурбины и другие нарождающиеся технологии явятся все более широким дополнением для традиционных способов производства и распределения электроэнергии.