Системы возврата энергии в газораспределительных сетях

Совместное использование нескольких технологий позволяет получать энергию на этапе понижения давления в распределительных сетях природного газа.

Для достижения максимальной эффективности и объёма при заданных размерах трубы, газ передаётся через магистральные газопроводы, проложенные между штатами США, под давлением 700-1000 psi (1 фунт/ кв. дюйм = 6,895 кПа). Однако это давление не подходит для местных распределительных сетей, подающих газ к жилым и офисным зданиям. Gate stations берут газ из магистральных линий и подают его на распределение под давлением 160-180 psi, причём на более поздних стадиях и на отдельных точках потребления происходит дополнительное понижение давления.

Для понижения давления в данных приложениях традиционно используются простые дроссельные заслонки. Поскольку метан не является идеальным газом, такое понижение давления сильно влияет на температуру, что может привести к замерзанию заслонки, деформировать трубы и вызвать другие проблемы, связанные с охлаждением. Для решения этой проблемы на замерных станциях передачи газа, как правило, стоят котлы и радиаторы, которые нагревают газ прямо перед подачей его на заслонку. К сожалению, при использовании этого подхода теряется много энергии, не говоря уже о том, сколько её потребляется в виде газа для нагрева котла.

Стоимость энергии растёт, поэтому газопроводные компании начали искать способы уменьшить потери, используя турбину или поршневой двигатель вместо дроссельной заслонки. Это позволяет генерировать электричество, и пусть это всего лишь небольшая часть того, что тратится на компрессорной станции, но любая возвращённая энергия может использоваться с пользой. Однако на станциях передачи газа, где был использован такой подход при наиболее эффективном способе возврата энергии, обнаружили, что котлы надо нагревать ещё больше изза более сильного охлаждения на турбине, поэтому полученное «бесплатное» электричество было частично компенсировано увеличившимся расходом газа. Тем не менее, общий эффект был положительным, но поскольку рентабельность таких инвестиций была довольно низкой, газопроводные компании не стали широко реализовывать эту идею.

Добавление топливного элемента

Топливные элементы широко известны своей способностью очень эффективно преобразовывать водород в электричество и тепло, и при совмещении этих двух возможностей эффективность может достигать 85%, что ставит эту технологию на первое место в списке коммерческих методов генерации. Более того, топливные элементы нормально работают на природном газе, давая больше электричества на единицу потреблённого топлива и выделенного углекислого газа, чем любая технология горения. Компания FuelCell Energy и газопроводная компания Enbridge Inc. увидели возможность использовать эти элементы для создания более эффективного средства по получению максимума энергии от процесса понижения давления в трубопроводах.

В системе DFC-ERG (direct fuel cell-energy recovery generation, топливные элементы прямого действия – генерация возврата энергии) используется турбодетандер, подключённый параллельно с топливным элементом, в результате чего они оба генерируют энергию. Тепло от топливного элемента используется на станции для традиционного котла с целью нагрева газа перед турбиной. Этот технологический набор включает в себя обязательный механизм управления и оборудование по согласованию электрических цепей для преобразования переменного тока от генератора и постоянного тока от топливного элемента в трёхфазный переменный ток, который можно передавать в распределительную электросеть. FuelCell Energy и Enbridge совместно владеют этой технологией, причем последняя занимается её продвижением.

Концепция совместного использования турбодетандера и топливного элемента позволяет получить уникальные преимущества обеих технологий для достижения максимальной эффективности

В нормальном режиме работы, традиционные заслонки понижения давления не используются, однако они оставлены в системе как запасной канал на случай выхода из строя основных компонент.

Первая инсталляция на станции Enbridge в Торонто, штат Онтарио, США, находится в данный момент на завершающей стадии конструкции и должна быть введена в действие до конца 2007 года. Эта небольшая тестовая станция будет давать в сумме 2,2 МВт электроэнергии – 1 МВт от турбодетандера и 1,2 МВт от топливного элемента. Тепловой выход от топливного элемента будет использоваться на отдельном котле для предварительного нагрева газа до подачи его на турбину.

Следующая инсталляция, которая выйдет на уровень коммерческого производства, по плану будет осуществлена в городе Милфорд, штат Коннектикут, США. Там будет использован более мощный топливный элемент на 7,2 МВт (3 блока по 2,4 МВт) и турбодетандер на 1,8 МВт, что в сумме составит 9 МВт. Эта станция будет построена под эгидой проекта «Connecticut 100 Project» (см. статью «Коннектикут получает 100 МВт возобновляемой генерации»), который нацелен на популяризацию альтернативных и экологически чистых технологий генерации электричества. Учитывая, что сами станции передачи газа не потребляют много электричества, большая часть электроэнергии, генерируемой на таких объектах, скорее всего, будет продаваться местным распределительным электросетям.

Эффективность таких электростанций по коммерческим стандартам генерации оценивается как высокая. После учета всех потерь на газовый обогрев и понижение давления оценка эффективности составляет приблизительно 60-65%. Эффективность измеряется по отношению получаемой электроэнергии к объёму потребляемого на станции газа. Этот показатель выше, чем у любой технологии сгорания, эффективность которых редко превышает значения 45-50%.

«Основная проблема состоит в том, чтобы вовлечь и заинтересовать газопроводные компании» – утверждает Джон Франчешина (John Franceschina), вицепрезидент по развитию бизнеса компании FuelCell Energy. – «Поскольку станции понижения давления обычно расположены около больших городов, где высока потребность в электроэнергии, предложение ограничено, и действуют строгие стандарты по выбросам, технология DFC-ERG подходит как нельзя лучше».

Высокие эффективности топливных элементов стоят недёшево. Хотя ситуация улучшается, но суммарная стоимость киловатт-часа топливного элемента с расплавленным карбонатным электролитом всё ещё колеблется около $0,15 из-за высокой начальной стоимости. Повышающиеся цены на газ склоняют чашу весов в сторону высокоэффективных технологий, однако системы на топливных элементах часто требуют субсидий для преодоления начальной стадии.

«В добавление к федеральному инвестиционному налоговому кредиту также доступны программы субсидирования энергетических технологий, которые различаются от штата к штату» – говорит Энди Скок (Andy Skok), исполнительный директор отдела стратегического маркетинга компании FuelCell Energy. – «Дистрибьюторы природного газа должны понимать, что мы терпим убытки там, где они просто сжигают газ, и пытаемся создать новый уровень эффективности доставки газа по трубопроводам».