О возможности использования возобновляемых источников энергии в Челябинской области

В последнее время, говоря об энергосбережении и эффективном энергообеспечении, все больше внимания обращают на нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Актуально это и в условиях реформирования ЖКХ и реализации приоритетных национальных проектов, в частности, развития строительства индивидуального жилья.

Потому обращение человечества к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) не только своевременно, но и имеет под собой очень серьезные основания.

Россия находится на пороге вступления в ВТО. И для страны, имеющей огромные запасы органического топлива, вступление в ВТО потребует принятия некоторых обязательных условий и европейских экологических норм, в том числе и по энергетике Известно, что использование органического топлива характеризуется существенным отрицательным влиянием на среду обитания человека и дикой природы.

На февральском докладе ООН о глобальном потеплении «Изменение климата 2007» ученые из 130 стран мира заявили, что если сейчас не уменьшить вредные выбросы в атмосферу, это приведет к различным климатическим изменениям, включая таяние вечной мерзлоты, затопление больших территорий, засуху, увеличение количества и силы штормов и другие стихийные явления.

Продукты сгорания органического топлива на электростанциях являются одной из основных причин парникового эффекта планеты.

К возобновляемым источникам относятся: энергия солнца, энергия ветра, энергия малых рек, энергия морских приливов и отливов, волновая энергия, геотермальная энергия, низкопотенциальная тепловая энергия земли, воды, воздуха, биомасса и отходы.

Возобновляемы источники, во-первых, неистощаемы, во-вторых, тот или иной вид энергии есть в любом регионе и, в – третьих, они на много порядков более экологически дружественны к среде обитания, чем электростанции на органическом топливе.

Рассмотрим некоторые из имеющихся на территории Челябинской области источники и попытаемся оценить их потенциал.

Энергия солнца

Солнце является основным источником энергии и играет основную роль в тепловом балансе Земли. Ежегодно на поверхность Земли поступает энергии, более чем в 30000 раз больше, чем требуется всему человечеству. Солнечная энергия, падающая на дома, достаточна для его отопления на протяжении целого года.

Различают два способа использования солнечной энергии: прямое преобразование ее в электроэнергию (например, солнечные батареи на орбитальных станциях) и преобразование в тепловую энергию. Большее применение находит второй способ. Чтобы оценить возможности использования солнечной энергии на территории Челябинской области, необходимо знать ее потенциал – количество солнечных дней, интенсивность и вероятность солнечного излучения.

Среднемесячная продолжительность солнечного сияния в весенне-летние месяцы ожидается с вероятностью 0,4-0,6. Однако, даже при такой продолжительности, использование солнечного излучения достаточно для получения, в первую очередь, тепловой энергии. Это актуально для отдельно стоящих зданий, садовых домиков, фермерских хозяйств, турбаз, охотничьих домиков, геологических партий и т.п.

Самым простым и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев воды в плоских солнечных коллекторах. Принцип действия такого устройства весьма прост: видимые лучи солнца, проникая сквозь стекло (проходит обычно 80–85 %), встречаются с черным дном коллектора и в значительной степени поглощаются им. Дно начинает испускать тепловые инфракрасные лучи, которые не могут проникнуть сквозь стекло обратно наружу; в нижнем направлении путь ему преграждает слой теплоизоляции.

Задержанное таким образом тепло передается теплоносителю, протекающему, как правило, по уложенному на дне коллектора змеевику из металлических или полимерных трубок. Такой коллектор удобно располагать на крыше дома, на солнечной стороне.

Простейшая система на основе теплового солнечного коллектора – его сочетание с расположенным выше него баком-аккумулятором горячей воды. Благодаря разности плотностей горячей и холодной воды в контуре возникает циркуляция. Для обеспечения ее надежности используется специальный насос.

Система солнечного нагрева воды (гелиосистема) предназначена для горячего водоснабжения коммунально-бытовых и хозяйственных объектов. Используя энергию солнца, гелиосистема позволяет экономить в год до 75% необходимого традиционного топлива. Согласно [1], поступление солнечной энергии на единицу горизонтальной поверхности по Челябинской области не одинаково. Штриховые линии, нанесенные на карту области (см.рис.), соответствуют постоянной величине суммарной годовой солнечной энергии.

Это дает представление о потенциале солнечной энергетики в районах области:

1 зона (1200-1150 кВт·ч/м2) – Брединский район, южные части Кизильского и Карталинского районов;

2 зона (1200-1250 кВт·ч/м2) — районы Агаповский, Чесменский, Троицкий, северная часть Кизильского и Карталинского районов, Южная часть Октябрьского района;

3 зона (1100-1150 кВт·ч/м2) – районы Уйский, Верхнеуральский, Увельский, Еткульский, южные части Сосновского, Красноармейского и северная часть Октябрьского районов;

4 зона (1050-1100 кВт·ч/м2) – районы Чебаркульский, Аргаяшский, южная часть Кунашакского района, северная часть Сосновского и Красноармейского районов.

5 зона (менее 1050 кВт·ч/м2) – районы Нязепетровский, Каслинский, северная часть Кунашакского района.

Территории горнозаводской зоны не вошли в данную градацию, т.к. имеют большую географическую неоднородность.

На основании представленного зонирования области можно оценить удельный приход солнечной энергии, ставить и решать технические и экономические задачи.

Энергия ветра

Одним из перспективных направлений развития возобновляемой энергетики является ветроэнергетика.

Ветроэнергетические ресурсы представлены на той же карте Челябинской области. К первой ветровой зоне относятся горные районы, а точнее, открытые вершины хребтов, поветренные склоны, где среднемноголетние скорости ветра больше 4 м/с. Рельеф района в предгорьях и горах очень разнообразный, что обуславливает большую изменчивость скорости ветра на близких расстояниях. Благодаря местной циркуляции здесь возникают горно-долинные ветры – ветры, дующие вдоль долин. Перспективными для размещения ВЭУ являются участки с абсолютной высотой 1000 – 1200 м. Этот район располагает большими потенциальными ветроэнергетическими ресурсами – 28597 МДж/м2 (103 МВт·ч/м2) за год. К первой зоне относится Кусинский район. Ко второй зоне относятся районы: Октябрьский, Троицкий, Чесменский, Варненский, Карталинский, Брединский, Кизильский, Агаповский, Увельский, находящиеся в степной зоне Челябинской области, а также Аргаяшский, где среднегодовые скорости варьируют в интервале от 4 до 3 м/с. Потенциальные ресурсы в данной зоне составляют 3601 МДж/м2 (12,9 МВт·ч/м2) за год, а полезная энергия – 1260 МДж/м2 (4,5 МВт·ч/м2).

К третьей ветровой зоне относятся лесостепные районы: Сосновский, Верхнеуральский, Нагайбакский, а также районы горно-лесной зоны среднего Урала: Каслинский и Нязепетровский, где среднегодовые скорости изменяются от 3 до 2 м/с, потенциальные ветроэнергетические ресурсы составляют 1841 МДж/м2 (6,63 МВт·ч/м2).

К четвертой зоне относятся Ашинский, Катав-Ивановский, Саткинский районы, где среднегодовые скорости не превышают 2 м/с. Поэтому эта зона не перспективна для ветроэнергетики.

Использование энергии ветра не только помогает решить многие проблемы энергоснабжения отдаленных объектов и загородных домов, но и получить независимость от местных энергоснабжающих организаций.

Для небольшого загородного дома при наличии среднегодовой скорости ветра более 4 м/с достаточно установок мощностью:

— около 500 Вт — для покрытия базовых потребностей в электроэнергии – освещение, телевизор, связь, радио и другая маломощная нагрузка;

— от 1,5 до 4 кВт — для электроснабжения почти полностью потребителей в типовом загородном доме, включая стиральную машину, холодильник, компьютеры и т.п.

В периоды сильного и продолжительного ветра излишки вырабатываемой электроэнергии могут использоваться для отопления.

Энергия биомассы

В сельскохозяйственных районах, имеющих развитое животноводство, заготовку леса, перерабатывающие предприятия, имеются источники значительного количества биомассы, пригодной для получения в местах потребления дешевого, экологически чистого топлива – биогаза.

Биогаз — это один из продуктов анаэробного (без доступа кислорода) брожения навоза или другого вида биомассы при температуре +30-37°С. В этих условиях под действием имеющихся в биомассе бактерий часть органических веществ разлагается с образованием метана (60-70%), углекислого газа (30-40%), небольшого количества сероводорода (0-3%), а также примесей водорода (аммиака и окислов азота). Биогаз не имеет неприятного запаха. Теплота сгорания 1м3 газа достигает 25 МДж, что эквивалентно сгоранию 0,6 л бензина, 0,85 л спирта, 1,7 кг дров или использованию 1,4 кВт электроэнергии. Он может использоваться и как обычный природный газ для приготовления пищи, обогрева. Его можно сжимать, использовать для заправки автомобиля, накапливать, перекачивать излишки, продавать.

Основой любой биогазовой установки является метантенк (реактор), в котором происходят процессы сбраживания биомассы. Объемы метантенков могут варьироваться в больших пределах — от 3 мЗ до 5 тыс. мЗ.

Биогаз можно использовать для получения электроэнергии: из одного м3 биогаза можно выработать 2-3 кВт электроэнергии. Удобрения, получаемые в виде переброженной массы — это экологически чистые жидкие и твердые удобрения, лишенные нитритов, семян сорняков, патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, специфических запахов.

Индивидуальная БГУ для крестьянского хозяйства на 5-6 голов крупного рогатого скота может перерабатывать в сутки от 100 до 200 кг исходного сырья при влажности не менее 85% и вырабатывать до 10 м3 газа. На семью из пяти человек для трехразового приготовления пищи, для приготовления кормов для скота, для санитарно-гигиенических потребностей семьи нужно не более 5 м3 биогаза в сутки.

В Челябинской области в хозяйствах имеется достаточный потенциал по производству биогаза (табл. 1).

Таблица 1. Потенциал получения биогаза на сельскохозяйственных предприятиях области

 

Таким образом, получение энергии только от использования отходов животноводства в различные годы могло бы составить от 1,5 до 6,0 ГВт электроэнергии.

Использование низкопотенциального тепла земли

Сегодня во всем мире функционирует десятки миллионов тепловых насосов, и миллионы новых вводятся в строй ежегодно. Тепловые насосы постепенно вытесняют традиционные способы теплоснабжения, и ожидается, что к 2020 году около 75% теплоснабжения в развитых странах будет осуществляться за счет тепловых насосов.

К сожалению, в Челябинской области, да и в России вообще имеется недостаточно примеров их применения. Это объясняется в том числе и тем, что для нашей страны характерно центральное теплоснабжение. Но такая ситуация не может продолжаться долго. Придется пересматривать и устоявшиеся подходы к теплоснабжению. И решением этого будет применение тепловых насосов.

Принцип действия теплового насоса аналогичен принципу действия холодильника, разница лишь в том, что в случае теплового насоса аккумулируется не холод, а тепло. Тепловой насос имеет четыре основных элемента: испаритель, компрессор, конденсатор и сбросной клапан. В испарителе хладагент нагревается до температуры +6-8°С, отобранной из окружающей среды (от земли, воды, воздуха), закипает и испаряется. Полученный пар сжимается компрессором и при росте давления температура хладагента поднимается до +35-65°С. Эта температура отдается через теплообменник конденсатора рабочей жидкости отопительного контура и хладагент обратно конденсируется. Сбросной клапан сбрасывает давление в конденсаторе, перепуская хладагент в испаритель. Цикл замыкается.

Для рационального использования тепла из окружающей среды в распоряжении имеются такие источники тепла, как грунт, вода и воздух. Все они аккумулируют солнечную энергию, так что вместе с ними косвенно используется солнечная энергия. Для работы тепловых насосов при определенных условиях могут использоваться озера и реки, т.к. они тоже выступают в роли аккумуляторов тепла.

Тепловые насосы имеют большой срок службы до капитального ремонта (до 10—15 отопительных сезонов) и работают полностью в автоматическом режиме. Обслуживание установок заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы. Срок окупаемости оборудования не превышает двух-трех отопительных сезонов.

Источники низкопотенциального тепла, пригодные для утилизации, имеются практически во всех отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве — системы оборотного водоснабжения и охлаждения технологического оборудования, шахтные воды, вентиляционные выбросы, хозяйственно-бытовые стоки, имеющие температуру +15-20оС, и др. Громадным потенциалом обладает тепло грунта, подземных вод, которые почти не используются. В системах охлаждения электростанций огромное количество низкопотенциального тепла теряется в градирнях и прудах-охладителях.

Согласно проведенным расчетам, за счет использования низкопотенциальной энергии нетрадиционных источников (при отборе их тепла хотя бы на 5оС) можно снизить теплопотребление по России на 30%, сэкономить миллионы тонн условного топлива. За счет теплонасосных установок (ТНУ) можно максимально приблизить тепловые мощности к местам потребления, минимизировать протяженность тепловых сетей.

Применение технологий утилизации низкопотенциального тепла ВИЭ и ВТЭР для целей теплоснабжения с применением тепловых насосов позволит решить ряд проблем, стоящих перед предприятиями промышленности, энергетики и коммунальной сферы:

1.Отказ от нерационального электрического и, в ряде случаев, централизованного отопления объектов жилищно-коммунального хозяйства;

2.Значительная экономия электроэнергии;

3.Обеспечение надежного и экономичного теплоснабжения объектов;

4.Полная независимость от поставщиков тепла;

5.Отказ от теплотрасс большой протяженности и, как следствие, сокращение значительных потерь и затрат на их обслуживание, снижение издержек на выработку тепла и увеличение надежности теплоснабжения.

Не только отдаленные потребители находятся в таком состоянии. Взять хотя бы ЖКХ городов. Аварии на теплотрассах, практически ежегодная замена труб и прочие негативные ситуации. Установка тепловых насосов по примеру многих европейских стран позволит раз и навсегда решить эту проблему.

Энергия малых рек

Малая гидроэнергетика может стать одним из приоритетных направлений ТЭК по обеспечению областью самостоятельной энергетической политики. Экономически обоснованным при этом являются как восстановление малых ГЭС (МГЭС), так и новое их строительство при использовании гидропотенциала водохранилищ и малых рек.

Общее количество рек в Челябинской области превышает 3,5 тысячи, но абсолютное большинство их (98%) относится к очень малым, длиной менее 10 км.

Первые гидроустановки были известны давно. На протяжении XVIII века на Урале их было построено 157. По данным официального отчета ведомства по состоянию на 1860-1861 год, на всех уральских гидроустановках действовало около 1640 колес общей мощностью в 31260 л.с. (23132 кВт) и около 50 гидротурбин, общей мощностью 1310 л.с. (9694 кВт). До сегодняшнего дня без радикальной реконструкции работает Порожская ГЭС по реке Б.Сатка, запущенная в 1908 году.

Сейчас на территории Челябинской области эксплуатируется около 392 прудов и водохранилищ с суммарным полным объемом более 3360 млн.м3 и полезным объемом более 2600 млн.м3. Создаваемый плотинами этих гидроузлов напор и попуски в нижний бьеф могут быть использованы для выработки электроэнергии. Их всех гидроузлов только на Верхнеуральском (р.Урал) и Порожском (р.Б.Сатка) водохранилищах используется гидроэнергетический потенциал стока.

Таблица 2. Возможные МГЭС при водохранилищах Челябинской области

В таблице представлены параметры МГЭС при водохранилищах, при которых целесообразно строительство ГЭС. Диапазоны энергии, которая может быть получена в створе гидроузла, определены по двум параметрам. Верхний предел определен по сработке полезного объема, а нижний предел – по полезной водоотдаче. Полезная водоотдача рассчитывается по 95%-ному сбросу из водохранилищ, предназначенных для водоснабжения и 85%- ному сбросу для целей сельского хозяйства.

Обзор имеющихся на территории Челябинской области возобновляемых источников показывает, что их потенциал достаточен для использования с целью получения энергии, и во многих случаях это может быть весьма эффективно. Особенно это касается отдаленных населенных пунктов, не охваченных централизованным электроснабжением.

В этом случае для поселков, фермерских хозяйств, баз отдыха, не имеющих возможности подключаться к энергосистеме из-за высокой стоимости сооружения ЛЭП и подстанций, использование альтернативных источников будет решением проблемы. Для мелких же потребителей, подключенных к энергосистеме, характерны очень высокие потери электроэнергии при передаче ее от электростанций. Использование такими потребителями возобновляемых источников также целесообразно с экономической точки зрения.

Кроме этого, замещение энергии, выработанной традиционными способами, энергией, полученной на возобновляемых источниках, позволит снизить выбросы в атмосферу при сжигании органического топлива и решить экологические, социальные и экономические вопросы.

 

Литература

1. Исследование и обоснование использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в энергоснабжении Челябинской области. Отчет о НИР ЧГАУ/Саплин Л.А. и др. Челябинск, 1998.