Задача электрогенерации для частного дома (или небольшого фермерского хозяйства или иного объекта с максимальной мощностью потребления в условном диапазоне 10-50 кВт) возникает либо из-за стремления снизить затраты на сетевую электроэнергию, либо решения задачи автономности, когда сетевая электроэнергия недоступна.
При наличии магистрального газа решение задачи простое и состоит в установке малой ГПУ с утилизатором тепла, используемого для горячего водоснабжения и отопления, а в летний период — для охлаждения воздуха (за счет использования абсорбционных кондиционеров).
В отсутствии магистрального газа или недорого его аналога (автономная газификация с использованием сниженного газа) остаются варианты с использованием в качестве топлива угля, древесных пеллет или агропеллет (возможно, и дров, но использование дров более сложно в части автоматизации электростанции), каменного и бурого угля, отработанного моторного масла (ОММ). Ниже рассмотрим возможные схемы генерации со всеми этими вариантами топлива.
Самое простое – использование отработанного моторного масла. По сути, в этом случае решение задачи автономной генерации практически ничем не отличается от такой задачи при наличии магистрального газа, с тем лишь отличием, что вместо ГПУ ставится специализированная ДГУ (расход ОММ примерно 18 л на 100 кВт·ч электроэнергии и до 100 кВт·ч тепла в виде нагретой до +90-95°C горячей воды). Впрочем, в пересчете на единицу энергии стоимость ОММ существенно выше стоимости магистрального газа, а соотношение вырабатываемой электрической и тепловой энергии в большинстве случаев будет отличаться от соотношения потребляемых значений электрической и тепловой энергии с явным и существенным дисбалансом в сторону избытка тепловой. Для устранения такого дисбаланса и снижения себестоимости вырабатываемой электроэнергии целесообразно включение второго контура генерации электроэнергии на базе ORC-сборки с использованием избыточной тепловой энергии. В этом случае общий КПД чистой электрогенерации может составлять величину до 75% против 40-47% при использовании только ДГУ, а значит, пропорционально будет снижена себестоимость вырабатываемой электроэнергии. Например, при стоимости ОММ 22 р/л стоимость 1 кВт·ч электроэнергии составит в первом и во втором случаях 3,96 и 2,48 рубля за один кВт·ч соответственно.
Схемы генерации с использованием в качестве топлива пеллет, угля, дров однотипны и отличаются между собой лишь модификацией оборудования с учетом специфики того или иного топлива. Такие схемы генерации включают автоматический котел-газификатор, в котором твердое топливо преобразуется в газ, систему очистки газа и ГПУ. Когенерация тепла осуществляется на этапе газификации твердого топлива и на этапе утилизации тепла дымовых газов при работе ГПУ. Здесь, так же как и в случае со схемой генерации при использовании в качестве топлива ОММ, целесообразна и экономически оправдана в большинстве случаев установка второго контура электрогенерации на базе ORC-сборки. КПД только электрогенерации первого контура (связка газификатора с ГПУ) составляет около 28-32%, КПД чистой электрогенерации с учетом второго контура составляет 48-54%.
Рассмотренные схемы являются в большинстве случаев оптимальными и единственно экономически оправданными. Конечно, существуют паровые поршневые двигатели, но для их работы потребовался паровой котел и конденсатор-охладитель. Стоимость решения с паровым поршневым двигателем с приемлемым КПД в два-три раза выше стоимости решения с ГПУ/ДГУ. Использование недорогих паропоршневых двигателей, на практике имеющих КПД не более 18%, а КПД чистой электрогенерации не более 15%, делает их применение экономически нецелесообразным, если, конечно, нет источника совсем недорого или даже бросового топлива (но и в этом случае есть куда более оптимальное решение). По той же причине не применимы отечественные недорогие двигатели Стирлинга и электростанции на их базе, имеющие заявленный КПД (на практике, вероятно, еще ниже, исходя из анализа их характеристик и конструкции) в диапазоне всего лишь 10-18% (т.е. при прочих равных, в сравнении с ГПУ, электростанция на базе такого недорого Стирлинга позволит получить электроэнергию в 2,5-4,5 раза дороже). Применение более совершенных двигателей Стирлинга, например, зарубежного производства, с КПД 45-50% в 5-7 раз дороже любого из описываемых здесь решений, что делает его также экономически нецелесообразным.
В публикации намеренно не были рассмотрены варианты с использованием альтернативных источников энергии: солнечных батарей, ИК-коллекторов, ветряков. Их использование возможно и в ряде случаев целесообразно, но все же имеет существенные ограничения, особенно в средней полосе и на севере. Вместе с тем, с технической точки зрения решение задачи автономной генерации частного дома с использованием альтернативных источников энергии интересно и будет рассмотрено в одной из следующих публикаций.