Тригенерация: электричество, тепло и холод из газа — когда окупается

Тригенерация — это выработка электричества, тепла и холода из одного газа. Газопоршневая установка (ГПУ) даёт электричество, её тепло зимой идёт на отопление, а летом в абсорбционную холодильную машину (АБХМ) на холод. Топливо используется на 85 % вместо 35–40 %. В нашей модели объекта с 5000 кВт холода своя электроэнергия стоит 3,45 ₽ за кВт·ч против 10 ₽ из сети, окупаемость — 1,9 года.

Схема нужна там, где на площадке есть газ, а нужны три вещи сразу: электричество, тепло и холод — на заводах, в бизнес-центрах, теплицах и дата-центрах, особенно когда сеть не даёт мощность. «Энергия холода» отвечает в такой схеме за холодовой контур: абсорбционные машины Thermax, градирни, насосные, водоподготовку и автоматику.

Чем тригенерация отличается от когенерации?

Когенерация — это электричество и тепло от одной установки. Тригенерация добавляет третий продукт — холод: часть тепла когенерационной установки превращает в холодную воду абсорбционная машина. Без АБХМ летом тепло ГПУ некуда девать, и оно уходит в атмосферу.

С мегаватта газа ГПУ даёт примерно 500 кВт электричества и 500 кВт тепла. В обычной схеме это тепло сбрасывают через радиаторы на крыше контейнера: вы платите за газ и половину результата выбрасываете. Тригенерация забирает горячую воду 90–95 °C и отдаёт её потребителю круглый год, поэтому топливо используется на 85 %, а не на 35–40 %.

Министерство энергетики США в справке по абсорбционным машинам для когенерации пишет, что их часто питают теплом, снятым с двигателей, микротурбин и газовых турбин, и что выгоднее всего они там, где холод или кондиционирование нужны круглый год.

Как устроена схема ГПУ + АБХМ?

У газопоршневой установки два источника тепла: горячая вода рубашки двигателя и выхлопные газы. Под каждый источник ставят свою абсорбционную машину, и разница в холоде между ними — почти двукратная.

Тепло ГПУ	Машина	Холодильный коэффициент	Что важно в проекте
Горячая вода 90–95 °C	одноступенчатая на горячей воде	0,7–0,85	расход и перепад воды, график работы двигателя
Выхлоп 275–600 °C	машина на выхлопных газах	по паспорту, у двухступенчатых 1,3–1,4	противодавление двигателя, перекидная заслонка
Выхлоп 400 °C без утилизатора горячей воды	машина на дымовых газах	с того же тепла вдвое больше холода	байпас газов, когда холода нужно мало

Классическая схема — ГПУ с модулем утилизации отдаёт горячую воду, вода идёт в АБХМ, АБХМ даёт холод. Но регенерацию можно сделать вдвое эффективнее: заказать ГПУ без модуля утилизации горячей воды и подать дымовые газы 400 °C прямо в машину. Такой объект мы реализовали в Казахстане. Честно скажу, это более сложная работа: бывает, что газов много, а холода нужно мало, и часть газов приходится пускать в обход.

Главный расчёт для машины на выхлопе — противодавление. Сопротивление самой АБХМ по газу — 200–250 мм водяного столба, к нему прибавляют газоходы, отводы, заслонку и глушитель. Сумма не должна превышать допустимого противодавления двигателя, иначе ГПУ теряет мощность. Трёхходовая перекидная заслонка при остановке машины или пропадании питания обязана уйти в байпас.

Температура выхлопа зависит от нагрузки двигателя: чем ниже нагрузка, тем выше температура. Поэтому машину подбирают по реальному графику ГПУ при 100, 75 и 50 % нагрузки, а не по одной паспортной точке.

Как меняется баланс тригенерации летом и зимой?

Электричество ГПУ отдаёт круглый год, а тепло меняет адресата по сезону. Зимой горячая вода идёт на отопление объекта, летом — в абсорбционную машину, которая делает воду 7 °C на кондиционирование или технологию. В межсезонье тепло делят между отоплением и холодом.

Сезон	Куда идёт тепло ГПУ	Что получает объект
Зима	отопление, горячее водоснабжение, технология	электричество + тепло
Межсезонье	частично отопление, частично АБХМ	электричество + тепло + холод
Лето	АБХМ	электричество + холод 7/12 °C

Сколько тепла нужно на холод, показывает наш сквозной расчёт: АБХМ на 1000 кВт холода с горячей водой от рубашки ГПУ 90/79 °C. Машине нужно 1430 кВт тепла, это 112 м³/ч горячей воды. По соотношению «500 кВт электричества на 500 кВт тепла» это тепло двигателя примерно на 1,4 МВт электрической мощности — прикидка, точную цифру даёт паспорт ГПУ.

Электричество холодильной станции в этом примере — около 66 кВт без вентиляторов градирни. Станция на электрическом чиллере с COP 5 взяла бы около 245 кВт, в 3,5–4 раза больше. Зато градирня у абсорбционной схемы почти вдвое больше: она сбрасывает 2430 кВт — тепло потребителя плюс всё тепло двигателя, которое пришло в машину.

Правильная расстановка ролей — АБХМ держит базовую нагрузку на постоянном расходе, электрический чиллер берёт пик и резерв. Машина, подобранная на пик по одной цифре холода без графика нагрузки, потом работает на 20 % мощности.

Когда тригенерация окупается?

Тригенерация окупается, когда сходятся четыре условия:

1. На площадке есть газ и лимит на него. Без технических условий от газовой службы схему считать рано.

2. Электричество дорогое или его нет. Техприсоединение стоит около 47 000 ₽ за киловатт, и объект, которому сеть не даёт мощность, вообще не начинается.

3. Тепло и холод нужны большую часть года. Если тепло нужно только зимой, а холод только два летних месяца, двигатель будет работать на радиаторы.

4. Нагрузка длинная: для абсорбционной машины — от 3000–4000 часов в год.

На примере объекта с 5000 кВт холода мы посчитали схему по тарифу 10 ₽/кВт·ч, газу 7 ₽/м³, 8 760 часам в год и средней загрузке 70 %.

Показатель, объект 5000 кВт холода	Значение
Выработка электроэнергии	35,1 млн кВт·ч в год на весь объект
Газ	10,8 млн м³, 75,5 млн ₽ в год
Сервис ГПУ	1,3 ₽/кВт·ч, 45,6 млн ₽ в год
Своя электроэнергия	3,45 ₽/кВт·ч против 10 ₽ из сети
Энергозатраты объекта	133,5 млн ₽ в год против 443,5 млн ₽
Экономия	310,0 млн ₽ в год
Капитальные затраты	715 млн ₽
Окупаемость по модели	1,9 года

Внутреннюю норму доходности под конкретный объект берём из технико-экономического обоснования, а не из типовой модели. На прежнем тарифе 7,5 ₽ та же модель давала окупаемость 3,0 года: чем дороже сетевое электричество, тем быстрее окупается своё.

Честно про минусы. Капитальные затраты выше классической схемы в разы. Сервисных контрактов два, а не один: газопоршневую установку обслуживают отдельно, по моточасам. Лимит по газу дают не везде.

Что будет с холодом, если ГПУ остановится?

Если ГПУ остановится, объект переходит на сетевой ввод, а абсорбционная машина подпитывается теплом от котельной. Поэтому сетевой ввод и резервный источник тепла в схеме тригенерации остаются.

Есть два нюанса. После остановки АБХМ выходит на режим около 30 минут, электрический чиллер — быстрее. Для непрерывной технологии и серверных рядом нужен аккумулятор холода или резервный чиллер. Кроме того, при пропадании питания больше 3 минут абсорбционной машине нужен разбавительный цикл, иначе раствор может закристаллизоваться, поэтому её щит питают от ИБП или резервного ввода.

Где тригенерация с АБХМ уже работает?

Абсорбционные машины Thermax, которые мы поставили, работают на тепле собственной генерации на заводах, в теплицах, торговых и административных зданиях. Несколько объектов:

• АО «Тепличное», Свердловская область — тригенерация на 832 кВт холода: две машины Thermax LT 12 C на горячей воде охлаждают зону фасовки, вода на выходе до 3,5 °C.

• «Сыры Кубани», Выселки — тригенерация на 3 МВт, ледяная вода и кондиционирование.

• «МолПромКубань» — тригенерация на молочном производстве.

• Центральное таможенное управление, Москва — микротурбины Capstone вырабатывают электричество и горячую воду, две абсорбционные машины Thermax делают из неё холод, часть идёт на серверные. Проект примерно 2014 года, работает до сих пор.

• ТЦ «Галерея», Саратов — две машины Thermax 5G 6L C на горячей воде от тригенерации, кондиционирование.

• КГУ «Давыдовка» и «Особино», «Белоруснефть» — машины Thermax LT 14 C и LT 10 C на горячей воде от ГПУ.

• Дом правительства Московской области, Красногорск — три машины Thermax LT 42 T на горячей воде энергоцентра 12 МВт, центральное кондиционирование.

Из мировой практики мне ближе всего Green Data Center Сиракузского университета и IBM в США: 12 микротурбин Capstone, минус 50 % энергии, работает с 2009 года. Абсорбционные машины там тоже Thermax — две двухступенчатые по 150 тонн холода.

Подходит ли тригенерация для дата-центра?

Подходит, и для дата-центра это одна из самых сильных схем: электричество и холод ему нужны одновременно и круглый год. ГПУ питает ИТ-нагрузку, её тепло через АБХМ закрывает охлаждение, а сеть остаётся резервом. Главный выигрыш — не тариф, а снятие лимита мощности.

Для серверных важно резервирование: отказ ГПУ выбивает и электричество, и тепло для АБХМ разом, поэтому нужен второй независимый источник тепла или электрические чиллеры на полную нагрузку. Подробный расчёт газовой схемы и резервирования для Tier IV — в статье про АБХМ для ЦОД, сравнение с другими вариантами — в обзоре пяти схем охлаждения ЦОД.

Что в итоге

1. Тригенерация — это ГПУ плюс абсорбционная машина: электричество круглый год, тепло зимой, холод летом из одного газа. Топливо используется на 85 % вместо 35–40 %.

2. На горячей воде ГПУ одноступенчатая АБХМ даёт холодильный коэффициент 0,7–0,85. Выхлоп 400 °C, поданный прямо в машину, даёт с того же тепла вдвое больше холода, но требует расчёта противодавления и байпаса газов.

3. На объекте с 5000 кВт холода при тарифе 10 ₽/кВт·ч своя электроэнергия стоит 3,45 ₽, экономия — 310,0 млн ₽ в год, капитальные затраты — 715 млн ₽, окупаемость по модели — 1,9 года.

4. Тригенерация окупается, когда есть лимит газа, электричество дорогое или недоступно, а тепло и холод нужны большую часть года.

5. Минусы: капитальные затраты в разы выше классики, два сервисных контракта, резервный источник тепла и чиллер для непрерывных потребителей.

Частые вопросы

Какую АБХМ ставить к газопоршневой установке?

На горячую воду рубашки двигателя 90–95 °C — одноступенчатую машину на горячей воде. Если выхлоп двигателя свободен, машина на выхлопных газах даст с того же тепла больше холода. Выбор делают по паспорту ГПУ: расход и температура выхлопа при 100, 75 и 50 % нагрузки и допустимое противодавление.

Сколько холода даёт ГПУ на 1 МВт газа?

Прикидка по нашим соотношениям: с 1 МВт газа ГПУ даёт около 500 кВт тепла в горячей воде. Одноступенчатая АБХМ с коэффициентом 0,75–0,85 превратит его примерно в 375–425 кВт холода. Точная цифра — только из паспорта двигателя и подбора машины.

Нужна ли в тригенерации градирня?

Да. Абсорбционная машина сбрасывает в градирню и тепло потребителя, и всё тепло двигателя, которое в неё пришло: одноступенчатая — около 2,45 кВт на 1 кВт холода. Площадь под градирни в 2,3–2,5 раза больше, чем у компрессорной схемы.

Чем тригенерация отличается от газовой АБХМ прямого сжигания?

Газовая АБХМ сжигает газ в своей горелке и даёт только холод (зимой — тепло), электричество объект покупает из сети. Тригенерация сначала делает из газа электричество в ГПУ и только потом пускает тепло в АБХМ. Как устроены сами машины, разбираю в статье что такое АБХМ.

Источники

• U.S. Department of Energy, Combined Heat and Power Technology Fact Sheet Series: Absorption Chillers for CHP Systems, DOE/EE-1608, май 2017: PDF.

• Сиракузский университет и IBM, Green Data Center: 12 микротурбин Capstone и две двухступенчатые абсорбционные машины Thermax по 150 тонн холода (кейс NYSERDA).

• Расчёт «Энергии холода» для объекта с 5000 кВт холода, тариф 10 ₽/кВт·ч, газ 7 ₽/м³, 8 760 часов в год, средняя загрузка 70 %.

• Опыт «Энергии холода»: поставка и запуск абсорбционных машин Thermax на объектах тригенерации; сквозной расчёт АБХМ 1000 кВт на горячей воде ГПУ.

Больше материалов — в разделе АБХМ и тригенерация.

Подобрать решение под ваш объект — получить консультацию