Павильон «Инженерные решения энергоэффективных систем теплоснабжения» Сектор «Нетрадиционные источники энергии»

Нетрадиционные источники энергии

 Задача удовлетворения потребностей населения, промышленности и сельского хозяйства в электрической и тепловой энергии, особенно в регионах, удалённых от централизованных энергосетей, а также вопросы устойчивого развития России и снижение негативного воздействия энергетики на окружающую среду, приводят к необходимости развития возобновляемой энергетики.
 Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это те запасы, которые восполняются естественным образом, прежде всего за счет поступающего на поверхность Земли потока энергии солнечного излучения, и в обозримой перспективе являются практически неисчерпаемыми. Это, в первую очередь, сама солнечная энергия, а также ее производные: энергия ветра, энергия растительной биомассы, энергия водных потоков и т.п. К возобновляемым источникам энергии относят также геотермальное тепло, поступающее на поверхность Земли из ее недр, низкопотенциальное тепло окружающей среды, а также некоторые источники энергии связанные с жизнедеятельностью человека (тепловые «отходы» жилища, промышленных и сельскохозяйственных производств, бытовые отходы и т.п.)
 К серьезным недостаткам ВИЭ, ограничивающим их широкое практическое применение, относятся невысокая плотность энергетических потоков и их непостоянство во времени и, как следствие этого, необходимость значительных затрат на оборудование, обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразование энергии. Так например, плотность потока солнечного излучения на поверхности земли в полдень ясного дня составляет всего около 1 кВт/м² , а ее среднегодовое значение с учетом сезонных и погодных колебаний для самых «солнечных» районов земного шара не превышает 250 Вт/м^2.
 Вместе с тем технологии использования различных ВИЭ активно развиваются во многих странах мира, многие из них достигли коммерческой зрелости и успешно конкурируют на рынке энергетических услуг.
 По данным Европейской Комиссии в 1997 году суммарный вклад возобновляемых источников энергии в общее энергопотребление стран Европейского Союза составил 5,8% или 82,13 миллионов тонн нефтяного эквивалента (Mtoe, 1Mtoe = 42 ГДж). Для лучшего ощущения объемов потребления отметим, что последняя цифра примерно соответствует объему сегодняшнего российского экспорта нефти. К 2010 году прогнозируется увеличение удельного вклада ВИЭ в суммарное энергопотребление до 11,5% или в абсолютных цифрах до 182 Mtoe.
 К сожалению, по России надежная статистическая информация по использованию ВИЭ отсутствует. По экспертным оценкам, если не принимать во внимание крупную гидроэнергетику, вклад ВИЭ в энергобаланс страны сегодня практически незаметен. Тем не менее, соответствующие исследования и разработки, направленные на продвижение ВИЭ на рынок, в стране ведутся, и определенные успехи достигнуты.
 Важный новый этап в развитии нетрадиционной и малой энергетики в России связан с привлечением к разработке и производству современного оборудования крупнейших предприятий и конструкторских бюро, в том числе оборонно-промышленного комплекса. В настоящее время отечественными предприятиями освоено производство широкой номенклатуры оборудования и установок нетрадиционной и малой энергетики, которые могут найти применение и уже используются на практике. В их числе:
 - ветроэлектрические установки широкого ряда мощностей - от 100 Вт до 1 МВт;
 - широкая гамма фотопреобразователей и модулей солнечных батарей со сроком службы от 5 до 20 лет, а также их систем с аккумуляторами и инверторами;
 - тепловые коллекторы, использующие современные материалы для коррозионно-стойких панелей и оптических покрытий;
 - агрегаты малых и микро-ГЭС различных типоразмеров и мощностей от 5 кВт до 3 МВт, которые вырабатывают электроэнергию в соответствии с требованиями ГОСТа, имеют полную автоматизацию и обеспечивают ресурс не менее 5 лет до капитального ремонта, полный ресурс - не менее 40 лет;  - геотермальные тепловые станции блочно-модульного типа тепловой мощностью от 6 до 20 МВт и геотермальные электростанции электрической мощностью от 0,5 до 23 МВт;
 - газогенерирующие установки тепловой мощностью от 100 кВт до 3 МВт, обеспечивающие производство топливного газа в объемах от 70 до 2500 м³/час при переработки древесных отходов от 40 до 2200 кг/час;
 - котельные работающие на древесных отходах мощностью до 5 МВт;
 - биогазовые установки для экологически чистой безотходной переработки различных органических отходов (навоз крупного рогатого скота, помёт птицы, пищевые и твёрдые бытовые отходы), с получением топлива - биогаза (производительностью единичных агрегатов до 450 м³ в сутки) и экологически чистых органических удобрений;
 - различные серии тепловых насосов теплопроизводительностью от 100 кВт до 4 МВт с высоким отношением (от 3 до 7) получаемой теплоты к электроэнергии, затрачиваемой на привод компрессора.

Использование энергии биомассы
 Первичная биомасса является продуктом преобразования энергии солнечного излучения при фотосинтезе. К.п.д. фотосинтеза весьма низок (0,2-0,5%). Несмотря на это, ежегодно только на территории, занимаемой Россией, продуцируется до 14-15 млрд. тонн биомассы, энергия которой эквивалентна примерно 8 млрд. тонн условного топлива.
 По оценкам экспертов в энергетических целях в России технически возможно ежегодно использовать до 800 млн. т древесной биомассы, до 400 млн. т (по сухому веществу) органических отходов (от сельскохозяйственного производства – 250 млн. т, от лесной и деревообрабатывающей промышленности – 70 млн. т), до 60 млн. т твердых бытовых отходов городов и до 10 млн. т осадков коммунальных стоков.
 В зависимости от свойств «органического сырья» возможны различные технологии его энергетического использования.
 Для использования сухой биомассы наиболее эффективны термохимические технологии (прямое сжигание, газификация, пиролиз и т.п.). Для влажной биомассы – биохимические технологии переработки с получением биогаза (анаэробное разложение органического сырья) или жидких биотоплив (процессы сбраживания).
Газификация древесных отходов обеспечивает получение топливного газа, основу которого составляет СО, Н₂ и N₂ и который может быть использован в качестве газообразного топлива в котельных, газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания.
 В России имеется опыт создания и опытной эксплуатации установок тепловой мощностью от 100 кВт до 3 МВт, обеспечивающих производство топливного газа в объемах от 70 до 2500 м³/час, что соответствует объемам переработки древесных отходов от 40 до 2200 кг/час.
 Прямое сжигание древесины хорошо известно на бытовом уровне. Технологии энергетического использования древесных отходов постоянно совершенствуется.
 Наиболее распространенным является перевод котельных с жидкого топлива или угля на древесные отходы, что требует реконструкции топочных устройств и создания необходимой инфраструктуры хранения и подготовки топлива.
 Среди биохимических технологий переработки жидких органических отходов наиболее широкое применение во многих странах мира получила технология анаэробного (в отсутствии атмосферного кислорода) разложения органического сырья с получением биогаза, состоящего на 55-60 % из метана.
 Вырабатываемый биогаз отводят из объема метантэнка и направляют в газгольдер – аккумулятор, откуда газ отбирается по мере необходимости в основном на цели теплоснабжения близлежащих объектов. Биогаз может также использоваться как топливо в двигателях внутреннего сгорания для производства механической и/или электрической энергии.

Теплонасосные системы теплоснабжения
 Теплонасосные системы теплоснабжения представляются одним из наиболее эффективных дополнений к известным системам теплоснабжения. Тепловые насосы нашли широкое применение для теплоснабжения жилых и административных зданий во многих странах мира со сходными с Россией климатическими условиями. Расширяется опыт применения тепловых насосов и в нашей стране.
 В испарителе теплового насоса тепло невысокого температурного потенциала отбирается от некоего источника низкотемпературного тепла и передается низкокипящему рабочему телу теплового насоса. Полученный пар сжимается компрессором. При этом температура пара повышается и тепло на нужном температурном уровне в конденсаторе передается в систему отопления и/или горячего водоснабжения. Для того чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим телом, после конденсатора оно дросселируется до начального давления, охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального тепла, и снова подается в испаритель. Таким образом, тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю. При этом на привод компрессора затрачивается электрическая энергия. Однако при наличии подходящего источника низкопотенциального тепла количество тепла поставляемого потребителю в несколько раз превышает затраты на привод компрессора. Отношение полезного тепла к работе компрессора называют коэффициентом преобразования теплового насоса, и в наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает величины 3 и более.

Ветроэнергетические установки
 По экспертным оценкам валовой потенциал ветровой энергии в России составляет 26* 10⁶ т.у.т./год, а экономический – 12,5 * 10⁶ т.у.т./год.
 Изданный в 2002г. «Атлас ветров России» позволяет рационально выбрать место установки с технико-экономическими показателями, рекомендуемых ветроэлектрических установок (ВЭУ).
 Наиболее распространенным типом ВЭУ является ветровая турбина с горизонтальным валом, на котором установлено рабочее колесо с различным числом лопастей – чаще всего 2-3. Многолопастные колеса применяются в малых установках, предназначенных для работы при невысоких скоростях ветра. Турбина и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху мачты. Спектр единичных мощностей выпускаемых ветроустановок в мире весьма широк: от нескольких сот Вт до 2-4 МВт.
 Малые ВЭУ (мощностью до 100 кВт) находят широкое применение для автономного питания потребителей, и сферы их использования во многом совпадают с фотопреобразователями. Особенно эффективно использование малых установок для водоснабжения (подъем воды из колодцев и скважин, ирригация). Автономные малые ветроустановки могут комплектоваться аккумуляторами электрической энергии и/или работать совместно с дизельгенераторами. В ряде случаев используются комбинированные ветро-солнечные установки, позволяющие обеспечивать более равномерную выработку электроэнергии, учитывая то обстоятельство, что при солнечной погоде ветер слабеет, а при пасмурной – наоборот, усиливается.
 Крупные ветроустановки (мощностью более 100 кВт), как правило, - сетевые, т.е. предназначены для работы на электрическую сеть.
 Удельная стоимость крупных ВЭУ сегодня лежит в интервале 800-1000$/кВт, а малых ВЭУ, как правило, выше и увеличивается с уменьшением мощности, достигая величины 3000 $/кВт (иногда и выше) для установок мощностью от нескольких сот Вт до 1 кВт.
 Сейчас в России рядом производителей выпускаются в основном малые ветроустановки мощностью 500 Вт – 16 кВт как для водоподъема, так и производства электроэнергии. Разработаны ВЭУ мощностью 100 и 250 кВт, несколько таких установок эксплуатируется в северных регионах страны. В Калмыкии ведутся испытания отечественной ветроустановки мегаваттного класса. Вместе с тем отставание России от ведущих европейских стран, как в области технологических разработок, так и в области практического применения ВЭУ стало очевидным.

Геотермальная энергия
 Геотермальное теплоснабжение является достаточно хорошо освоенной технологией.
 В России наиболее перспективным регионом для строительства ГеоЭС является Камчатка, располагающая уникальными геотермальными месторождениями. Там действует Паужетская ГеоЭС мощностью 11 МВт(э). В 1999г. введены в эксплуатацию 3 блока по 4 МВт(э) Верхне-Мутновской ГеоЭС, начато строительство Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 250 МВт(э). Температура пароводяной смеси на выходе из скважин для этого месторождения составляет около 160⁰С, давление – около 7 бар.
 В развитие геотермальной энергетики Камчатки определяющий вклад вносит специально созданное для этой цели ОАО «ГЕОТЕРМ», Калужский турбинный завод, разработавший и освоивший в производстве современное специализированное оборудование, поставляемое не только на Камчатку, но и за рубеж.
 Имеется опыт теплоснабжения малых городов, поселков, тепличных комплексов и т.п. с использованием геотермального тепла, прежде всего, на Камчатке, Курилах и Северном Кавказе. Как перспективные для внедрения геотермального теплоснабжения рассматриваются Омская и Тюменская области, западная часть Новосибирской области и северная часть Томской области.
 Основные проблемы геотермального теплоснабжения связаны с солеотложением и коррозионной стойкостью материалов и оборудования, работающих в условиях агрессивной среды. В этой связи представляет большой практический интерес внедрение двухконтурных систем теплоснабжения с использованием эффективного и коррозионно-стойкого современного теплообменного оборудования, изготовляемого, в частности из титановых сплавов. Такие теплообменники и модульные установки геотермального теплоснабжения тепловой мощностью от 6 до 20 МВт разработаны и выпускаются, например, Калужским турбинным заводом.
 Сравнительно низкотемпературные гидрометры (15-30⁰С) представляют собой идеальный источник низкопотенциального тепла для тепловых насосов. Такие источники имеются, например, в Новосибирской области, где реализуется программа отопления с помощью тепловых насосов взамен котельных, работающих на органическом топливе.

Солнечная энергия
 Среди широкого спектра технологий использования солнечной энергии для производства тепловой и электрической энергии в российских условиях наибольший практический интерес представляют технологии солнечного нагрева воды и прямого преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию с помощью фотопреоьразователей.
 Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в так называемых плоских солнечных коллекторах.
 Плоский солнечный коллектор представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны и боков ящик, внутри которого помещена тепловоспринимающая металлическая или пластиковая панель, окрашенная для лучшего поглощения солнечного излучения в темный цвет и закрытая сверху светопрозрачным ограждением (один или два слоя стекла или прозрачного стойкого под воздействием ультрафиолета пластика). Панель является теплообменником, по каналам которого прокачивается нагреваемая вода. Вода направляется в теплоизолированный бак гидравлически соединенный с солнечным коллектором. За день вода из бака может несколько раз проходить через коллектор, нагреваясь до расчетного уровня температуры, зависящего от соотношения между объемом бака и площадью солнечного коллектора, а также от климатических условий. Циркуляция воды в замкнутом контуре солнечный коллектор – бак – солнечный коллектор может осуществляться принудительно с помощью небольшого циркуляционного насоса или естественным образом за счет разности гидростатических давлений в столбах холодной и нагретой воды. В последнем случае бак должен располагаться выше верхней отметки солнечного коллектора.
 В России число действующих солнечных установок сегодня весьма ограничено. Тем не менее, за последние годы в России сформировалось около десятка потенциальных производителей солнечных коллекторов и водонагревателей, осуществляющих выпуск опытных и мелких партий.
 К сожалению, крупных заказов производители не имеют и выпускают солнечные водонагревательные установки от случая к случаю, в связи с чем цена на них устанавливается довольно высокой – в большинстве случаев от 150 до 300 $ в расчете на 1 кв.м площади коллектора.

Фотоэлектрические установки находят все более широкое практическое применение как источник электроэнергии для малых и средних потребителей, требующих автономного энергоснабжения, а в ряде случаев и подключенных к электрическим сетям.
 Для фотопреобразователей (ФЭП) из монокристаллического кремния в лабораторных условиях на опытных образцах достигнут кпд 24%; на малых опытных модулях – 18%. Для поликристалличческого кремния эти рекордные значения равны 17 и 16 %, для аморфного кремния на опытных модулях достигнуты кпд около 11 %.
 В среднем стоимость модулей ФЭП мощностью 50-70 Вт на мировом рынке сегодня снизилась до 4-4,5$/Вт (стоимость ФЭП у российских производителей 3,5-4$/Вт). Однако с учетом стоимости опор, коммутационных устройств, системы автоматики и другого необходимого комплектующего оборудования стоимость установки в целом возрастает как минимум вдвое и может составлять до 7-10$/Вт.
 В России суммарные производственные мощности по выпуску ФЭП по данным производителей составляют несколько МВт в год. Однако используются они лишь в объеме около 100 кВт/год. Производимые российскими предприятиями ФЭП отвечают международным стандартам и в основном поставляются в развивающие страны.

Малые гидроэнергетические ресурсы
 В соответствии с общепринятой международной классификацией к микро-ГЭС относят гидроэнергетические агрегаты мощностью до 100 кВт, а к малым от 100 кВт до 10 МВт.
 В последние годы достигнут значительный технический прогресс в разработке малых гидроагрегатов, в том числе в России, что открывает новые возможности для возрождения малой гидроэнергетики. Разработанное оборудование удовлетворяет повышенным техническим требованием, в том числе:
 - обеспечивает возможность работы установок, как в автономном режиме, так и на местную электрическую сеть;
 - полностью автоматизировано и не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала;
 - обладает повышенным ресурсом работы (до 40 лет, при межремонтных периодах до 5 лет) и др.
 Разработан широкий спектр современных гидроагрегатов с различными типами рабочих колес, обладающих повышенным кпд в широком диапазоне рабочих напоров (от 1,5 до 400 м) и расходов воды.
 Помимо использования малых рек, одним из интересных новых применений микро- и малых ГЭС стала их установка в питьевых водопроводах и технологических водотоках предприятий, водосбросах ТЭЦ, а также на промышленных и канализационных стоках. Такая возможность может быть реализована в тех водотоках (продуктопроводах), где требуется применение гасителей давления. Вместо гасителей целесообразно установка микро-ГЭС, вырабатывающих электроэнергию для собственных нужд производства или в сеть за счет избытка давления в водотоке.
 В настоящее время на российском рынке предлагаются десятки типов различных гидроагрегатов для микро- и малых ГЭС электрической мощностью от 10 кВт до 10 МВт.