Эффективность энергетики возобновляемых источников энергии

Осадчий Г.Б., инженер

Часто встает вопрос, насколько важно экономить энергоресурсы. Однозначного ответа на это нет, но согласно [1] «цена» вопроса в России, где низкая энергоэффективность, следующая:

• если в вашей структуре затрат они занимают не более 5 – 7 %, особо заниматься этим не стоит. Основные (малозатратные) мероприятия принесут вам определенную экономию и душевное спокойствие;

• если энергоресурсы занимают до 15 – 20 % в структуре затрат — относится к энергосбережению нужно уже серьезно. Нужно провести качественный аудит и плотно заниматься проблемой;

• если вы в затратах более 20 – 30 % платите за энергоресурсы — вам СРОЧНО нужно заняться этой проблемой, поскольку при очередном росте цен на газ, электроэнергию, топливо и т.д. в начале следующего года, в его завершении вы рискуете остаться без прибыли. А то и с убытками…

А теперь посмотрим, как относятся к экономии энергоресурсов наши западные соседи (И.Е. Матвеев, ВНИКИ).

В Евросоюзе сфера энергоэффективности и сектор возобновляемых источников энергии (ВИЭ) рассматриваются как “драйверы” инновационной модернизации экономики. Согласно общеевропейскому плану развития возобновляемой энергетики, к 2020 г. технологический прорыв и последующее значительное расширение выработки энергии с использованием ВИЭ может привести к резкой трансформации энергетического хозяйства, при этом намеченный ориентир по достижению 20%-й доли ВИЭ в энергобалансе может быть пересмотрен в сторону повышения — до 24,4%.

В объединенной Европе “локомотивом” развития является четвертая экономика мира – Германия, которая находится на острие научно-технического прогресса и обладает особым экономическим “чутьем”. При этом ее экономический, научный и технический потенциалы, а также выдающиеся лидерские качества способны “ломать” традиционные стереотипы и устоявшиеся мнения; на основе всестороннего анализа и общественного консенсуса ФРГ принимает решения, являющиеся в определенной степени революционными. Процессы, происходящие в энергетике и экономике страны, на наш взгляд, могут служить предвестниками будущих структурных сдвигов в ЕС (с определенным временным лагом), поэтому заслуживают более детального рассмотрения.

Так, в первые 10 лет XXI века на фоне поступательного экономического развития ФРГ достигла выдающихся результатов по экономии энергии: в указанный период спрос на первичные энергоносители сократился на 6,4% и в 2010 г. достиг 307, 4 млн. т н. э. в год — самого низкого уровня со времен нефтяного кризиса 70-х годов (в 1970 г. — 309,7 млн. т), при этом углеводородные энергоносители (нефть, газ, каменный и бурый уголь) имели различные темпы снижения потребления, а сектор ВИЭ, напротив, демонстрировал уверенный рост.

Германские специалисты и ученые акцентируют свои усилия на таких сегментах научных исследований, как технологии аккумулирования электроэнергии, высокоэффективные солнечные модули и системные решения, а также энергосберегающие “ноу-хау” и интеллектуальные сети.

На современном этапе технического развития потенциал солнечной энергетики Германии оценивается в 120 ГВт пиковой мощности. По состоянию на конец 2011 года суммарная установленная мощность фотогальванического устройств (ФГУ) составила примерно 17 ГВт (в пиковом режиме). В ближайшие несколько лет, по оценке экспертов “Gtai”, темпы прироста данного показателя могут составить 4 – 6 ГВт (в 2010 г. — 7,4 ГВт).

Правительство ФРГ традиционно усиленно поддерживает солнечную энергетику и в долгосрочной перспективе (к 2020 г.) намерено увеличить до 52 ГВт суммарную пиковую (максимально возможную) мощность национальных ФГУ. В структуре выработки электроэнергии это позволит увеличить долю солнечной энергии (световой) до 10% (в 2010 г. — примерно 2%). По мнению ряда аналитиков, уже к 2013 г. солнечная энергетика ФРГ может достичь так называемого “сетевого паритета”, что означает выравнивание стоимости электроэнергии, выработанной на крупных энергетических объектах и аналогичного показателя для частных ФГУ. Данные прогнозы основываются на следующих основных обобщениях. Во-первых, это дальнейший рост цен на ископаемое топливо, во-вторых – стабильное удешевление соответствующих материалов и технологий, в-третьих – изменение национальной структуры потребления первичной энергии в целом и электроэнергии в частности ввиду, например, расширения автопарка электромобилей, отказа от использования электрических приборов для выработки тепловой энергии и по другим причинам.

Германия начала активное освоение сферы ВИЭ в конце XX века, когда многие экономики мира по различным причинам не рассматривали всерьез данный вид источников энергии (кроме крупных ГЭС), а после резкого рывка в 2000-х годах Германия вышла в европейские лидеры по уровню развития биотопливной промышленности, солнечной энергетики и ветроэнергетики. Во многом это было связано со становлением отраслевой науки; данные о государственных расходах на НИОКР в энергетике свидетельствуют о расстановке соответствующих акцентов.

Такой прогресс в освоении энергетики ВИЭ в Германии стал возможным только потому, что у довольно ограниченного числа представителей их общества хватает смелости защищать свои утверждения вопреки мнениям многих ученых людей, которых они, тем не менее, считают намного более учеными, чем они сами. Одно дело — научный индуктивный метод, и совсем другое — знание фактов, какими бы ненаучными они не казались сначала.

Не отстает в освоении ВИЭ и Дания. В Дании в 1972 году доля нефти при производстве тепла приближалась к отметке 90 %. А в 2005 году она составляла только около 5 %, при доле ВИЭ более 40 % [2].

В Дании исторически сложилось так, что при формировании централизованной системы теплоснабжения мелкие котельные ликвидировались, а средние и крупные (более 20 МВт) были включены в состав системы ЦТ в качестве пиковых. Работают пиковые котельные не более 100 часов в год, включаются и работают без оперативного персонала, их работа контролируется диспетчером ЦДС компании. Коэффициент использования установленной мощности (Киум) этих котельных менее 0,015.

Развитие энергетики ВИЭ в Западной Европе наглядно подтверждает высказывание профессора А. Бутлерова из Императорского университета в Санкт-Петербурге «…Все факты в природе принадлежат науке, и каждое добавление к её запасам обогащает науку, вместо того чтобы обеднять. Если человечество когда-то признавало какую-то истину и затем по слепоте самомнения отвергло её, то возвращение к её пониманию будет шагом вперед, а не назад».

Сейчас уже нет надобности в полемике о том, согласуются или не согласуются выбранные направления энергетики ВИЭ с тенденциями скептиков нашего времени. Они (направления) согласуются со здравым смыслом, и этого достаточно. Бесполезно было бы ожидать, что в неё поверят её умалители и клеветники. Но упорная живучесть, которую она (энергетика ВИЭ) проявляет по всему земному шару, где только бы не находилась группа людей, ведущих о нем споры, — является лучшим доказательством, что семя, посаженное нашими отцами «по ту сторону «нефтяной эры», было семенем могучего дуба, а не спорой плесневых грибов. Никакая молния человеческой насмешки и никакая громовая стрела, когда-либо скованная «Вулканами науки», не в состоянии разбить ствол или даже поцарапать ветви этого мирового дерева развития.

В 2008 году компанией Ariston были представлены настенные котлы для отопления и горячего водоснабжения с КПД 107 %. На первый взгляд, парадоксальная цифра, однако именно такое значение эффективности достигается благодаря конденсационной технологии. Она позволяет использовать скрытую энергию, которая содержится в дымовых газах и обычными котлами не используется, что и приводит к экономичному расходу энергоресурсов и повышает КПД. Это не является чем-то не обычным. Например, по данным испытаний ЦКТИ им. И. И. Ползунова, для котлов КЕ-6,5-14, КЕ-4-14 значения потерь теплоты с уходящими газами достигают 12 – 14 % и требует их уменьшения. Однако, в настоящее время для промышленных котлов даже не глубокая очистка дымовых газов и утилизация их теплоты требует значительных капитальных вложений и пока экономически не эффективна (срок окупаемости — 40 лет).

Очистка дымовых газов это дорогое удовольствие — капитальные затраты на сооружение блоков очистки дымовых газов при переводе ТЭС с газа на уголь составляют 186 – 264 тыс. $ на 1 МВт установленной мощности.

Делаются определенные шаги в направлении экономии энергетических ресурсов и в России, в частности в Омской области.

В Омской области, в селе Чистово Оконешниковского муниципального образования, успешно прошла испытания морозами и подтвердила высокую эффективность геотермальная котельная. Всего в регионе разведано около сотни термальных подземных источников, которые можно использовать как в коммунальных, так и в промышленных целях. Источники расположены на глубине 600 – 900 м с температурой на устье скважины свыше 60 ⁰С.

Геотермальная котельная позволила значительно сэкономить деньги Оконешниковского муниципального образования. В селах, где работают мазутные котельные, по ценам 2010 года 1 Гкал обошлась в 2600 рублей. А стоимость тепла от термальных вод составила 1600 рублей за Гкал. За отопительный сезон геотермальная котельная сэкономила бюджету 1,7 млн рублей. При таких показателях она должна окупиться за 7 – 8 лет.

Геотермальная котельная в селе Чистово была построена в 2006 году в рамках региональной программы освоения альтернативных теплоисточников. На её строительство было потрачено 16 млн рублей из областного бюджета. При этом структура затрат на теплоснабжение в селе кардинально изменилась. Более 50 % расходов — это электроэнергия, которая приходит по ЛЭП. Остальное — заработная плата персонала, обслуживающего котельную. В селе теперь нет проблем с тем, завезли или не завезли мазут. Вода с температурой 70 ⁰С идет прямо из-под земли. Это очень важно. В образовании десятки поселков находятся в 130 км от областного центра и в 100 км от железной дороги [3].

Однако до масштабного освоения геотермального месторождения дело не дошло, поскольку «производительность» геотермальной скважины начала падать.

Птицеводы ЗАО «Иртышская птицефабрика» Омской области отказались от отопления птичников в зимний период. Теперь куры сами обогревают помещения за счет выделения естественного тепла. Это позволило зимой работать без финансовых затрат на работу котельной из пяти котлов, выдававшей ранее 36 тонн пара в час для обогрева птичников.

Сам процесс обогрева построен на следующем. Каждая курица яичного производство выделяет 5 Вт теплоты. Чтобы птица могла обогревать себя сама, необходимо чтобы в птичнике с объемом здания равном иртышской птицефабрике было не менее 80 тысяч кур. Тогда они выделяют 450 кВт теплоты, достаточной для поддержания технологической температуры, в утепленном здании.

Участники рынка считают эту идею перспективной, но уверены, что в других отраслях животноводства она не применима и нужно, искать резервы энергосбережения в утилизации отходов. Дело в том, что для выращивания птицы нужны другие тепловые режимы, чем для получения яиц. А если в помещении для свиноматки по норме должно быть 14 ⁰С, то для поросят 28 ⁰С, иначе они простынут и погибнут. Сами они помещение не согреют [4].

Как видим, проблема повышения энергоэффективности не имеет универсальных рецептов, а основывается на условиях, существующих в каждом конкретном случае. Поэтому нельзя утверждать, что централизованное отопление в любом случае — плохо и несовременно, а индивидуальный обогрев — однозначно хорошо, и наоборот.

В индивидуальном строительстве снижение расходов энергии можно достигать не только в результате использования определенного оборудования, но и благодаря возможности оперативно реагировать на колебания погоды. В этом плане централизованная система отопления является более инертной.

Как, видим, нет универсального рецепта и по строительству эффективной архитектуры теплоснабжения.

Исходя из этого, рассмотрим предлагаемую на рисунке 1 структуру основных факторов интенсификации технологических процессов энергетики ВИЭ [5].

Рисунок 1 – Основные факторы интенсификации технологических процессов энергетики ВИЭ

Представленные на рисунке 1 факторы необходимо рассматривать исходя из следующих особенностей энергетики ВИЭ.

По сравнению с традиционным генерированием энергии из технологических цепочек энергетики ВИЭ, например, её сектора использующего в России солнечную энергию, исключаются или в ней не присутствуют следующие технологические переделы:

• добыча органического топлива для летнего периода эксплуатации;

• транспорт органического топлива для летнего периода эксплуатации;

• сжигание топлива и производство пара для летнего периода эксплуатации;

• преобразование энергии пара в механическую энергию для летнего периода эксплуатации;

• преобразование механической энергии в электрическую энергию;

• транспорт электроэнергии по ЛЭП и преобразование в трансформаторах. При передаче и распределении электроэнергии по электрическим сетям требуются определенные затраты энергии, которые выражаются в виде технологического расхода электроэнергии. Потери электроэнергии, как показывает опыт работы различных энергосистем, находятся в широких пределах, (7 – 15 %);

• преобразование электрической энергии в механическую энергию — крутящий момент на входном валу компрессора;

• мероприятия по защите окружающей среды и медицинское обслуживание работающих и населения от воздействий перечисленных выше технологических переделов.

Энергетическую и экономическую эффективности отдельных технологических переделов и систем в целом необходимо определять по следующим критериям.

Технологических переделов:

• по количеству промежуточных инволюционных технологических переделов;

• по плотности высокотемпературного потока тепловой энергии термодинамического цикла преобразователя энергии;

• по плотности потока сбросной теплоты, — не использованной в термодинамическом цикле (транспорт оборотного охладителя);

• по плотности потока теплоты для испарения хладагента;

• по плотности рассеивания теплоты, выделяющейся при конденсации хладагента;

• коэффициент трансформации;

• по Киум;

• по переналадке оборудования и элементов системы после летней и зимней эксплуатации;

• по особенностям эксплуатации в межсезонье.

Ликвидность вырабатываемой энергии:

• объемы по периодам года;

• универсальность;

• по времени года;

Используемые для изготовления оборудования и систем материалы:

• потери в процессе эксплуатации (коррозия, испарение);

• распространенность в природе;

• доступность;

• восстановление после выработки системой эксплуатационного ресурса.

Плюсы систем (на примере системы холодотеплоснабжения[5]):

• нет угрозы размораживания при отрицательных температурах;

• защищенность от вандализма;

• круглогодичная работа в средней полосе России;

• нет необходимости сезонного опорожнения и заполнения тепловых аккумуляторов;

• малые объемы хладагента в системе;

• нет необходимости в сложном сезонном техническом обслуживании;

• низкий уровень шума;

• отсутствие потребления электроэнергии;

• огромный срок службы пруда (при отсутствии пыльных бурь) и котлована;

• мизерная стоимость технического обслуживания оборудования.

Минусы систем (на примере системы холодотеплоснабжения):

• необходимость высококвалифицированного монтажа;

• требуется подпитка пресной водой верхнего слоя пруда;

• высокие капитальные затраты на сооружение пруда и котлована;

• на зимний период требуется органическое топливо;

• постоянное удаление мусора с глади солнечного соляного пруда.

Сейчас при создании установок и систем энергетики ВИЭ пытаются контролировать целый комплекс показателей. Это стоимость, надежность, долговечность, энергетическую эффективность, Киум, материалоемкость, экологическую чистоту при изготовлении и эксплуатации, социальную значимость, эстетичность и др. Безусловно, чем больше предъявляют требований к новому оборудованию, системам и комплексам, тем они должны быть более совершенны.

Однако некоторые из этих показателей можно улучшить только ухудшением других. Например, повысить надежность можно, повышая запасы прочности, дублируя элементы (для малой энергетики, аккумулированием энергии), применяя высокопрочные, дорогостоящие материалы. Поэтому, повышая надежность, бессмысленно ждать снижения стоимости. Но самое главное — при множестве критериев задача отбора лучшей техники вообще не решаема, поскольку невозможно выбрать предпочтительный вариант даже из двух, если один имеет преимущество по одной группе критериев, а второй — по другой. Например, даже если экологически «грязная» малая система производства энергии имеет стоимость близкую к нулевой, но потребитель энергии — учреждение здравоохранения, где лечат легочные заболевания, то эта энергетическая система, конечно же, не подходит для него, как и для сушки лекарственных трав.

В соответствии с теорией принятия решений в многокритериальных задачах следует либо обосновывать один доминирующий критерий, а остальные считать вспомогательными (ограничениями), либо каждому экспертно присвоить свой «вес» и все привести к одному обобщенному критерию. Поскольку обобщение критериев содержит субъективизм экспертов, то представляется более предпочтительным обоснование одного доминирующего критерия. Это повышает строгость принимаемых решений, упрощает расчеты, уменьшает число ошибочных решений.

Поскольку в условиях рынка главным стимулом создания и использования энергетики ВИЭ является коммерческий интерес, то исчерпывающим и доминирующим должен быть экономический (денежный) критерий. Все остальные (зависящие от, экономического) необходимо ранжировать по значимости и учитывать только тогда, когда главный критерий утрачивает критичность.

При низкой стоимости оборудования производства энергии, если отсутствует её постоянство, то для сельскохозяйственного производителя это оборудование может оказаться не всегда, приемлемым, т.к., например, при пропуске доек, увеличения интервала между ними, переходе на ручное доение снижаются удои молока, его жирность. Причем удой в, полном объеме, восстанавливается, только через 7 – 8 дней. При продолжительных перерывах возможна выбраковка коров. К снижению удоев приводят также стрессы животных, возникающие в результате отключения электроэнергии в процессе дойки. Задержка в кормлении телят свыше 12 часов приводит к потерям живой массы на 3 – 5 %, суточное прекращение кормления — на 10 %, а с прекращением поения на 12 – 13 %. У кур прекращение кормления приводит к снижению способности откладывать яйца. Сокращение количества воды на 40 % от потребного, снижает удой на 16 %. На приготовление корма для одной головы КРС в сутки требуется 20 литров воды. Автопоение коров (при равных условиях их кормления) повышает их удойность до 10 %.

Конечно, и эти доводы навряд ли способны развеять непонятное скептическое отношение к энергетике ВИЭ большинства специалистов традиционной энергетики. Ведь порой диву даешься тому, что если авторов публикаций традиционной энергетики судить по их произведениям (статьям) посвященным проблемам и техническим решениям отрасли то следует, что они не являются предвзятыми скептиками, и, кроме того, мало значительного ускользает от их внимания. Как же это тогда случается, что люди с такой огромной и редко встречаемой эрудицией, которым привычно одним единственным взглядом охватить различные технические решения, их плюсы и минусы, усматривающие малейшие сходства и уделяющие внимание мельчайшим деталям, как же они не придают никакого значения тому, что наши самобытные изобретатели, не обладающие ни тренировкой ученого, ни эрудицией, усматривают в энергетике ВИЭ с первого взгляда? Какими ошибочными и необоснованными ни показались бы их различные предложения, но нам кажется, что наука больше теряет, чем выигрывает от того, что пренебрегает народным творчеством или, вернее, тем, что от него осталось.

Несмотря на приводимые различными авторами доводы в пользу энергетики ВИЭ, в России, воз как говорится, и ныне остается там, поскольку, очень часто вполне здравые представители ряда технических наук всегда готовы трижды отрицать возможности энергетики ВИЭ из-за боязни остракизма со стороны своих собственных собратьев.

В заключении хочется напомнить, что основное отличие при определении энергетической и экономической эффективностей энергетики ВИЭ это того, что энергетическая эффективность определяется с математической точностью, а экономическая, зависит от рынка, а вернее от спроса и предложения на тот или иной вид энергоносителя или энергии — от игры на бирже.

Список литературы

1 Энергосбережение и энергоэффективность // Коммунальные системы 2010. № 4. С. 18 – 19.

2 Энергосбережение. Опыт Датского королевства. Основные подходы Государственная политика // Коммунальные системы 2010. № 4. С. 8 – 10.

3 Медведев А. Термальное отопление доказало свою эффективность // Энергосбережение в Сибири. 2010. № 1. С. 92 – 93.

4 Крилич И.   В. Сибири куры согрелись по голландской технологии // Энергосбережение в Сибири. 2010. № 1. С. 94 – 95.

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

Читать еще статью автора Достоинства и недостатки отдельных систем и установок энергетики возобновляемых источников энергии

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

Тел. моб. 8(962)0434819, E-mail: genboosad@mail.ru