Достоинства и недостатки отдельных систем и установок энергетики возобновляемых источников энергии

Осадчий Г.Б., инженер

Соотношение между ценами производства и потребления в среднем по России равняется двум, что обусловлено транспортными, снабженческо-сбытовыми, налоговыми и прочими начислениями, а также особенностями хранения реализуемой продукции и обеспечения жизнедеятельности объектов сферы услуг. При этом по отдельным регионам цены потребления различаются значительно. Удельный вес, например, транспортных расходов в цене потребления составляет в среднем около 10 %, а при поставке на значительные расстояния — около 50 %. Удельный же вес расходов на хранение определяется в основном энергопотреблением.

В результате прибыль производителя сведена к минимуму, а основная часть прибавочной стоимости реализуется в сфере обращения, что снижает рентабельность производства и значительно повышает цену потребления против цены предложения. Львиная доля в разности цен, потребления и производства приходится на то с какой эффективностью, в каком виде и какими средствами проводится энергосберегающая политика не только в сфере услуг, но и в сфере производства энергии. Сфера услуг, особенно связанная с использованием искусственного холода и тепла, сама зависит от цены и дефицита тех или иных видов энергии.

Дефицит энергоресурсов в России обусловлен не только тем, что у нас самая холодная в мире зима и большие расстояния до мест добычи энергоносителей но и потому, что современные системы жизнеобеспечения промышленного производства, жилья, сельского хозяйства, строительства не используют, в частности, для энергосбережения при эксплуатации стационарных энергогенерирующих установок и систем тепловые приводы и резкие сезонные колебания температур, достигающие 50 – 70 ⁰С, а базируются в основном на технологиях времен всеобщей индустриализации страны (первой половины прошлого века).

Значительные финансовые ресурсы, большое количество топлива, а значит и электроэнергии расходуется из-за того, что разнообразные потребители топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в прошедшие годы были переориентированы на использование технологий с применением в качестве универсального вида энергии — электрической энергии.

Централизованное производство электрической энергии с использованием ее для совершения у потребителя необходимых ему видов работ по жизнеобеспечению зданий и производства было выгодно только с экономической точки зрения; когда электрическая энергия отпускалась по льготным тарифам и электрические сети содержались в удовлетворительном состоянии, так как для объектов с низкими объемами потребления, где невозможна унификация это упрощало номенклатуру, в частности механизации, холодо(тепло)генерирующего и холодо(тепло)использующего оборудования.

В настоящее время, когда россиянам уже не гарантируется надлежащее электроснабжение и цены на электроэнергию резко возросли, необходимо уже не только с экологической, но и с экономической точек зрения переход на использование более дешевых видов энергии. При этом необходимо резко сократить потребление высоколиквидной электрической энергии.

Известно, что в процессе добычи, производства, транспортировки, хранения, потребления органических энергетических ресурсов (топлива), на всех перечисленных последовательных этапах продвижения энергии первичных источников и на всех ступенях использования энергии в материальном производстве и сфере услуг в целом теряется около 90 % энергии по сравнению с первоначальным уровнем.

Все это приводит к запредельному потреблению ТЭР и расходу средств на борьбу с загрязнением окружающей среды и связано оно в первую очередь с большим количеством технологических переделов, которым подвергаются органическое топливо и генерируемые виды энергии на пути к потребителю, ведущих к тому же к резкому удорожанию традиционного энергоснабжения.

Одним из путей снижение доли в разности цен, потребления и производства является выработка необходимых видов энергии на децентрализованных (удаленных) территориях за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

В электронных изданиях широко представлены под различными названиями многочисленные системы и установки энергетики ВИЭ, каждая из которых имеет в зависимости от географического положения потребителя энергии, режима эксплуатации, временных потребностей в тех или иных видах энергии свои преимущества и недостатки.

Предлагается оценка достоинств и недостатков отдельных систем и установок энергетики ВИЭ, призванных обеспечивать водоснабжение, выработку механической и электрической энергий производство холода и тепла в средней полосе России. Возможности энергетики ВИЭ по обеспечению этими видами энергии приведены в таблицах 1 – 10.

Это — сводный анализ наиболее эффективных; с точки зрения минимизации: энергетических потерь; расхода создаваемых человеком материалов; отрицательного воздействия на окружающую среду и человека, технологий использования в средней полосе России наиболее распространенных видов ВИЭ — энергии Солнца, в том числе, аккумулируемой солнечным соляным прудом [1] и ветра (ВЭУ).

Таблица 1 – Достоинства и недостатки систем и установок энергетики ВИЭ, призванных обеспечивать водоснабжение в средней полосе России

* коэффициент использования установленной мощности

Конечно, перечень, ВИЭ для водоснабжения может быть расширен за счет гидроэнергии, ДВС, работающих на биогазе и т.п.

Однако гидроэнергия — это источник энергии ограниченного использования, а биогаз, как высоколиквидное топливо, более всего подходит для применения в ДВС транспортных средств.

Акцентирование внимания на том, что в системе солнечного водоснабжения нет использования электроэнергии; обуславливается не только тем, что использование электричества для целей водоснабжения не выгодно в стационарных условиях (даже в условиях сверхплотной городской застройки) не только с энергетической точки зрения. А потому, что медики объявили об открытии новой болезни, присущей современной цивилизации — синдрома электромагнитной гиперчувствительности (СЭГ).

СЭГ проявляется у людей, проживающих вблизи источников сильного электромагнитного излучения — высоковольтных линий электропередач, передатчиков и т.п.

Среди наиболее часто встречающихся симптомов СЭГ выделяют головную боль, воспаление глаз, головокружение, тошноту, кожную сыпь, припухлость лица, слабость, быструю утомляемость, боли в суставах и мышцах, зуд в ухе, тяжесть в животе, затруднение дыхания и нарушение ритма сердца. Мощность радиоволн в крупных городах в 2 млн раз превосходит естественный фон, который создает Солнце. Кроме радиоволн есть и множество других источников электромагнитного излучения — электропроводка, телевизоры, компьютеры, осветительные приборы и так далее. Жители Северной Америки подвергаются в среднем в два раза большему воздействию электромагнитных полей, чем в Европе. Это связано с тем, что в США напряжение в электрической сети вдвое меньше европейского стандарта (100 В против 220 В), а ток, соответственно, в 2 раза больше. Тактика лечения СЭГ до сих пор не разработана. По всей видимости, аналогичное воздействие оказывает электромагнитное излучение, особенно высокой плотности на другие живые организмы (животных, птицу, рыб, растения).

Следовательно, водоснабжение за счет использования энергии солнечных соляных прудов и ветра (без промежуточной выработки электрической энергии) повышает его (водоснабжения) экологическую безопасность.

Таблица 2 – Достоинства и недостатки систем и установок энергетики ВИЭ, призванных обеспечивать производство механической энергии в средней полосе России

Таблица 3 – Достоинства и недостатки систем и установок энергетики ВИЭ, призванных обеспечивать производство электрической энергии в средней полосе России

Таблица 4 – Эксплуатационные характеристики электрогенерирующих установок в средней полосы России

Таблица 5 – Экономические особенности электрогенерирующих установок для средней полосы России

Таблица 6 – Социальные и экологические характеристики электрогенерирующих установок в средней полосе России

*загрязнение окружающей среды при изготовлении

При производстве механической и электрической энергии от ВИЭ не используется вода в том традиционном виде, в качестве теплоносителя-охладителя, как при работе ТЭЦ. И это придает этим технологиям более высокую эпидемиологическую безопасность.

Вода — естественный природный теплоноситель, с её помощью отводятся избытки тепла от агрегатов традиционных тепловых электростанции при производстве электроэнергии. Её надо охлаждать и, охлажденную, вновь вернуть на предприятие, замкнув тем самым производственный цикл.

В современной энергетике используются в основном два способа её охлаждения — в градирнях и прудах-охладителях. Градирни при своем зарождении служили при добыче соли выпариванием. Сегодня они используются как устройства для охлаждения воды воздухом в оборотной (циркуляционной) системе водоснабжения. Они дожили до наших дней, достигнув циклопических размеров: более 120 м в высоту и 400 м² в основании.

Градирни отрицательно воздействуют на среду обитания с эпидемиологической точки зрения. Градирня — это постоянный источник питательной среды для бактерий и микроводорослей: здесь нет губительного действия солнечного света, зато есть теплая вода — благодатнейшая среда для их развития. Теплая вода взаимодействует и с элементами конструкции, и с охлаждающей системой.

Борьба с микрофлорой внутри градирни (подкисление, фосфатирование, хлорирование, газация и т. д.), отрицательно влияет на саму конструкцию. Вместе с испаряемой водой (испарение 1 % воды понижает её температуру на 6 ⁰С, что и является целью работы градирни), как отмечают экологи, рассеиваются патогенные бактерии и вирусы, что приводит к росту заболеваний в районах, находящихся рядом с градирней. Для архитекторов градирня — яркий пример антиэкологической, агрессивной визуальной среды для зрительного восприятия, для биологов — невозможность использовать теплую воду, прошедшую градирню, для любого биологического производства. Для энергетиков и покупателей энергии тоже с относительной ценностью: охлаждение водой увеличивает издержки на производство электроэнергии на 5 % (сухой более чем на 25 %), КПД электростанции снижается при этом на 1 % (с сухой — на 6 – 8 %), а для населения это рост тарифов. При использовании градирни порочен сам принцип «охлаждения ради охлаждения», без какой либо пользы, без попыток заставить теплую воду работать и вывести её из категории «тупикового» продукта с «отрицательной» стоимостью (с учетом затрат на отвод тепла в атмосферу). Тем более что по мере развития и совершенствования традиционной энергетики растет и температурное качество теплой воды: если у ТЭС зимой она не повышается выше + 8 – 11 ⁰С, то у АЭС зимой она не опускается ниже + 18 – 20 ⁰С, а летом поднимается до + 35 – 40 ⁰С.

Таблица 7 – Достоинства и недостатки системы холодотеплоснабжения на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом/талой водой для средней полосы России

* использование естественного холода в холодосистемах производственного цикла обеспечивает снижение энергозатрат при генерации холода в 8 – 10 раз. Холод котлована можно использовать летом для охлаждения аккумуляторных батарей ВЭУ, трансформаторов, инверторов, теристоров и т.п.

Таблица 8 – Эксплуатационные характеристики системы холодотеплоснабжения для средней полосы России

Таблица 9 – Экономические особенности системы холодотеплоснабжения [1] для средней полосы России

Таблица 10 – Социальные и экологические характеристики системы холодотеплоснабжения  для средней полосы России

Солнечный соляной пруд и котлован со льдом/талой водой рассмотренных выше систем в течение всего периода эксплуатации можно использовать в качестве противопожарных водоемов, которые могут оставаться таковыми и после прекращения работ систем.

Запас воды на тушение пожара должен быть достаточным для подачи 10 л/с в течение 3 часов. Такое количество может храниться в котловане глубиной 1,5 м с зеркалом 70 м² [2].

Статистический анализ пожаров на объектах хранения, переработки и транспорта нефти и нефтепродуктов, проведенный за последние 10 лет ХХ века, показывает, что из 200 пожаров более 80 % произошло в наземных резервуарах. В резервуарах с сырой нефтью — 26 %, с бензином — 49 %, а в резервуарах с мазутом, дизельным топливом и керосином — 24 %.

Кроме этого, имели место пожары в насосных станциях по перекачке нефтепродуктов и нефтей, а также на железнодорожных и автомобильных эстакадах.

При пожарах сгорело несколько миллионов тонн нефти и ее производных, а для локализации и тушения пожаров, потребовалось огромное количество воды, а на привод противопожарной техники израсходовано несколько миллионов литров топлива.

За последние 5 лет ХХ века в лесах, находящихся в ведении Федеральной службы лесного хозяйства России, зарегистрировано 81,2 тыс. пожаров. Около 80 % пожаров в лесном хозяйстве возникает по вине человека, 20 % — от грозовых разрядов. В густонаселенных районах большинство пожаров возникает, как правило, не от гроз, а по вине человека. Места возгораний здесь сравнительно доступны, но при значительном их количестве нередко оказывается невозможным без достаточного количества воды, имеющимися силами и средствами своевременно потушить все очаги.

Пожары возникают на лесозаготовках, лесоперевалах, на базах прописки энергетических средств — тракторов, сложных специализированных машин предназначенных для лесовосстановления и так далее.

Эти пожары, входящие в число пожаров по вине человека, и приведшие к сгоранию и повреждению заготовленной древесины, зданий, сооружений, машин и так далее в прямом ущербе от лесного пожара занимают весьма скромное место — 2%.

Львиная доля затрат приходится на тушение — это оплата привлеченных сил и средств пожаротушения, их обслуживание, расходы на использование авиации — 33 %.

Огромный расход воды и топлива при тушении пожаров леса, нефти и ее производных обуславливается тем, что высокая температура пламени (до 1200 ⁰С) требует тепловой защиты близлежащей заготовленной древесины, установок, емкостей, арматуры, заполненных, как правило, взрывоопасными средами. Для исключения перегрева, возгорания, взрыва, их надо поливать водой, т. е. большая доля топлива и воды в противопожарной технике расходуется на локализацию пожаров.

Отсутствие достаточного количества воды приводит к выходу огня на «простор».

Рассредоточенность пунктов хранения и отпуска нефтепродуктов, заготовки, переработки и хранения древесины диктует, при плохих дорогах, развитие сети альтернативного пожаротушения среднего звена. Необходимо иметь достаточные в течение всего года запасы воды, позволяющей до прибытия штатных пожарных самим не только локализовать пожар, но и быстро его ликвидировать с минимальными энергетическими и материальными затратами, с минимальной тепловой нагрузкой на биосферу.

В настоящее время для борьбы с лесными пожарами Вырицкий ОМЗ выпускает высоконапорные мотопомпы МЛВ-1, МЛВ-2/1,2, плавающую МЛП-0,2, а ЦОКБ “Лесмаш” - низконапорную МЛН-3/0,35.

Высоконапорные мотопомпы, особенно МЛВ-2/1,2, хорошо зарекомендовали себя при тушении лесных пожаров, и с успехом могут применяться для локализации и тушения пожаров в жилищно-коммунальном секторе.

При выводе систем на безе солнечных соляных прудов и котлованов из эксплуатации в выемках прудов и котлованов можно также возводить сооружения для выращивания грибов. В пруд и котлован закачивать грунтовые воды для «выдержки» и подогрева перед поливом. А также для замочки деревянных бочек. Для испытания крупногабаритных изделий на герметичность, на коррозионную стойкость в морской воде. Для флотации.

Вода в отличие от пластмасс, используемых в солнечных коллекторах, не разрушается от ультрафиолетовых лучей. Срок эксплуатации её не ограничен.

Немаловажен и такой факт. Утилизация систем энергетики ВИЭ не идёт ни в какое сравнение с проблемами, с которыми сталкиваются АЭС, — некуда девать отработанное ядерное топливо, нет хранилищ по международным меркам, которые были бы признаны безопасными. Хранилища пристанционные переполнены. Атомные станции, многие из них уже отслужили свой срок, и их надо выводить из строя, Однако на вывод из строя требуются такие же деньги, как на строительство атомных станций (2000 – 3000 $/кВт), этих денег атомная энергетика тратить не хочет. Поэтому они правдами и неправдами продлевают срок службы атомных станций ещё на 10 – 15 лет, надеясь, что проблема будет решена после того, как они уйдут от службы. Это делает российскую атомную энергетику ещё более опасной. Нельзя ездить без конца на автомобилях — они стареют. Как вы его ни ремонтируйте, старый автомобиль есть старый автомобиль, он гораздо более опасный, чем новый автомобиль. Примерно в таком же состоянии находится не только атомная энергетика, но как показала жизнь и ГЭС.

Все окружающие нас предметы, машины, изделия имеют определенные этапы жизненного цикла: проектирование, производство, эксплуатация, образование отходов. Далее происходит их утилизация.

Чрезвычайно важная и быстро надвигающаяся на нас проблема — это проблема потребления ресурсов. Это принципиально новый подход к технологии производства продукта.

Стратегической перспективой для решения этой проблемы является, глобальный рециклинг, когда практически все ресурсы, возможно, использовать в производстве, кроме полигонов твердых бытовых отходов, которые необходимо временно захоронить в ожидании развития новых технологий их использования или уничтожения.

Важнейшей задачей остается и необходимость создания материалов, которые можно было бы использовать, в глобальном рециклинге, что позволяет исключить такие понятия, как отходы. Природа дала нам такой материал, и он издревле был познан, принят человечеством — это драгоценные металлы: золото, серебро, а в настоящее время и элементы платиновой группы. Дело в том, что коэффициент их повторного использования составляет 97 – 99 %. При современных технологиях коэффициент использования чисто углеродистых графитовых материалов, углеродных волокон 85 – 90 %. Однако объемы первых групп крайне низкие и какой-либо существенной роли они не играют. Серьезной проблемой становятся цветные металлы с точки зрения их производства и высоких затрат энергии.

Значительный интерес представляет рециклинг цветных металлов (алюминиевых сплавов, титановых, медных и некоторых других) с коэффициентом использования 75 – 80 %.

Использование железного лома и его сплавов, воспроизводство которых составляет 65 %, давно признано одним, из наиболее эффективных.

И в тоже время одним из наиболее распространенных методов утилизации органосодержащих отходов в постсоветских странах является их захоронение или складирование. Это влечет за собой ряд проблем — отчуждение территорий, загрязнение атмосферного воздуха, почвы, поверхностных и грунтовых вод. Такие методы также не оправданы с экономической точки зрения, т.к. являются затратными и ставят предприятие в зависимость от сторонних организаций.

И, как известно более 70 % производимых человеком материалов, веществ не имеют природных утилизаторов.

Эти проблемы также можно отнести к критериям оценки эффективности инновации, в том числе в энергетике ВИЭ.

Конечно, энергетика ВИЭ не может идти по пути автомобилистов, использующих утилизацию дорогих металлов для защиты окружающей среды. Глушители европейских автомобилей оснащены катализатором из платины и палладия. С их помощью можно почти полностью избавиться от угарного газа в выхлопе автомобиля, а большую часть оксидов азота превратить в безвредные соединения. Однако эти металлы очень дороги и со временем расходуются.

Поэтому в энергетике ВИЭ нужно стремиться создавать технологии с высокими коэффициентами использования существующих природных материалов и повторного использования этих материалов, и материалов, из которых изготовляется оборудование.

Целый ряд экологических факторов утилизации, влияющих на жизнь и здоровье людей, развитие экосистем связан с производством. Рассмотрим это на примере аэропорта. Его деятельность, связана, в частности, с эксплуатацией и обслуживанием наземных средств передвижения, зданий и сооружений и основана, на использовании добытого и переработанного топлива, масел, специальных жидкостей и т.п. Это также усиливает техногенную нагрузку на окружающую среду. Действительно, любое предприятие, в том числе авиатранспортное, вовлекает в сферу производства сырье и природные ресурсы, а обратно в окружающую среду направляет лишь одни отходы. А ведь авиапредприятия, в том числе аэропорты, как правило, расположены обособленно за пределами города, имеют санитарно-защитные зоны и зоны безопасности. Абсолютное большинство из них имеют собственные автономные, котельные и мощные резервные дизельгенераторы.

Экологический эффект вывода, например, котельных их из эксплуатации — улучшение среды обитания человека и условий труда. Он выражается в уменьшении загрязнений и концентраций вредных веществ в атмосфере, воде, почве, увеличении площадей пригодных земель, природных зон и ландшафта, сокращении уровня шумов и вибраций. Вот где поле деятельности для энергетики ВИЭ

Реализация природоохранных мероприятий способствует улучшению здоровья населения, росту продолжительности жизни и т.д., предотвращению нежелательных ситуаций, способных приводить к тяжелым социальным последствиям и материальным потерям.

При демонтаже, разделке оборудования традиционной энергетики, в зависимости от используемых технологий утилизации, загрязняющие вещества могут поступать в окружающую природную среду в виде газо-и парообразных химических соединений, растворов, аэрозолей, пыли и других видов отходов. При ликвидации градирен необходимо предусмотреть не распространение болезнетворных микробов и бактерий. Необходимо защитить население от влияния пыли золоотвалов — этого отрицательного фактора работы ТЭЦ, ТЭС. И здесь может прийти на помощь солнечная энергетика, способная обеспечить выкачивание и перемещение больших объемов воды не только для ирригации, сельского хозяйства, пожаротушения, дегазации, дезинфекции, осушение водоемов, бассейнов и колодцев, но и полив золы, для предотвращения её уноса.

Рассмотрим с этой точки зрения материалы, используемые в солнечном соляном пруду и котловане. Нет ли необходимости при их утилизации создавать специальные технологии переработки, захоронения (как для ядерных отходов) и т.д., с расходом энергии при уничтожении.

При утилизации солнечного соляного пруда — выпаривании воды из рассола, теплый водяной пар можно направлять для обогрева теплиц (грибниц). Вода, как элемент мироздания, занимает место по жизнестойкости после воздуха, а уже потом идет земля (грунт).

Оставшийся после выпаривания естественным путем воды из рассола пруда слой соли в пруду можно использовать для создания лечебных солевых комнат. При выпаривании, можно получить идеальную ровную поверхность большой площади. На этой поверхности можно монтировать (стыковать) перед сваркой или клепкой крупногабаритные изделия. При монтаже на такой поверхности можно получать идеальные посадочные (стыковочные, присоединительные) поверхности в одной плоскости или строго параллельные. Цена такой соляной поверхности может даже превышать первоначальную стоимость всего пруда с системами энергообеспечения. Соль убивает микробы и потенциальных возбудителей болезней. Для справки: только, на высохших соляных прудах, которые считаются самыми ровными твердыми поверхностями на земле, фиксируются рекорды скоростей автомобилей.

После прекращения работы системы очищенные пруд и котлован можно использовать в качестве летних плавательных бассейнов и зон отдыха для людей, плохо переносящих летний зной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

2 Кумин В.Д. Электрофицированные установки для водоснабжения// Механизация и электрификация в сельском хозяйстве. 1996. № 3. С. 13 – 16.

Читать еще статью автора Влияние энергетики возобновляемых источников энергии на устойчивое развитие сельского хозяйства

Автор: Осадчий Геннадий Борисович, инженер, автор 140 изобретений СССР.                    

Тел дом. (3812) 60-50-84, моб. 8(962)0434819,

E-mail: genboosad@mail.ru