Н.Г. Кириллов – Инновационно-консультационный центр стирлинг-машиностроения

В современных условиях перед российской энергетикой стоит ряд сложных задач, решение который пока неочевидно. Например, по прогнозам, спрос на электроэнергию в России к 2020 году увеличится на 70%. Как избежать дефицита энергомощностей за столько короткий срок, ведь осталось менее 10 лет? Или, например, в соответствии с установкой президента Дмитрия Медведева к тому же 2020 году энергоемкость ВВП должна снизиться на 40% по сравнению с 2007 годом. Как решить эту задачу в условиях технологической отсталости отечественной промышленности? По расчетам Минэкономразвития России, 80-85% прироста потребности России в энергии должно быть покрыто за счет повышения энергоэффективности экономики страны. На эти цели Минэнерго планирует до 2015 г. направить из бюджета порядка 630 млрд руб., что позволит приблизить энергоемкость российской экономики к европейским стандартам.

Мировой опыт показывает, что одним из основных направлений повышения энергетической эффективности экономики является развитие альтернативной энергетики. Это подразумевает более широкое использование возобновляемых источников энергии и применение современных эффективных технологий генерации электрической и тепловой энергии. Использование возобновляемых источников получения энергии, их активное внедрение в жизнь с каждым годом приобретает все более серьезные масштабы. К 2020 году Европейский союз планирует в соответствие со своей энергетической стратегией «20-20-20» увеличить долю возобновляемых источников энергии в общем топливном балансе до 20%, что, по замыслу европейцев, даст возможность сократить удельный спрос на традиционные энергоресурсы на 20%. Это позволит странам Евросоюза к 2030 г. увеличить валовой национальный продукт на 79% при снижении энергопотребления на 7%. В перспективе европейские государства будут получать из возобновляемых источников не менее трети потребляемой энергии. Соединенные Штаты, главный мировой импортер углеводородов, также разрабатывают свою стратегию в этом направлении. В США финансирование энергетики возобновляемых источников и энергоэффективности из федерального бюджета сопоставимо с расходами на атомную энергетику и обращение с радиоактивными отходами. Согласно планам президента Барака Обамы, к 2012 г. в стране доля энергии, получаемой за счет возобновляемых источников, должна достичь 10%, а к 2025 г. – 25%.

Необходимость развития альтернативной энергетики в условиях сокращения запасов нефти и газа, стремление к повышению энергетической и экологической эффективности промышленного производства становятся в последнее время в развитых странах не только объектом обсуждения на самом высоком уровне, но и предметом выработки конкретных решений. Красноречивым примером конкретного решения в области альтернативной энергетики является грандиозный проект, не имеющий аналогов в мире. В штате Невада на площади 160 кв. км создается «солнечная ферма» с 70 тыс. энергетическими установками на основе двигателей Стирлинга. Необходимо отметить, что этот проект лично курировал бывший президент США Джордж Буш. И это понятно, ведь по расчетам американских специалистов, в итоге будет полностью покрыта потребность южных и юго-западных штатов в электроэнергии.

Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли, в 6,7 раза больше мирового потенциала ресурсов органического топлива. Использование только 0,5% этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии на тысячелетия. Именно поэтому после реализации проекта «солнечной фермы» с двигателями Стирлинга в США подобный опыт планируется использовать во многих южных регионах мира (рис. 1).

Для зарубежных политиков и бизнесменов возобнов- ляемая энергетика давно стала одним из перспективных направлений, способствующих выходу из кризиса, решению экологических и климатических проблем, вызванных технологическими процессами получения энергии из традиционного топлива. Развитие альтернативной энергетики в России уже в ближайшие годы позволит:

• обеспечить электричеством, теплом и топливом удаленные районы России, где завоз топлива – дорогое и ненадежное мероприятие. Так, в самом большом по площади субъекте Федерации, Республике Саха, примерно 75% всех коммунальных расходов в 2006 г. пришлось на долю поставок горючего. Стоимость его транспортировки в 2007 г. оценивалась в 1,2 млрд рублей. Особенно это относится к северным и приравненным к ним территориям. За последние 10 лет число населенных пунктов, не подключенных к сетям общего пользования, резко возросло из-за разрушения линий электропередач; те населенные пункты, которые получали энергию от дизельных электростанций, часто остаются без света из-за выхода дизельных генераторов из строя и невозможности их замены. Речь здесь идет об условиях жизни 20-30 млн человек;
• повысить надежность энергоснабжения энергодефицитных районов РФ, хотя и охваченных централизованным электроснабжением, но имеющих ограничение по мощности либо по видам энергии. Присоединение новых потребителей к электросетям в этих районах очень дорого, а отказы в присоединении стали массовым явлением;
• высвободить в структуре энергобаланса страны объемы традиционных энергоносителей, необходимые для выполнения договоров по долгосрочным контрактам на экспортную поставку нефти и природного газа развитым зарубежным странам;
• подтолкнуть российскую электроэнергетику к инно- вациям. Эффект от этого выйдет далеко за пределы отрасли: ведь появление спроса на энергетическое оборудование, работающее на местных видах топлива, скажем на биомассе, обязательно должно вызвать соответствующее предложение со стороны отечественных производителей, а это в свою очередь подхлестнет машиностроение, химическую про- мышленность, науку. То есть альтернативная энергетика имеет все шансы стать новой точной роста российской высокотехнологичной экономики. Это подтверждается недавно высказанным мнением президента Дмитрия Медведева о том, что «Россия должна быстро действовать, чтобы застолбить себе место» на мировом рынке технологий производства чистой и возобновляемой энергии;
• благодаря внедрению новых технологий в стране создаются дополнительные рабочие места и т.д.

Все это заставляет срочно пересмотреть отношение к альтернативной энергетике, тем более что мы это можем сделать с определенной выгодой для себя, учтя те ошибки и перегибы, которые имели место в других странах. Реформирование и либерализация рынка электроэнергии должны этому только способствовать, поскольку именно в рамках свободного рынка частные генерирующие компании будут стремиться к внедрению инноваций.

Анализ ресурсов и перспектив использования различных видов возобновляемых источников энергии

В России есть необходимые природные ресурсы для развития альтернативных источников энергии. По имеющимся оценкам, потенциал возобновляемых источников энергии в России составляет около 4,6 млрд т у.т. в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России.

К возобновляемым ресурсам относится энергия Земли, солнца, ветра, морских волн, биомассы и др. Нельзя сказать, что эти ресурсы присутствуют в изобилии и равномерно распределены по территории, но они есть и способны решать такие задачи как повышение надежности электроснабжения, создание резервных мощностей, компенсация потерь, снабжение электроэнергией удаленных районов.

Безусловно, наиболее значимыми для России с точки зрения их промышленного применения являются биомасса, энергия ветра и солнца.

Биомасса. Биомасса – термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную – отходы переработки первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных. В свою очередь отходы также делятся на первичные – отходы при переработке первичной биомассы (солома, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и т.д.) и вторичные – продукты физиологического обмена животных и человека.

Ежегодно воспроизводимый на Земле энергетический потенциал растительной биомассы оценивается в 3×10²¹ Дж, что в 10 раз выше мировой добычи ископаемого топлива. Многие специалисты рассматривают биомассу как наиболее вероятный источник энергии после истощения запасов традиционных энергоносителей.

Возврат к местным видам топлива и прежде всего к биоресурсам – это не возврат в прошлое, а разумный подход к экономике и экологии. Известно, что в лесопильном производстве России 50% древесины превращается в отходы, к которым добавляются соизмеримые по величине отходы деревообрабатывающих и мебельных предприятий.

Кроме того, в сельском хозяйстве ежегодно накапливается значительное количество отходов биомассы. Ежегодное количество органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России более 390 млн т. Сельскохозяйственное производство дает 250 млн т, из них 150 млн т приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн т – на растениеводство. Лесо- и деревопереработка дают 700 млн т, твердые бытовые отходы городов – 60 млн т, коммунальные стоки – 10 млн т (все приведенные значения даются на абсолютно сухое вещество).

Традиционными для России и наиболее распространенными и доступными для населения возобновляемыми источниками энергии из биомассы являются древесина и торф. На рис. 2 видно, что Россия располагает огромным потенциалом избыточной биомассы, особенно в районах децентрализованного энергоснабжения, которая может быть использована как дешевый вид местного топлива. Дрова сейчас используют более 5 млн семей, потребляя свыше 50 млн куб. м древесины. Централизованно топливоснабжающие предприятия реализуют около 6 млн куб. м дров.

Торф относится к возобновляемым ресурсам. Ежегодно в мире образуется почти 3 млрд куб. м торфа, что примерно в 120 раз больше, чем используется. Общие запасы торфа на территории России оцениваются в 162,7 млрд т (при влажности 40%). Наиболее обеспечены торфяными ресурсами северные районы Европейской части, Западной Сибири, Урала и Северо-Запада. Запасы торфа могут при соответствующих условиях возобновляться. Ежегодный прирост торфа на болотах России 250 млн т. Запасы его только на разрабатываемых месторождениях позволяют довести объем добычи до эквивалента 7% объема ежегодно потребляемого угля.

Благодаря низкой трудоемкости и энергоемкости добычи топливного торфа, простоте транспортных схем и коротким расстояниям вывозки торф в ряде регионов сохраняет конкурентоспособность с другими видами ввозимого твердого топлива. Кроме того, торф характеризуется низким содержанием серы и золы, что обеспечивает невысокий уровень вредных выбросов при его сжигании. В 2000 г. на электростанциях России было использовано 1,7 млн т торфа.

Прогнозируются следующие показатели производства и использования торфа в энергетике до 2020 года:

• обеспечение новых тепловых электростанций единичной мощностью 20-30 МВт и котельных в богатых торфом энергодефицитных северных регионах – до 4 млн т;
• увеличение добычи кускового торфа – до 3 млн т;
• развитие производства торфяных брикетов – до 1 млн т.

Экономические расчеты показывают, что при стоимости 1300 руб. за 1000 куб. м природного газа в регионах с избыточными запасами биомассы рентабельно переходить на ее использование в качестве топлива. Так, например, Карелия располагает значительными ресурсами постоянно возобновляемой биомассы в виде древесных растений, торфа и отходов сельского хозяйства, которые могут быть использованы в энергетических целях. Запасы торфа в Карелии оценены в 2 млрд т, ресурсы древесного сырья лиственных пород около 2 млн м³/год. Только за счет использования торфа и древесного сырья можно на 60% уменьшить объем привозного топлива, а это практически третья часть карельского бюджета. Согласно концепции развития топливно-энергетических ресурсов Ленинградской области, к 2020 году доля биотоплива на муниципальных котельных должна увеличиться до 17% (сейчас 3,2%). Регион достигнет уровня Швеции, Финляндии и других стран, где биоэнергетика развита очень хорошо.

Энергия солнца. Потенциал солнечной энергии в России (2,3 млрд т у.т. в год) приблизительно в 2 раза выше сегодняшнего потребления топлива.

На рис. 3 видно, что наиболее «солнечные» районы у нас – Приморье, Юг Сибири получают от 4,5 до 5 кВт•ч/день•м², что больше чем в Германии (3,2 кВт•ч/день•м²) и вполне сравнимо с Италией (6 кВт•ч/день•м²). Другие районы – Краснодарский край, Юг Якутии, Восточная Сибирь сравнимы с югом Франции и центральной Италией. Таким образом, по «солнечному ресурсу» по крайней мере часть нашей территории не уступает ведущим потребителям солнечной энергии. Это значит, что в некоторых труднодоступных районах проще установить «солнечные фермы», чем тянуть ЛЭП, наращивать мощность и ломать голову над тем, где взять сырье.

Энергия солнца может использоваться для решения множества задач. Одна из них – преобразование солнечной энергии в электрическую, в так называемое солнечное электричество.

Для этого ранее использовались только солнечные батареи, основным элементом для производства которых является кремний. Однако это очень дорого. Наиболее перспективным направлением преобразования энергии солнца в электрическую является использование двигателей с внешним подводом теплоты – двигателей Стирлинга.

Вторым вариантом применения солнечного света является использование его по прямому назначению – для нагрева воды, отопления помещений, сушки различных материалов. В этих целях используют тепловые коллекторы. Летом в средней полосе Европейской части России дневная производительность 1 кв. м тепловых коллекторов может достигать 50-60 л воды температурой 60-70 °С.

Однако одним из наиболее серьезных препятствий реализации солнечной энергетики является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения не более 250 Вт/м². Поэтому для создания объектов солнечной энергетики требуются большие свободные территории.

Энергия ветра. Зарубежный опыт создания объектов ветроэнергетики показывает, что экономически целесообразно строить ветряные электростанции там, где скорость ветра большую часть года не менее 5 м/с (рис. 4).

И чем больше, тем лучше – выработка электроэнергии пропорциональна кубу скорости ветра: при увеличении ее всего в два раза производство энергии возрастает в восемь раз.

Ветровые ресурсы в России сконцентрированы вдоль береговых линий, поскольку именно здесь из-за перепада температур ветры достаточно сильны и имеют устойчивый характер. Развитие ветроэнергетики целесообразно в районах Крайнего Севера, на побережье и островах северных и восточных морей от Мурманска до Находки, Балтийского, Черного, Азовского и Каспийского морей и в ряде других мест. Именно в этих районах уже установлены и функционируют немногочисленные отечественные установки – в п. Куликово (Калининградская обл.) – 5,1 МВт, Анадырская ВЭС мощностью 2,5 МВт.

Кроме того, ветрогенераторы можно эксплуатировать на северо-западе страны (Архангельская и Калининградская обл., Республика Карелия), на Северном Кавказе (Астраханская и Ростовская обл., Краснодарский край, Республика Дагестан, Республика Калмыкия), в Сибири (Новосибирская и Тюменская обл.) и на Дальнем Востоке (Магаданская и Сахалинская обл., Хабаровский край).

Ветряная электростанция – установка, преобразующая кинетическую энергию ветра в электрическую. Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат (рис. 5).

У ветровой энергетики, как и у солнечной, есть свои недостатки. Во-первых, поскольку плотность воздуха в 800 раз меньше плотности воды, много энергии из него не выжмешь. Самые крупные агрегаты имеют мощность не более 6 МВт. Во-вторых, низкий коэффициент использования установленной мощности (КИУМ). Он показывает, сколько процентов энергии выработано за год в отношении к установленной мощности ветроагрегата. При установке в подходящем месте типичный КИУМ современных ветроагрегатов 15-20%. Т.е. мегаваттный агрегат в среднем выдает 150-200 кВт мощности.

Анализ современных энергоэффективных технологий генерации электрической и тепловой энергии

Альтернативная энергетика, кроме использования возобновляемых источников энергии, подразумевает также внедрение современных высокоэффективных технологий производства электрической и тепловой энергии. Как правило, это технологии, разработанные за рубежом. С учетом специфики отечественных условий для России наибольший интерес представляют децентрализованные системы теплоснабжения на основе тепловых насосов, когенерация и стирлинг-технологии.

Тепловые насосы. Несомненно, наиболее важным устройством нетрадиционной энергетики и энергоресурсосбережения является тепловой насос. Тепловой насос – это устройство, работающее по принципу холодильной машины и имеющее способность, используя теплоту низкого потенциала, получать теплоту более высокого потенциала. Особенность теплового насоса в том, что произведенное тепло всегда больше подведенной энергии от энергоисточника высокого потенциала. Это происходит, потому что тепло производится не только за счет энергии энергоисточника (газа, угля, электрической энергии или пара), но и за счет дополнительной тепловой энергии, отбираемой от низкопотенциального источника, т.е. источника с более низкой температурой (геотермального, жидких промышленных или бытовых стоков, воздуха, грунта, реки). В промышленно выпускаемых установках экономия топлива 20-70%. Возможный диапазон темпе- ратур низкопотенциального источника очень широк (+80… –17 °С).

Использование уже существующих теплонасосных установок позволяет при удельных затратах в 1 кВт получить на выходе для теплоснабжения 3-7 кВт тепла в зависимости от температурного уровня источника низкопотенциальной теплоты. Применение такого рода установок за рубежом становится нормой и позволяет ежегодно сокращать на 10% потребление топливных ресурсов.

Согласно прогнозам Международного энергетического комитета по тепловым насосам, тепловая мощность, производимая тепловыми насосами к 2020 г. в передовых странах для отопления и горячего водоснабжения, составит 75%. Во многих развитых странах тепловые насосы являются основой энергосберегающей политики. Так, уже сейчас в США более 30% жилых зданий оборудованы тепловыми насосами. В Швеции 22% домов (350 тыс.) обогреваются тепловыми насосами. В мире насчитывается около 40 млн ед. тепловых насосов, в то время как в России всего 140.

В России тепловым насосам внимание практически не уделяется. А зря. Результаты исследований российских ученых в рамках федеральной целевой программы «Энергоэффективная экономика» показывают, что эксплуатационные затраты при использовании тепловых насосов в качестве источника тепловой энергии в 3,69 раза меньше, чем при электрообогреве, в 1,3 раза меньше, чем при обогреве от газовой котельной, в 2,44 раза меньше, чем от мазутной, и в 1,9 раза меньше, чем от угольной.

Когенерация. Когенерационные установки (КУ) позволяют осуществлять комбинированное производство электроэнергии и тепла за счет передачи теплоты, образующейся в процессе работы двигателя, через систему теплообменников в отопительный контур. При этом в среднем на 100 кВт электрической мощности потребитель получает около 200 кВт тепловой мощности в виде горячей воды (90 °С) для отопления и горячего водоснабжения. КУ могут использоваться в масштабах от мини-блоков для отдельных сооружений и до энергоснабжения крупных промышленных объектов или небольших населенных пунктов.

По пути широкого применения КУ идет большинство стран Европы. Сегодня доля электроэнергии, вырабатываемой КУ в странах Западной Европы, составляет более 10%.

Когенерационные установки имеют низкую стоимость эксплуатации, установочной мощности (700-1000 $/кВт), производимой электроэнергии и тепла, они обладают большим ресурсом и безопасны. Опыт эксплуатации существующих КУ показывает, что удается обеспечить экономию до 40% природного газа по сравнению с раздельным получением тепла и электричества.

Стирлинг-технологии. Это совершенно новая технология автономного энергоснабжения, практически не известная российскому потребителю, но получающая быстрое развитие в развитых странах. Широкая универсальность термодинамического цикла Стирлинга, позволяющая при различном конструктивном исполнении создавать как двигатели, так и тепловые насосы, наивысшая энергетическая эффективность (теоретический КПД цикла идеальной машины Стирлинга равен КПД цикла Карно) и высокая степень экологической чистоты как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации, позволяют создавать на их основе системы автономного энергоснабжения различного функционального назначения (стирлингтехнологии).

Двигатель Стирлинга, в отличие от других типов двигателей, является уникальной тепловой машиной, поскольку относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты. Это исключительное свойство позволяет применять в двигателях Стирлинга любые виды топлива, как традиционные (нефтепродукты, природный газ, пропан), так и нетрадиционные (древесину, биогаз, уголь, отходы деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства), а также использовать солнечную и любые другие виды энергии. Многотопливность двигателей Стирлинга делает их особенно привлекательными в области использования энергии из возобновляемых и местных источников энергии. По мнению многих зарубежных специалистов, именно энергетические установки с двигателем Стирлинга, работающие на местном топливе, сыграют решающую роль в энергообеспечении стран третьего мира. Сейчас в мире разворачивается производство двигателей Стирлинга, работающих на сжигании древесной щепы, пеллет, соломы, рисовой шелухи, биогаза и на энергии солнца. Созданы опытные образцы и готовится их серийное производство.

Заключение

В Российской Федерации определенные меры по развитию альтернативной энергетики и повышению энергетической эффективности принимаются. Однако в целом стройная система управления, соответствующая важности данного сектора энергетики, не сложилась. Содержащиеся в Энергетической стратегии показатели носят индикативный характер и не являются обязательными для выполнения правительством страны и органами исполнительной власти субъектов РФ.

Несмотря на высокую экономическую и экологическую эффективность альтернативной энергетики, без принятия федеральных законов и региональных законодательных актов, закрепляющих систему организационно-правовых и финансово-экономических мер, направленных на господдержку и стимулирование широкого использования возобновляемых источников энергии и применения современных энергоэффективных технологий генерации электрической и тепловой энергии, ее реальное широкомасштабное применение у нас в стране будет затруднено.

Для России, помимо повышения энергетической безопасности, социально-экономическая эффективность создания и широкого внедрения систем альтернативной энергетики, прежде всего с использованием местных видов топлива, определяется увеличением количества рабочих мест на всех стадиях добычи, производства, транспортировки и использования этих видов топлива, увеличением налоговых поступлений в местные бюджеты, развитием новых направлений машиностроения, научно-исследовательских работ и отраслевых конструкторских разработок в этой области.