Когенерація в житловому секторі: коли одночасне виробництво тепла й електрики стає вигідним
Мікро-ТЕЦ дає змогу виробляти електроенергію та тепло з одного джерела палива. Загальна ефективність таких систем сягає 88-93%, що на 20-30% краще порівняно з окремим котлом та електрикою з мережі. Технологія підходить для об'єктів із річним тепловим навантаженням понад 15 000 кВт•год та споживанням електроенергії від 3 000 кВт•год. Європейський ринок житлових мікро-ТЕЦ оцінюють у 420 млн доларів США станом на 2024 рік, прогноз на 2033 рік — 900 млн доларів.
Проблема роздільного виробництва
Традиційна схема енергопостачання будинку передбачає окремий котел для опалення та електрику з мережі. Втрати на виробництво та транспортування електроенергії в централізованих мережах досягають 60-65%. Котел працює з ефективністю 85-92%, але виробляє лише тепло. Власник об'єкта платить за дві послуги окремо, без можливості оптимізації витрат.
Власники будинків із значними рахунками за електрику та газ шукають технічні рішення для скорочення витрат. Модернізація котла або утеплення дає економію 10-15%. Установка сонячних панелей працює лише вдень. Акумулятори коштують дорого. Потрібна система, яка виробляє обидва ресурси цілодобово та знижує залежність від зростаючих тарифів на електроенергію.
Мікро-ТЕЦ як комплексне рішення
Система мікро-ТЕЦ об'єднує генератор електроенергії та систему рекуперації тепла у компактному корпусі. Газовий двигун, двигун Стірлінга або паливний елемент обертає генератор. Тепло від роботи двигуна передається теплоносію через теплообмінники. Установка одночасно дає електрику для споживання та гарячу воду для системи опалення.
Директива ЄС 2012/27 визначає мікро-ТЕЦ як установки електричною потужністю до 50 кВт. Житловий сегмент охоплює діапазон 1-10 кВт електричної потужності. Системи підключають паралельно до мережі. Надлишок електроенергії йде в мережу за тарифом зворотного продажу.
Технічні переваги когенерації:
- Електрична ефективність 25-37% залежно від типу двигуна.
- Теплова ефективність 60-65%.
- Загальна ефективність використання палива 88-93%.
- Скорочення викидів CO₂ до 30% порівняно з роздільним виробництвом.
Прототип 2024 року на базі протипоршневого двигуна показав електричну ефективність 35,2% і загальну понад 93%. Ці показники підтверджують технічний прогрес у сегменті.
Доступні технології та моделі
Двигуни внутрішнього згоряння
SenerTec Dachs G/F 5.5 Gen2 видає 5,5 кВт електрики і до 14,7 кВт тепла. Електрична ефективність 26-27%, теплова 61%. Загальна ефективність системи 88%. Модель підходить для великих приватних будинків або невеликих комерційних об'єктів із постійним навантаженням. Система працює на природному газі або зріджених вуглеводневих газах, забезпечує до 6 000 годин роботи на рік.
Китайсько-європейські системи потужністю 8-10 кВт забезпечують 8-10 кВт електрики і 19,5 кВт тепла. Електрична ефективність 25,6%, теплова 62,6%. Загальна ефективність сягає 88%.
Паливні елементи
Viessmann Vitovalor 300-P працює на технології PEM (протонообмінна мембрана). Електрична потужність 0,75 кВт, теплова потужність паливного елемента близько 1 кВт. Електрична ефективність досягає 37%, загальна ефективність системи 81%. Установка включає паливний елемент та пікове газове конденсаційне обладнання для покриття підвищеного теплового попиту. Система працює тихо, має компактні розміри, займає лише 0,65 м² площі.
Паливні елементи показують найвищу електричну ефективність серед усіх технологій мікро-ТЕЦ. Ресурс роботи становить понад 80 000 годин за результатами випробувань. Проєкт ene.field встановив 1 046 систем на паливних елементах у 10 країнах ЄС. Доступність обладнання під час найкращого шестимісячного періоду перевищила 99%. Vitovalor 300-P отримав сертифікацію MCS та працює до 20 годин на добу, забезпечуючи базове електричне навантаження домогосподарства.
Двигуни Стірлінга
Системи на базі двигунів Стірлінга видають близько 1 кВт електрики і 5-6 кВт тепла. Електрична ефективність становить приблизно 15%, теплова — 81%. Інтегрований резервний котел покриває пікові навантаження до 23-26 кВт. Двигун Стірлінга працює тихіше за двигун внутрішнього згоряння, має менше рухомих частин.
Remeha eVita був одним із перших серійних житлових мікро-ТЕЦ на двигуні Стірлінга. Система використовувала вільнопоршневий двигун Microgen з робочим середовищем гелій під тиском 23 бар. Електрична потужність становила до 1 кВт (близько 900 Вт чистої віддачі), теплова потужність двигуна Стірлінга — близько 5,5 кВт. Додатковий газовий пальник забезпечував до 25 кВт для покриття пікових навантажень. Заявлений ресурс двигуна — 50 000 годин, рівень шуму — 46 дБ(А). Систему запустили у 2010-2011 роках у Нідерландах, Німеччині та Великобританії, встановили понад 1 000 одиниць. Той самий двигун Microgen використовували у Viessmann Vitotwin та Baxi Ecogen.
Зараз Remeha (частина BDR Thermea Group, бренд працює як Remeha by Baxi) фокусується на комерційних системах CHP серії R-Gen потужністю 5,5-50 кВт на базі технології SenerTec Dachs. Житлові системи eVita на двигунах Стірлінга більше не виробляються.
Інші великі виробники також розробляли технології мікро-ТЕЦ на паливних елементах. Vaillant ecoPOWER 1.0 на базі двигуна Honda працював у 2011-2017 роках, але був знятий з виробництва. Buderus Logapower FC10 використовував твердооксидні паливні елементи SOFC з електричною ефективністю до 45% і загальною 90%. Система брала участь у демонстраційних проєктах ene.field та PACE, але залишилась на рівні експериментальних установок і не вийшла на масовий ринок. Зараз Bosch Thermotechnology фокусується на традиційних газових котлах та теплових насосах.
Вибір потужності за навантаженням
Мікро-ТЕЦ потужністю близько 1 кВт електрики підходить для будинків площею 150-200 м² із споживанням газу від 20 000 кВт•год на рік. Річне споживання електрики має перевищувати 3 000 кВт•год. За нижчих показників економіка проєкту погіршується.
Системи 5-5,5 кВт обслуговують будинки 300-400 м² або об'єкти з кількома споживачами. Теплове навантаження повинно становити 40 000-50 000 кВт•год на рік. Електричне споживання — від 8 000 кВт•год.
Установки 8-10 кВт застосовують у великих котеджах, міні-готелях, невеликих виробничих приміщеннях. Річне теплове навантаження перевищує 60 000 кВт•год, електричне — 15 000 кВт•год.
Добре ізольовані будинки з низьким тепловим навантаженням не підходять для мікро-ТЕЦ. Система працюватиме короткими циклами, що знижує ресурс і збільшує витрати на обслуговування.
Інтеграція в систему опалення
Мікро-ТЕЦ встановлюють за стандартною гідравлічною схемою для опалювального обладнання. Система працює з буферним накопичувачем тепла об'ємом 300-500 літрів, який компенсує різницю між виробництвом і споживанням. Гідравлічну схему проєктують так, щоб мікро-ТЕЦ працювала базовим навантаженням, а піковий котел покривав короткочасні підвищення потреби в теплі. Підключення до електромережі виконують через інвертор і лічильник двонаправленого обліку для фіксації споживання та віддачі електроенергії.
Економіка проєкту
Вартість системи потужністю близько 1 кВт електрики становить 10 000-15 000 євро з монтажем. Установка 5 кВт коштує 20 000-30 000 євро. Паливні елементи дорожчі: 25 000-35 000 євро за систему 0,75-1 кВт.
Термін окупності залежить від профілю споживання, тарифів на газ і електрику, умов зворотного продажу. За сприятливих умов окупність настає через 7-10 років. За несприятливих — перевищує 15 років.
Річні витрати на обслуговування становлять 3-5% від вартості системи. Потрібна заміна мастила, фільтрів, перевірка електроніки. Ресурс двигуна внутрішнього згоряння — 40 000-60 000 годин. Паливні елементи працюють до 80 000 годин без капітального ремонту.
Економія витрат на енергоносії досягає 20-35% порівняно з окремим котлом і електрикою з мережі. Чим вищі тарифи на електроенергію і чим нижча ціна газу, тим вигідніша система.
Корисно знати
Мікро-ТЕЦ працює в базовому режимі 4 000-6 000 годин на рік. Чим більше годин роботи, тим краща економіка. Об'єкти з постійним споживанням тепла взимку і влітку (басейни, гостьові будинки) дають найвищу ефективність.
Системи можна комбінувати з сонячними колекторами. Влітку колектори покривають потребу в гарячій воді, мікро-ТЕЦ працює менше годин. Це продовжує ресурс обладнання.
Деякі моделі адаптують для роботи на біогазі або суміші водню з природним газом. Це розширює перспективи застосування в умовах декарбонізації енергетики.
Рівень шуму систем становить 45-60 дБ(А). Для житлових приміщень потрібна акустична ізоляція котельні. Паливні елементи і двигуни Стірлінга працюють тихіше за двигуни внутрішнього згоряння.
Європейські виробники дотримуються вимог Директиви ЄС 2012/27 про енергоефективність комбінованого виробництва тепла та електрики. Обладнання проходить сертифікацію за стандартами електробезпеки та підключення до мережі, що гарантує надійність і безпеку експлуатації.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 1 614
