Нетрадиционные источники энергии для теплоснабжения

Использование нетрадиционных источников энергии для теплоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства.

Авторы: Олег Петрович Ковалев, Александр Владимирович Волков

АННОТАЦИЯ

Представлены сравнительные экологические характеристики энергетических установок различного типа. Показаны преимущества нетрадиционных энергетических установок. Указаны стоимости зарубежных и отечественных солнечных водонагревательных и фотоэлектрических установок и их потенциальные потребители в Приморском крае.

В сельской местности России инженерные системы централизованного теплоснабжения охватывают только около 8% домов. При централизованном теплоснабжении теплоноситель поступает в систему отопления и горячего водоснабжения от котельных иногда удаленных от потребителей на десятки километров, что приводит к большим потерям производимой теплоты (до 50%) [1]. Анализ зарубежных концепций теплоснабжения показал, что в большинстве европейских стран от централизованного отопления отказались 30…40 лет назад. Теплоснабжение зданий не только в сельской местности, но и в городах, обеспечивается автономными котельными на одно или группу зданий с короткими теплотрассами. Ориентировочная мощность тепловых потерь зданий индивидуальной застройки в России составляет 0,143 кВт на квадратный метр общей площади. Таким образом, для среднего коттеджа требуемая мощность теплоисточника достигает 50…100 кВт тепловой мощности.

Следует отметить, что качество теплоизоляции наших домов уступает зарубежным. Так, удельный расход тепловой энергии финскими домами, по данным [2], составляет 45…50 кВт*ч/(м3/год). В России, в этих же условиях (Выборг, Петрозаводск), энергопотребление составляет 80…120 кВт*ч/(м3/год).

В настоящее время АО «Сибтепломаш» (г. Братск) готовит к выпуску серию автоматизированных универсальных мини-котельных (табл. 1) для отопления коттеджей. Рабочее давление теплоносителя — 0,4 МПа, температура 70…95 °С.

Таблица 1

Основные технические данные мини-котельной

  Типоразмер  котла Производи-тельность,  кВт Отапливаемый объем, м3 Габариты котла, мм
длина Ширина высота
КЧМ-2М — 5   29,5   675 540 475 1070
КЧМ-2М — 6   36,0   830 650 475 1070
КЧМ-2М — 7   42,5   1000 760 475 1070
КЧМ-2М — 8   49,0   1200 870 475 1070

Цена теплового центра мощностью 50 кВт производства Финляндии составляет 23 тыс. долл. США. С учетом доставки в Россию, привязки к проекту, монтажа и наладки эта сумма достигает 38…43 тыс. долл. США.

Переход на децентрализованные системы теплоснабжения открывает новые перспективы перед использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Преимуществом нетрадиционных энергетических установок является их экологичность. Сравнение различных типов энергетических установок, по данным [3, 17], представлено в таблице 2.

В последнее время во всем мире большое внимание уделяется охране окружающей среды. В декабре 1997 г. Россия подписала «Киотский протокол» и взяла на себя обязательства по сокращению выбросов СО2 и других парниковых газов.

Основную долю электрической и тепловой энергии в России, да и во всем мире производят угольные ТЭС, дающие наибольшее количество вредных выбросов (табл. 3).

С другой стороны, по данным Мирового энергетического совета (МИРЭС), запасов нефти, угля и газа, при нынешнем уровне потребления, хватит, соответственно на 40, 250 и 60 лет [5]. Недостаточные электрофикация и механизация личных подсобных хозяйств (процессов кормоприготовления, обработки участков, отопления жилых и производственных помещений, подогрева воды, приготовления пищи и т.п.) обуславливают большие затраты труда сельской семьи на эти нужды. Такие затраты в 2,5 раза превышают затраты труда в общественном секторе сельскохозяйственного производства [6]. В среднем затраты труда одной семьи на ведение личного подсобного хозяйства составляют 5,4 ч. Затраты времени только на обслуживание источников теплоты на газе и жидком топливе составляют 0,1…0,3 ч., твердом топливе — 1,5…2 ч. [7].

Таблица 2

Сопоставительные эколого-экономические показатели энергетического производства

Показатель Угольная ГЭС Газомазутная ГЭС ГЭС АЭС Нетрадиционные источники энергии
солнечная ветровая геотермальная биомасса
1. Объем вредных выбросов в атмосферу, кг/(МВт.ч) 20…25 2…15 менее1 3…10
2.  Потребление свежей воды, м3/(МВт.ч) 40…60 25…35 70…    90 20
3.  Сброс загрязненных сточных вод,  м3/(МВт.ч) 0,5 0,2 до 0,5 0,02 0,01 0,1 0,2
4.  Объем твердых отходов, кг/(МВт.ч) 200…  500 0,2 0,2 0,2
5.  Изъятие земель, га/(МВт.ч) 1,5 0,5…  0,8 100 2,0 2…3 1…10 0,2 0,2…  0,3
6.  Затраты на охрану природы, руб./кВт установленной мощности 70…  160 10…80 1,5 400 1,0 0,5…  1,0 15…20
7.   Прогнозируемое увеличение себестоимости, 1 кВт.ч электроэнергии под влиянием природоохранных затрат, % 20…30 8…25 1,0 15…    40 1,0 1…3 3…10
8.  Количество сбрасываемой с охлаждающей водой теплоты, ГДж/(МВт.ч) ~7500 ~ 4500 7300 1500
9.  Стоимость энергии, долл./(кВт.ч ) 0,02…  0,04 0,025 0,1 1,0 …   2,0 0,05…  0,1 0,01
10.    Удельные капитальные вложения, долл./кВт
ФЭС
Солнечная ТЭС (LUZ)
1000…  1500 1000…  1500 1500 2000 10000
800
1500 2000

Основную долю электрической и тепловой энергии в России, да и во всем мире производят угольные ТЭС, дающие наибольшее количество вредных выбросов (табл. 3).

С другой стороны, по данным Мирового энергетического совета (МИРЭС), запасов нефти, угля и газа, при нынешнем уровне потребления, хватит, соответственно на 40, 250 и 60 лет [5]. Недостаточные электрофикация и механизация личных подсобных хозяйств (процессов кормоприготовления, обработки участков, отопления жилых и производственных помещений, подогрева воды, приготовления пищи и т.п.) обуславливают большие затраты труда сельской семьи на эти нужды. Такие затраты в 2,5 раза превышают затраты труда в общественном секторе сельскохозяйственного производства [6]. В среднем затраты труда одной семьи на ведение личного подсобного хозяйства составляют 5,4 ч. Затраты времени только на обслуживание источников теплоты на газе и жидком топливе составляют 0,1…0,3 ч., твердом топливе — 1,5…2 ч. [7].

Перечисленные причины, а также тенденция к повышению стоимости органического топлива и тарифов на электрическую и тепловую энергию, приводят к более широкому использованию возобновляемых источников энергии. Использование солнечной энергии для горячего водоснабжения в Европе выросло с начала 80-х годов на 18% [8]. Сейчас площадь остекленных коллекторов для нагрева воды составляет 23 млн. м2, а неостекленных для подогрева воды в бассейнах — 5 млн.м2. Стоимость самых простых солнечных установок горячего водоснабжения (термосифонных) во Франции составляет 8…10 тыс. франков, тогда как электроустановок той же тепловой мощности — 4…5 тыс. франков. В среднем, стоимость солнечных металлических плоских коллекторов для получения тепловой энергии составляет 350…1000 долл./м2 (включая затраты на монтаж). Ожидается, что к 2020 г. их стоимость снизится до 50…400 долл./м2 [9].

Таблица 3

Вредные выбросы при производстве энергии на традиционных ТЭС [4]

Вид вырабатываемой энергии

Вредные выбросы

SO2 ,

т

NOх ,

т

CO2 ,

т

Зола,

шлак, т

Тепловое заг-

рязнение, МДж

Потребление

кислорода, т

1. Электрическая энергия (на 1000 МВт.ч)

31,8

3,0

870,0

73,0

(6…8)×106

633,0

2. Тепловая энергия (на 1000 Гкал)

18,0

1,7

492

41

(3…4)×106

358,0

Американской компанией Heliodyne, Inc. выпускается ряд коллекторов Gobi площадью 2,24, 3,00 и 3,74 м2 при стоимости 388, 519 и 647 долл. США соответственно (данные 1998 г.). Удельная стоимость собственно коллекторов 173 долл./м2. Этой же компанией выпускаются и солнечные водонагревательные установки одноконтурные (летний вариант) и двухконтурные, которые могут работать круглый год. В комплект установки входит 1 коллектор Gobi 308 площадью 3 м2, бак-аккумулятор емкостью 240 л, насос, система контроля и управления. Стоимость одноконтурной установки — 1096 долл., двухконтурной — 1689 долл. Удельная стоимость 365,3 долл./м2 и 563 долл./м2  соответственно.

Кроме небольших установок, обеспечивающих потребности в горячей воде отдельных коттеджей, в США разработан и смонтирован ряд крупных установок (табл.4).

Таблица 4

Солнечные водонагревательные установки большой тепловой мощности

Местоположение Год запуска Общее теплопотребление здания, Гкал(МДж) Теплопроизводи-тельность солнечной установки, Гкал(МДж) Площадь солнечной установки, м2 Стоимость (с учетом монтажа), долл. США Удельная стоимость, долл./м2
State Transportation Building (Boston MA) 1982 205(862·103) 171(0,7·106) 371,6 250000 672
University, California, Los Angeles 1984 3273(13,7·106) 1964(8,2·106) 2267 940800 415
Saint Rose Hospital,Texas 1990 378(1,58·106) 302(1,27·106) 465 145000 311,8
The Greenview Condominium Honolulu,Hawaii 1994 322(1,35·106) 209(0,876·106) 223 156000 699,5

По разработкам лаборатории нетрадиционной энергетики ИПМТ ДВО РАН [10, 11, 12] в г. Уссурийске налажен серийный выпуск солнечных водонагревательных установок. Стоимость солнечного коллектора КС-3, площадью 3 м2 составляет (в ценах на 1.10.1999 г.) 12357 руб. Стоимость солнечной водонагревательной установки площадью 24 м2 с баком-аккумулятором емкостью 2 м3 составляет 180000 руб. Сравнение с данными табл.4 показывает целесообразность развития производства солнечных водонагревательных установок на отечественных предприятиях.

Решение проблемы обеспечения потребителей горячей водой заданной температуры от гелиосистемы в условиях неравномерного поступления солнечной энергии возможно путем включения в схему дублирующего источника энергии, например, мини-котельной.

Удельный  расход условного топлива в мелких котельных [10] превышает 71 кг у.т./ГДж при удельном теплопотреблении, в среднем по Дальневосточному региону, — 58,5 ГДж/(чел.год) и потреблении электроэнергии — 1570 кВт.ч/(чел.год).

Производство теплоты солнечной водонагревательной установкой в Приморском крае может достигать 3,5 ГДж/(м2·год). Таким образом, каждый квадратный метр солнечной водонагревательной установки может экономить в год до 200…250 кг у.т.

В общем случае, экономию органического топлива за счет использования солнечной энергии в (кг/год) можно рассчитать по выражению

где Q — суммарное количество теплоты, выработанное солнечной водонагревательной установкой за год, ГДж/год; hзам — КПД замещаемого источника теплоты; Qн — низшая теплота сгорания органического топлива, кДж/кг.

Потенциал потребителей солнечных водонагревательных установок в Приморском крае довольно высок. В крае насчитывается (по данным на 1.12.1999 г.) 140816 индивидуальных домов, 153033 дачных участков и 2525 фермерских хозяйств. 

Для обеспечения горячей водой индивидуальной семьи достаточно СВНУ площадью 4…6 м2 и бак-аккумулятор емкостью 300 л; дачного участка — 2 м2; фермерского хозяйства — 15…25 м2 и бак- Суммарная потребность Приморского края в солнечных коллекторах может составить до 1 млн.м2. При этом может быть обеспечена экономия органического топлива в объеме 71000 т у.т., снижение выброса вредных веществ. Кроме этого, улучшаются социально-бытовые условия жизни населения и экономятся непроизводительные затраты труда на отопление и горячее водоснабжение.

В настоящее время электроснабжение автономных потребителей за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии используется слабо и, в основном, как маломощные источники для электронной аппаратуры. Считается [15], что электроснабжение за счет солнечной энергии экономически целесообразно при суточном энергопотреблении до 4 кВт.ч. Расчеты показывают, что, в зависимости от состава семьи, времени года, наличия домашних электроприборов расход электроэнергии составляет от 0,5 до 4 кВт.ч/сут.

Освоенные отечественной промышленностью солнечные фотоэлектрические модули позволяют получить с 1 м2 при КПД = 12% до 120 кВт.ч электроэнергии в год.

Таким образом, площадь солнечных фотоэлектрических модулей для обеспечения потребностей средней семьи составит от 1,5 до 12 м2. При стоимости 10 долл. США за 1 Вт установленной мощности стоимость фотоэлектрической станции составит 2000…16000 долл. США в ценах 1999 г.

Потенциальные потребности в фотоэлектрических станциях для обеспечения электроэнергией фермерских хозяйств, индивидуальных застройщиков и дачных участков (из расчета 4 кВт.ч/сут.) могут достигнуть 35000…50000 кВт.

В США и Германии существуют и проводятся в жизнь государственные программы по использованию фотоэлектрических станций для электроснабжения автономных объектов («миллион» и «сто тысяч солнечных крыш», соответственно).

Приморский край относится к благоприятным районам России по потенциальным ресурсам солнечной энергии. Практические ресурсы солнечной энергии с учетом экологических и других ограничений составляют: при получении только тепловой энергии — 16,0 млн.кВт электрической энергии — 4,9 млн.кВт [16], в то время как установленная электрическая мощность оборудования электростанций в крае по данным [18] составляет 2,7 млн.кВт. Таким образом, мощность электростанций и ресурс солнечной энергии при получении электрической величины одного порядка.

Широкое внедрение нетрадиционной энергетики в России сдерживается дороговизной и большой материалоемкостью оборудования, а также неустойчивостью внутриполитического и экономического положения. Существующее законодательство не создает стимулов для производителей и пользователей возобновляемых источников энергии. Привлечь внимание к нетрадиционным видам энергии может сеть демонстрационных установок различного назначения, а также постоянное повышение стоимости органического топлива и тарифов на электрическую и тепловую энергию, что приводит к росту конкурентоспособности возобновляемых источников энергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поляков В.А. Автономное теплоснабжение // Энергетическое строительство, № 10, 1994, с. 11-14.

2. Никкинен Рейо Энергетическое сравнение систем централизованного теплоснабжения России и Финляндии // Теплоэнергетика, 1999, № 4, с. 75-78.

3. Перспективы развития альтернативной энергетики и ее воздействие на окружающую среду / В.В.Алексеев, Н.А.Рустамов, К.В.Чекарев, Л.А.Ковешников. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 1999, с. 152.

4. Благородов В.Н. Проблемы и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Энергетик, 1999, № 10, с. 16-18.

5. Долгов В.Н. Перспективы создания подземных атомных электростанций на базе корабельных технологий // Судостроение, № 5, 1999, с. 32-36.

6 Стребков Д.С., Тихомиров А.В. Задачи энергообеспечения и энергосбережения в сельскохозяйственном производстве в условиях многоукладной экономики // Энергетическое строительство, № 8, 1994, с. 20-25.

7. Братенков В.Н., Хаванов П.А., Вэскер Л.Я. Теплоснабжение малых населенных пунктов. М.: Стройиздат, 1988, 223с.

8. Chauffe eau et piscines tirent le marche du sobairethermu // Usine non , 1998, № 2638, p 74-76.

9. Solar energy utilization on the verge of market introduction — facts and figures / Rasch W., Sanchez F., Winter C.-J // 15th Congr. World Energy Counc., Madrid, Sept. 20-25, 1992. Div. 3. Pt.1-(Madrid)- P. 279-300.

10. А.С. 1814003. Солнечный водонагреватель / Ильин А.К., Ковалев О.П., Волков А.В. Бюлл. № 17. 1993.

11. Патент 2037107. Солнечный жидкостный нагреватель / Ильин А.К., Ковалев О.П., Лощенков В.В. Бюлл. № 16, 1995.

12. Патент № 2086864. Солнечная водонагревательная установка / Ильин А.К., Ковалев О.П., Лощенков В.В. Бюлл. № 22, 1997.

13. Апполонов Ю.Е., Миклашевич И.В. О комплексном использовании нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Энергетическое строительство, № 1, 1994. С. 15-18.

14. Смирнов П.Н., Наседкин С.П. К оценке экономической эффективности солнечных установок горячего водоснабжения // Технология судостроения, 1991, № 5. С. 86-88.

15. Солнечные фотоэлектрические системы // Возобновляемая энергия, 1997, № 1, с. 15-17.

16.Ильин А.К., Ковалев О.П. Нетрадиционная энергетика в Приморском крае: ресурсы и технические возможности. Владивосток: ДВО РАН, 1994. 40 с.

17. Reality check on renewables // ECOal, 1999. № 29, p 4-5.

18. Башаров Ю.Д., Штым А.М., Манякин Ю.И. Обоснование и выбор направления совершенствования сжигания твердого топлива на станциях АО «Дальэнерго» // Материалы 35 научно-технической конференции. ч.2. Владивосток: ДВГТУ, 1995. С. 51-53.

Эта статья прочитана 1433 раз(а)!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *