Экономическая оценка потерь теплоснабжения: поэтапная модель

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОТЕРЬ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ:

ПОЭТАПНАЯ МОДЕЛЬ

Аннотация. В статье ставится вопрос об экономической оценке энергетических потерь в цикле теплоснабжения. По ходу исследования авторы определяют понятия цикла теплоснабжения, а также его этапов. Выявляется закономерность поэтапного возрастания стоимости потерь. Предлагается модель экономической оценки потерь теплоснабжения, которая может быть применена для сравнения разных способов теплоснабжения, в том числе электротеплоснабжения и водяного централизованного (теплофикационного).

Ключевые слова. Теплоснабжение, электротеплоснабжение, энергетические потери, энергетическая эффективность.

Osipova K.V., Avksentevskiy I.I.

THE ECONOMIC EVALUATION OF ENERGY LOSSES AT THE HEAT SUPPLY:

THE STAGE MODEL

Abstract. The article deals with a question of the economic evaluation of energy losses at the heat supply. By searching for the answer the author defines the heat supply cycle and its stages. A regularity of the progressing influence of stage energy losses to the cost-based value of the cycle is revealed. The suggested model of energy losses is suitable to compare the different modes of the heat supply, including electric and cogener-ation heat supply.

Keywords. The heat supply, the electric heat supply, energy losses, the energy efficiency.

Настоящее исследование возникло из сомнения в надёжности распространённого в науке способа экономической оценки энергетических потерь, возникающих в теплоснабжении (и энергоснабжении вообще). У этого способа имеются две особенности. Во-первых, потери энергии, возникающие на разных этапах цикла преобразований энергии от производства до потребления, количественно равно относят на потери цикла в целом. В действительности же, потерять (или сэкономить) 10% энергии на этапе производства это экономически не то же самое, что потеря (экономия) 10% на этапе потребления. Во-вторых, потери (или экономию) этапов цикла и всего цикла считают в весе условного топлива, как будто бы потери энергии восполняются только дополнительным топливом. На самом деле, они восполняются и другими ресурсами, стоимостная доля которых в покрытии энергопотерь соизмерима, а иногда и превышает долю топлива. Мы предлагаем экономическую модель цикла теплоснабжения, которая в денежном выражении стоимости цикла более точно учитывает потери, происходящие на разных этапах.

ГРНТИ 06.71.03

© Осипова К.В., Авксентьевский И.И., 2017

Ксения Владимировна Осипова - аспирант Международной высшей школы управления Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Петра Великого.

Игорь Игоревич Авксентьевский - кандидат философских наук, доцент, доцент кафедры социально-гуманитарных наук Российского государственного гидрометеорологического университета (г. Санкт-Петербург). Контактные данные для связи с авторами (Осипова К.В.): 188663, Ленинградская обл., Всеволожский р-н, г.п. Кузьмоловский, Спортивная ул., д. 6., кв. 18 (Russia, Leningrad reg., Vsevolozhsk dist., Kuzmolovsky, Sportiv-naya str., 6-18). Тел.: +7 964 362-78-46. Е-mail: osipova_ksenya @bk.ru.

Сложность построения общей экономической модели теплоснабжения заключается в том, что для разных энергоносителей принято использовать разные единицы измерения. Так, например, для физического измерения количества тепла (величины тепловой энергии) в энергетике используется единица килокалория (кКал). Для измерения количества электроэнергии в энергетике используется единица киловатт-час (кВтч). Общая модель должна учитывать качественно различные виды энергии (например, для электротеплоснабжения - и электрическую, и тепловую), приводя их к единой измерительной системе. Иначе, при сложных математических пересчётах, модель потеряет способность показывать экономический смысл исследуемого предмета.

Мы предлагаем в качестве универсальных физических единиц измерения использовать единицы системы СИ: величина энергии - джоуль (Дж), мощность - ватт (Вт). В качестве основного показателя экономической эффективности теплоснабжения установим затратную стоимость (далее - просто стоимость) теплоснабжения. Поскольку нам предстоит сравнивать системы, хозяйствующие единицы разной технической и экономической мощности, то возьмем основной показатель не в абсолютном, а в относительном (удельном) выражении и далее в этом выражении будем производить все расчёты. Удельная стоимость теплоснабжения будет нами обозначена С, она измеряется в руб./Дж. Эта величина имеет следующий экономический смысл: она показывает, сколько ресурсов (в денежном выражении, в рублях) тратится на полезное преобразование единицы энергии (1 Дж) по ходу теплоснабжения.

Под полезным преобразованием энергии мы понимаем любое целенаправленное изменение свойств энергии, необходимое по технологии теплоснабжения. Такими преобразованиями могут быть изменения качества (вида) энергии (например, из химической в тепловую, из тепловой в механическую, из механической в электрическую и т.д.). К преобразованиям также относятся и изменения пространственного расположения теплоносителя (его передача на расстояние), и изменение времени его действия (хранение). Далее в тексте под «стоимостью», «ценой», «расходом», «тратой» и т.д. будем подразумевать удельную стоимость, цену и т.д., то есть приходящуюся на единицу энергии, преобразуемую в цикле. В иных случаях будем делать специальные оговорки.

Теплоснабжение представляет собой последовательность технических (соответственно и экономических) видов деятельности, в каждой из которых происходит преобразование энергии. Совокупность деятельностей теплоснабжения, взятых в порядке преобразования энергии, назовём циклом теплоснабжения, а сами эти виды деятельности - этапами теплоснабжения. Для каждого этапа имеется показатель Сэт - стоимость этапа теплоснабжения. Тогда для цикла теплоснабжения, состоящего из п этапов, подсчитываем его стоимость по формуле:

Сцикла С1 + С2 + ... + Сп .

Выделим в теплоснабжении четыре основных этапа: этап доставки топлива (или этап топлива - т); этап производства энергии (или этап производства - пр); этап передачи энергии (или этап передачи -пер); этап потребления энергии (или этап потребления - пот). Тогда формула стоимости цикла теплоснабжения приобретает вид:

С = С + С + С + С

Сцикла ' ^Пер ^пот •

В энергетике существенным фактором экономической эффективности является процесс потерь энергии при её преобразовании. Мы поэтому предлагаем различить в стоимости энергии расходы, идущие на покрытие потерь энергии, и иные (все остальные) расходы (в расходах этапа, при необходимости, можно различать капитальные и текущие расходы). Назовём первые расходы этапа стоимостью потерь этапа СПэт, а вторые - просто расходами этапа Рэт. Тогда:

Сэт СПэт + Рэт.

С учётом разделения стоимости этапа на стоимость потерь этапа и расходы этапа, получаем следующую запись стоимости цикла:

Сцикла Ст +

или

С =

цикла т пр пер пот пр пер пот

В последней записи первое слагаемое переобозначим и введем понятие «расходы цикла»:

Р = С + Р+ Р + Р

цикла т пр пер пот

а второе слагаемое назовем «стоимость потерь цикла»:

Ш= СП + СП + СП

цикла пр пер пот

Для экономического описания стоимости потерь этапа, увяжем её с техническим показателем этапа - коэффициентом передачи энергии этапа Кэт (отношение величины энергии на выходе к величине энергии на входе, технически выражающее величину потерь при преобразовании энергии), который, очевидно, имеет численное значение в диапазоне от 0 до 1. Напомним, что мы считаем удельные потери, то есть потери этапа на преобразование единицы энергии (1 Дж). Тогда введение указанного коэффициента означает, что из каждого 1 Дж энергии, поступающего на вход, этап выдаст на выход Кэт Дж, что, естественно, меньше 1 Дж.

Поставим вопрос с другой стороны. Сколько дополнительно энергии надо подавать на вход этапа, чтобы на выходе был ровно 1 Дж? Количество дополнительной энергии на входе должно быть в КВэт раз больше, чем исходной (1 Дж). Назовём этот показатель коэффициентом восполнения этапа:

Квэт = (1 - КэТ) / КэТ > 0.

По сути, КВэт - это просто иной способ представления Кэт. Цель такого представления - предельно проявить экономическое значение энергопотерь. На самом деле, что экономически означает то обстоятельство, что на каждый джоуль энергии, получаемый на выходе этапа, необходимо на входе добавлять КВэт джоулей по причине внутренних потерь? Это означает, что плательщик теплоснабжения (собирательное понятие - тот, кто оплачивает расходы всей цепи теплоснабжения) должен оплатить эти дополнительные джоули, то есть оплатить их преобразование на всех этапах, предшествующих данному.

Например, для восполнения потерь этапа передачи с коэффициентом передачи энергии 80%, на его входе на каждый джоуль необходимо дополнительно подать еще четверть джоуля. Это означает, что плательщик должен дополнительно закупить 0,25 Дж топлива (этап доставки топлива) и оплатить преобразование этой энергии на этапе производства. Кем бы ни был плательщик, траты, покрывающие энергетические потери каждого этапа, мы пока будем записывать на счёт того же этапа. Таким образом, в нашем примере, стоимость потерь на этапе передачи с Кэт = 0,8 будет равна:

СПпер КВпер (Ст + Спр) 0,25 (Ст + Спр).

По аналогии может быть рассчитана стоимость потерь для других этапов, начиная с этапа производства. (Первый этап не имеет показателя СПэт, так как не получает энергию на входе.) В общем виде, для многоэтапного цикла теплоснабжения, получаем формулу стоимости потерь п-ого этапа цикла:

СПп = Квп (С1 + С2 + ... + Сп-1).

Очевидна некая закономерность. Назовём её закономерностью поэтапного возрастания стоимости потерь. В многоэтапном энергетическом цикле стоимость потерь возрастает с каждым последующим этапом. Закономерность действительна для любого энергетического цикла, хотя в настоящем исследовании она нам интересна применительно к теплоснабжению. Поясним существо закономерности, ответив на вопрос, почему так происходит? Стоимость потерь возрастает, потому что с возрастанием порядкового номера этапа увеличивается количество предшествующих этапов, работу которых надо оплачивать для восполнения потерь. В нашем случае определение стоимости цикла происходит по формуле:

Сцикла Рцикла + СПцикла Рцикла + (КВпр Ст + КВпер (Ст + Спр) + КВпот (Ст + Спр+ Спер)).

Для упрощения расчёта возможно выполнить ряд преобразований данной формулы, что не входит в задачи данной публикации. Однако и такого представления формулы достаточно, чтобы оценить степень влияния энергопотерь этапов на цикл. Возьмем, для примера, усреднённые значения коэффициентов передачи энергии и восполнения потерь одинаковые для всех этапов. Допустим, что в некотором четырёхэтапном энергетическом цикле каждый этап теряет 50% энергии. При такой технологии каждый этап, для восполнения своих потерь, будет «запрашивать» у предыдущего этапа в два раза больше энергии, чем ему полагается в «идеальном» состоянии.

Для обеспечения этапа потребления тогда необходима передающая сеть, работающая в два раза больше, т.е. необходимы две сети вместо одной. То есть стоимость цикла повышается на стоимость ещё одной сети передачи. Этап передачи, в свою очередь, тоже требует от предыдущего ему этапа (этапа производства) поставлять в два раза больше энергии. Но поскольку передача работает с удвоенной мощностью, то она заказывает у производства энергии больше не в два, а в четыре раза. Производство, работая в четыре раза мощнее, само теряет половину энергии и поэтому требует в 8 раз больше топлива, чем при «идеальном» состоянии всего цикла. Результаты нашего рассуждения представлены в таблице 1.

Таблица 1

Покрытие энергетических потерь цикла ресурсами этапов при равной энергоэффективности этапов

Этапы Кэт, % КВэт Величина дополнительных ресурсов, покрывающих энергопотери всего цикла

Топливо - - 700%

Производство 50 1,00 300%

Передача 50 1,00 100%

Потребление 50 1,00 -

Для осуществления цикла, работающего по такой схеме, требуется закупать в 8 раз больше топлива, построить и содержать 4 производящих установки вместо одной, построить и содержать две сети передачи энергии вместо одной. Результат впечатляющий. Но какое отношение он может иметь к реальной энергетике? Самое прямое. В самом деле, 50% передачи энергии для тепловых энергопроизводящих установок (ТЭЦ, ТЭС) - показатель средний и даже хороший. В теплопередающих сетях, построенных по неэкономным технологиям, изношенным по давности эксплуатации, работающим на большие расстояния, 50% потерь - показатель нередкий [2]. Что касается потребления, то и здесь, например, в потреблении тепла, при существующих технических условиях потребления (низкая теплозащита сооружений) и отсутствии системы обратной связи от потребления к производству (регулирующей системы), 50% - показатель вполне вероятный [1, 3].

По данным таблицы 1 видно, что энергетические потери последующих этапов геометрически прогрессируют в предыдущие этапы, взвинчивая стоимость всего цикла. Отсюда можно понять, что энергетическая эффективность конечных этапов больше влияет на стоимость цикла, чем энергетическая эффективность этапов начальных. Увеличение коэффициента передачи энергии этапа потребления даст большее снижение стоимости цикла, чем такое же повышение коэффициента передачи энергии этапа производства.

Смоделируем наши рассуждения математически. Попробуем в цикле увеличить Кпот до значения 0,66, что даст КВпот = 0,5. Показатели энергопотерь других этапов оставим прежними. Величина дополнительных ресурсов по этапам для этого случая показана в таблице 2.

Таблица 2

Покрытие энергетических потерь цикла ресурсами этапов при повышении энергоэффективности этапа потребления

Этапы К , % Квзт Величина дополнительных ресурсов, покрывающих энергопотери всего цикла

Топливо - - 500%

Производство 50 1,00 200%

Передача 50 1,00 50%

Потребление 66 0,5 -

Теперь, для сравнения, увеличим до той же величины энергоэффективность производства, т.е. примем: Кпр = 0,66 и КВпр = 0,5. При этом оставим для других этапов одинаковый средний показатель. Результат моделирования показан в таблице 3.

Сравним показатели дополнительных ресурсов по трём таблицам. И первый (табл. 2), и второй (табл. 3) способы повышения энергоэффективности дают одинаковую экономию топлива по сравнению с базовым вариантом (табл. 1): в обоих случаях расход дополнительного топлива уменьшается с 700% до 500%. Однако только в первом случае (повышение энергоэффективности этапа потребления) происходит еще и сокращение дополнительных ресурсов для производства и передачи, соответственно с 300% до 200% и со 100% до 50%. Это делает цикл, построенный на эффективном потреблении, более экономичным, чем цикл, построенный на эффективном производстве.

Отсюда выводится общая закономерность: при прочих равных условиях, энергосберегающая модернизация конечных этапов цикла даёт больший экономический эффект, чем модернизация начальных. Например, денежные средства, вложенные плательщиком теплоснабжения в теплосберегающую реконструкцию зданий, повышающую сохранность тепла на 20%, дадут большую окупаемость, чем те

же средства, вложенные в работы по повышению коэффициента полезного действия теплопроизво-дящей установки на 20%. Т.е. на основании выявленной нами закономерности можно сравнивать экономичность циклов теплоснабжения, построенных по разным технологическим схемам.

Мы проводили такое сравнение для выяснения перспективности электротеплоснабжения, главным конкурентом которого является традиционная для России теплофикационная технология. Особенность последней в том, что она имеет достаточно высокий показатель энергоэффективности этапа производства, за счёт использования остаточного тепла электрогенерирующих паротурбинных установок. Производство электричества в конденсационном режиме, на котором основано электротеплоснабжение, происходит с существенно большими энергетическими потерями. Однако на этапах передачи и потребления электрический ток даёт существенно больше возможностей для экономии, чем жидкий теплоноситель на тех же этапах теплофикационного цикла. Нам удалось вычислить технологические условия экономической эквивалентности цикла электротеплоснабжения и теплофикационного цикла. Результаты приведены в таблице 4.

Таблица 3

Покрытие энергетических потерь цикла ресурсами этапов при повышении энергоэффективности этапа производства

Этапы К , % "зт ' Величина дополнительных ресурсов, покрывающих энергопотери всего цикла

Топливо - - 500 %

Производство 66 0,5 300 %

Передача 50 1,00 100 %

Потребление 50 1,00 -

Таблица 4

Технологические условия экономической эквивалентности циклов теплоснабжения

Этапы Теплофикационный цикл Цикл электротеплоснабжения

Технология к^ % Технология к^ %

Топливо Органическое топливо - Органическое топливо -

Производство Производство тепла на ТЭЦ в режиме когенерации 65 Производство электричества на ТЭЦ (ТЭС) в конденсационном режиме 37

Передача Трубопроводная сеть 75 Электросеть 90

Потребление Радиатор отопления 75 Инфракрасная панель 95

В таблице 4 указаны технологии этапов и соответствующие им значения коэффициентов передачи энергии, при которых стоимость единицы энергии в цикле электротеплоснабжения равна стоимости единицы энергии в цикле теплофикации. Мы брали усреднённые по России показатели энергоэффективности этапов производства, передачи и потребления для теплофикационного цикла. Как видно из таблицы, несмотря на относительно низкую эффективность производства электричества в конденсационном режиме (Кэт = 37%), можно построить цикл электротеплоснабжения, экономически равный теплофикационному, за счёт повышенной энергоэффективности этапов передачи и потребления. При использовании же электрогенерирующих установок более эффективного поколения (с Кэт более 37%) электротеплоснабжение экономически будет выгоднее теплофикации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов Н.В. Электропотребление в бытовом секторе России // Энергосбережение. 2011. № 7. С. 50-57.

2. Башмаков И.А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения в России и за рубежом. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.cenef.ru/art_11212_119_node2.html

3. Окороков В.Р., Окороков Р.В. Концепция электротеплоснабжения в городах страны как механизм повышения их энергетической и экологической безопасности // Вестник ИГЭУ. 2015. Вып. 6.