Актуальность возобновляемых и вторичных источников энергии в малой энергетике Пермского края Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.311.22:662.6(470.53) © Д.Г. Закиров, ЮА. Слаутин, 2017

Актуальность возобновляемых и вторичных источников энергии в малой энергетике Пермского края

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-4-60-63

ЗАКИРОВ Данир Галимзянович

Доктор техн. наук, профессор кафедры (ИТАС) ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский

политехнический университет» (ПНИПУ), 614990, г. Пермь, Россия, тел.: +7 (342) 2-391-354, e-mail: [email protected]

СЛАУТИН Юрий Александрович

Старший преподаватель кафедры ИТАС ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский

политехнический университет» (ПНИПУ),

советник РАЕН,

614990, г. Пермь, Россия,

тел.: +7 (342) 2-391-354,

e-mail: [email protected]

Статья посвящена актуальной проблеме использования возобновляемых и вторичных источников энергии в малой энергетике региона (на примере Пермского края). Развитие малой и возобновляемой энергетики становится актуальной задачей в связи с непрерывным ростом цен на энергоносители, превышающим почти в два раза уровень инфляции, а также нарастающими экологическими проблемами. В статье особое внимание уделено обоснованию преимуществ использования мини-ТЭЦ. Описаны задачи восстановления заброшенных малых ГЭС, выработки электрической энергии с использованием силы ветра, сжигания древесины, опила и отходов лесного и сельскохозяйственного производства. Приведен ряд мер для комплексного использования преимуществ малой энергетики, возобновляемых источников энергии и широкого внедрения новых энергосберегающих, экологически безопасных технологий по использованию вторичных энергетических ресурсов. Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, вторичные источники энергии, малая энергетика, энергосбережение, мини-ТЭЦ, малые ГЭС, энергия биомассы.

В связи с непрерывным ростом цен на энергоносители, превышающим почти в два раза уровень инфляции, нарастающими экологическими проблемами особо актуальной задачей становится развитие малой и возобновляемой энергетики.

Пермский край - один из наиболее энергопроизводящих и энергоемких регионов Российской Федерации. На

его территории расположены крупные производители энергии (Камская и Воткинская ГЭС, Пермская ГРЭС) и мощные промышленные комплексы - энергопотребители. Регион имеет стратегическое значение для естественных монополий, где сплетены интересы ОАО «Газпром», НК «ЛУКОЙЛ» и других крупных предприятий.

Все перечисленные факты, наличие развитой энергетической инфраструктуры, значительная энергоемкость производств вынуждают серьезно относиться к проблемам энергетики, энергосбережению и повышению эффективности использования топлива и энергии и к использованию возобновляемых источников энергии.

В конце 2009 г. был принят ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности...» [1], который создал правовые, экономические и организационные предпосылки для энергосбережения и повышения энергетической эффективности, в основном в сфере потребления энергоресурсов.

Проблемам энергосбережения посвящены многие научные работы как российских, так и зарубежных авторов [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].

В топливном балансе Пермского края газ занимает 94%, уголь - 4%, возобновляемые источники - всего 0,023%. Газ и уголь в регион завозятся, поэтому комплексное использование местных ископаемых, нетрадиционных возобновляемых источников энергии является особо актуальной проблемой, которая позволяет решать серьезные социально-экономические задачи.

ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ

И ЭКОНОМИЧНОСТИ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ, ОБНОВЛЕНИЕ

ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Особо актуальными сегодня являются проблемы надежности и экономичности энергоснабжения потребителей, а также обновление основного оборудования в энергетике. Старение основных фондов продолжается. Надежность энергоснабжения падает. Обновление основных фондов продолжается за счет существующих тарифов, то есть за счет потребителей энергии.

Проблему можно решить тремя путями:

- сооружением крупных электростанций;

- строительством мини-ТЭЦ мощностью от 30-100 кВт до 10-20, 50-100 МВт на промышленных предприятиях и внедрением технологий использования возобновляемых источников энергии;

- эффективным использованием существующего потенциала энергосбережения.

На сооружение крупных электростанций, сроки окупаемости которых составляют не менее 4-5 лет, требуется 20-50 млрд дол. США, поэтому первый путь без государственной поддержки, без правительственного плана для России неприемлем. Все существующие электростанции находятся в частных руках. Частник на такие инвестиции не пойдет, солидных же западных инвесторов пока нет.

Казалось бы, у нас в энергоизбыточном регионе должны быть конкурентная среда, самые низкие тарифы, «остановка роста тарифов». Однако этого не происходит. Для создания конкурентной среды, по нашему мнению, необходим альтернативный источник генерации электричества и тепла, который остановит рост тарифов предприятий-монополистов.

В этих условиях наиболее реален второй путь решения проблемы надежности и экономичности энергоснабжения, который вполне устраивает промышленные предприятия, - строительство мини-ТЭЦ мощностью от 30-100 кВт до 10-20, 50-100 МВт за счет средств этих предприятий.

Сооружение мини-ТЭЦ обходится в 3-5 раз дешевле, чем строительство крупных электростанций. Срок сооружения мини-ТЭЦ в зданиях не превышает одного года, а при контейнерной поставке ее элементов и оборудования может быть сокращен до 1-2 мес. К тому же такие ТЭЦ весьма привлекательны для инвестиций, так как окупаются за 1-4 года.

Создание собственных источников энергии на промышленных предприятиях объясняется целым рядом преимуществ мини-ТЭЦ:

- значительным снижением потерь электрической и тепловой энергии за счет их приближения к потребителям;

- уменьшением в 2-3 раза затрат предприятий на электроэнергию и тепло и, соответственно, снижением себестоимости выпускаемой промышленной продукции;

- существенным повышением надежности электроснабжения и независимостью роста мощности предприятий от потенциала энергосистем. Кроме того, в настоящее время электрический КПД мини-ТЭЦ достигает 40%, а тепловой -50%, то есть их полный КПД находится в пределах 80-90%, что даже выше, чем крупных ТЭЦ.

Кроме того, на некоторых предприятиях имеются мощные котельные установки, не загружены паровые котлы. Реконструкцию их необходимо производить с установкой паровых турбогенераторов для выработки электрической и тепловой энергии.

В ходе реформирования электроэнергетики за рубежом стала расти доля электростанций, принадлежащих промышленным предприятиям. Только за последние 8-10 лет в США в четыре раза выросли мощности электростанций предприятий. В европейских странах «малая» энергетика дает от 15 до 30% всей генерации, а в России - пока только десятые доли процента. Можно с уверенностью сказать, что аналогичное строительство начнется и у нас.

Иметь собственные источники энергии сегодня выгодно, так как их экономичность, как правило, не ниже, чем на электростанциях АО-энерго, а иногда и выше. Такие энергоисточники полностью исключают транспортную составляющую тарифа, которая в составе общего тарифа на электроэнергию достигает45-50%, а в составе общей платы за тепловую энергию иногда и выше ее стоимости в коллекторах ТЭЦ.

Исходя из этого, Ассоциацией энергетиков Западного Урала была разработана Концепция решения проблемы

надежности, экономичности энергоснабжения потребителей путем строительства собственных источников энергии, а также рабочие программы. Разработаны прогноз и программа вводимых мощностей промышленных предприятий.

Мини-ТЭЦ на основе паровых турбогенераторов позволяет получать в промышленных котельных кроме тепловой еще и электрическую энергию. Турбина включается в тепловую схему котельной так, что используется перепад между давлением на выходе из котла и давлением, которое необходимо для работы системы отопления и для обеспечения нужд промышленного производства. Использование паровых турбогенераторов позволяет наращивать потребление электрической мощности без введения дополнительных энергогенерирующих мощностей в централизованной системе.

В угольной промышленности существующие шахтные котельные имеют большой срок эксплуатации, работают в неэкономичных режимах, имеют сверхнормативные выбросы в атмосферу, требуют реконструкции. Реконструкцию их необходимо производить с установкой паровых турбогенераторов в модульном исполнении, работающих на угле собственной добычи с целью обеспечения необходимых нужд шахты и прилегающих поселков в тепловой и электрической энергии.

Довольно широкие возможности использования мини-ТЭЦ на основе паровых турбогенераторов имеются не только на угольных, но и на промышленных предприятиях, удаленных от городской черты.

АВТОНОМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Актуальными становятся автономные источники энергии на базе возобновляемых источников энергии. Правительством приняты «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.», где установлен ряд льгот и преимуществ для поставщиков энергии на основе возобновляемых источников энергии.

Пермский край находится в более выгодном положении, чем другие регионы. В крае много заброшенных малых ГЭС, лесных и сельскохозяйственных отходов. У нас разрабатываются, выпускаются и внедряются газотурбинные электростанции. В свое время были разработаны проект Закона «Об энергетической безопасности» и программы демонстрационной зоны энергоэффективных проектов «Западный Урал», основными целями которых и были разработка и внедрение автономных источников энергии на базе газотурбинных установок и возобновляемых источников энергии. Кроме того, автономные энергоисточники выгодны и для малого бизнеса, если использовать микротурбинные системы, которые отличаются компактностью, модульностью конструкции и масштабируемостью. Сегодня выгодными становятся восстановление заброшенных малых ГЭС, выработка электрической энергии с использованием силы ветра, сжигания древесины, опила и отходов лесного и сельскохозяйственного производства.

В Пермском крае потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) составляет почти четверть энергопо-

требления региона, а используется только малая часть. Крайне нуждаются в обеспечении более дешевыми энергоресурсами удаленные северные территории края, ориентированные на привозное топливо, энергообеспечение которых обходится свыше 40% бюджета соответствующих территорий.

Наш регион имеет большой потенциал гидравлической энергии. В Пермском крае находятся 29000 малых и около 600 средних и крупных рек. Большую выгоду сулит восстановление гидравлических станций, в свое время заброшенных, на малых реках. Например, в Оханском районе существуют три заброшенных гидроэлектростанции, сохранились плотина, фундамент и само здание ГЭС.

При их восстановлении можно получить 1 МВт-ч энергии, которая полностью обеспечит потребности района. По предварительным подсчетам, срок окупаемости строительства - четыре года. Такие гидроэлектростанции имеются в Очерском, Красновишерском и ряде других районов. В нашей области много прудов, на каждом из которых можно поставить гидротурбину, которая будет вырабатывать электроэнергию.

Имеются потенциальные возможности использования энергии ветра, биомассы, биогаза.

В Пермском крае имеется ряд леспромхозов, много отходов деревообработки (биомасса). Для утилизации этих отходов необходимо внедрить небольшие по размеру, рентабельные экологически чистые ТЭЦ, базирующиеся на использовании биомассы. Общий КПД таких установок -90%, мощность по электроэнергии - 10 МВт, тепловая мощность - 28 МВт. Пионерский проект по использованию отходов деревообработки внедрен в ОАО «Соликамскбумпром».

В регионе находится ряд крупных животноводческих комплексов, птицефабрик, где имеется громадный потенциал получения дешевого биогаза и использования его в потребностях малой теплоэлектроэнергетики.

Пермский край находится на северной широте, и использование солнечной геотермальной энергии грунта затруднено. Солнечная радиация оказывает влияние на тепловой режим слоев грунта, залегающих на глубинах, не превышающих 10-20 м. Ниже находятся слои, тепловой режим которых формируется под воздействием радиогенного тепла и не зависит от сезонных, а тем более от суточных изменений параметров наружного климата. Так, например, минимальная температура в грунте на глубине 1,6 м наблюдалась в Перми и Новосибирске в апреле, а в Москве, Барнауле - в марте, в то время как минимальная температура наружного воздуха, соответствующая пиковым нагрузкам на систему теплоснабжения для этих городов, приходится на январь.

Таким образом, на незначительной глубине от поверхности зданий всегда имеются слои грунта, температурный потенциал которых в холодное время года значительно выше наружного воздуха. Самые общедоступные источники низкопотенциального тепла - поверхностные слои грунта земли, вода, если водоем находится вблизи от объектов теплоснабжения. От этих источников всегда можно использовать с помощью тепловых насосов низкопотенциальное тепло.

Особый практический и теоретический интерес представляют исследования и разработки систем утилизации ВТЭР с применением тепловых насосов, которые позволяют

утилизировать низкопотенциальную энергию практически любых промышленных и бытовых тепловых сбросов. При этом сам тепловой насос является полностью или в значительной степени экологически чистым источником энергии.

Проведенные нами энергетические обследования предприятий региона показывают наличие большого потенциала неиспользованных вторичных энергетических ресурсов.

На предприятиях топливно-энергетического комплекса много тепла теряется с отходящими газами ТЭЦ, котельных, сушильных установок обогатительных фабрик, с охлаждающей водой технологического оборудования.

Большие потери имеются в металлургическом производстве, где в конверторном производстве используется всего 30% тепловых энергоресурсов.

Почти на каждом предприятии имеется оборотная вода в технологических процессах с температурой до 40°, которая охлаждается в градирнях, а огромное количество низкопотенциального тепла выбрасывается в атмосферу.

Среди множества тепловых вторичных энергоресурсов, образующихся при работе технологических установок и энергетического оборудования на промышленных предприятиях, можно выделить основные:

- тепло уходящих дымовых газов котлоагрегатов, печей и других топливоиспользующих установок;

- тепло охлаждающей воды и других жидкостных потоков от технологического оборудования;

- тепло парогазовых потоков от сушильных установок;

- тепло вытяжного воздуха систем вентиляции и кондиционирования и некоторые другие.

Значительным тепловым потенциалом располагают хозяйственно-бытовые стоки в коммунальном хозяйстве, используя их, можно значительно снизить себестоимость тепловой энергии. На основании проведенных исследований, используя температуру сбрасываемой горячей воды в квартирах, можно снизить до 30% потребление тепла в жилом секторе.

Для комплексного использования преимуществ малой энергетики, возобновляемых источников энергии и широкого внедрения новых энергосберегающих, экологически безопасных технологий по использованию вторичных энергетических ресурсов необходимо:

- провести научно-исследовательские работы и определить перспективные направления использования возобновляемых источников энергии и вторичных энергетических ресурсов, оценить их масштабы и области наиболее эффективного использования перспективного теплоснабжения возрастающих потребностей горно-металлургического комплекса, промышленности, жилищно-коммунальных нужд и сельского хозяйства области, обосновать создание энергосберегающих технологий;

- на основании проведенных исследований разработать комплексную программу использования возможностей малой энергетики, местных источников ТЭР, возобновляемых источников и вторичных энергетических ресурсов Пермского края;

- учитывая наибольшие перспективность и экономическую эффективность, разработать комплексную программу по созданию и внедрению природоохранных энергосберегающих технологий с применением теплонасосных установок на предприятиях Западного Урала;

- разработать необходимый параметрический ряд тепловых насосов и организовать их серийное производство на конверсионных предприятиях края;

- объединить имеющиеся научные силы и свободные производственные мощности по разработке и серийному производству теплонасосной техники и энергосберегающих технологий в рамках одной программы, предусматривая финансирование из местного бюджета и определенные ассигнования из федерального бюджета.

Список литературы

1. Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

2. Патент РФ № 2243460. Способ утилизации низкопотенциального тепла хозбытовых сточных вод / Закиров Д.Г., Боринских И.И., Закиров Д.Д., Денисенко С.И., Аксенов А.В., Тациенко В.П., Лобанова Д.М., Поздняков А.К. Опубл. 27.12.2004 в Бюл. № 36

3. Закиров Д.Г. Управление энергоэффективностью в регионе. Пермь: Астер, 2007. 384 с.

4. Керимов И.А., Дебиев М.В., Магомадов Р.А-М., Хамсур-каев Х.И. Ресурсы солнечной и ветровой энергии Чечен-

ской Республики // Инженерный вестник Дона. 2012. № 1. URL: http://ivdon.ru/magazine/archive/n1y2012/677 (дата обращения: 16.01.2017).

5. Страхова Н.А., Лебединский П.А. Анализ энергетической эффективности экономики России // Инженерный вестник Дона. 2012. № 3. URL: http://ivdon.ru/magazine/ archive/n3y2012/999 (дата обращения: 16.01.2017).

6. Распознавание режимов работы распределенных потребителей электроэнергии / Р.А. Файзрахманов, Т. Франк, Р.Р. Бакунов и др. // Электротехника. 2012. № 11. С. 32-36.

7. Файзрахманов Р.А., Рубцов Ю.Ф. Автоматизированные системы управления энергосберегающими технологиями // Вестник Ижевского государственного технического университета. 2010. № 3. С. 119-121.

8. Файзрахманов Р.А., Рубцов Ю.Ф. Методологические особенности автоматизированного управления энергоресурсосбережением // Автоматизация и современные технологии. 2011. № 2. С. 36-40.

9. Grantham S. Household energy consumption, conservation & efficiency. Alice Solar City: Literature Review, 2010, 43 pp. Available at: http://www.alicesolarcity.com.au/ sites/default/fi les/Alice%20Solar%20City-%20Literature%20 Review_0.pdf (accessed 16.01.2017).

resources

UDC 621.311.22:662.6(470.53) © D.G. Zakirov, Yu.A. Slautin, 2017

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 4, pp. 60-93 Title

renewable and secondary power sources relevance for small-scale power generation in the perm territory

DoI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-4-60-63 Authors

Zakirov D.G.1, 2, Slautin Yu .A.1

1 Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education"Perm National Research Polytechnic University" (PNRPU), Perm, 614990, Russian Federation

2 Association of Western Ural power engineers, Perm, 614990, Russian Federation

Authors' Information

Zakirov D.G., Doctor of Engineering Sciences, Professor of Department Information Technologies and Automated Systems, General Director of Association of Western Ural power engineers, tel.: +7 (342) 2-391-354, e-mail: awup. [email protected]

Slautin Yu.A., Senior Lector at Information Technologies and Automated Systems, RANS Consultant, tel.: +7 (342) 2-391-354, e-mail: [email protected]

Abstract

The paper focuses on the burning issue of renewable and secondary energy sources utilization in the regional small-scale energy generation (with reference to the Perm Territory). Due to utilities costs continuous increase, two times exceeding the inflation rate, and in view of the building-up environmental issues, small-scale and renewable energy generation becomes a pressing task. The article gives special attention to justification of mini-power stations utilization benefits. The tasks of abandoned compact hydraulic power stations rehabilitation, electric power generation using wind force, wood, wood chips, forestry and agricultural wastes combustion are described. A number of activities for small-scale and renewable energy generation benefits utilization, as well as for new energy saving and environmentally safe technologies implementation are outlined.

Keywords

Renewable energy sources, Secondary energy sources, Small-scale energy generation, Energy saving, Mini-power station, Compact hydraulic power stations, Biomass energy.

References

1. "Ob energosberezhenii i povyshenii energeticheskoy effektivnosti i o vnesenii izmeneniy v otdel'nye zakonodatel'nye akty Rossiyskoy Federatsii" ["On energy saving and improvement of energy efficiency and on amendments to separate legislative acts of the Russian Federation"]. Federal law, No. 261-FZ.

2. Zakirov D.G., Borinskikh I.I., Zakirov D.D., Denisenko S.I., Aksenov A.V., Tatsien-ko V.P., Lobanova D.M., Pozdnyakov A.K. "Sposob utilizatsii nizkopotentsial'nogo

tepla khozbytovykh stochnykh vod» [Method of usage of low-grade heat of domestic wastewater]. Patent of the Russian Federation, No. 2243460. Published in Information Bulletin, No.36, 27.12.2004.

3. Zakirov D.G. Upravlenie energoeffektivnost'yu v regione [Energy efficiency management in a region]. Perm, Aster Publ., 2007, 384 pp.

4. Kerimov I .A.,. Debiev M.V, Magomadov R. A-M., Khamsurkaev Kh.I. Resursy solnechnoy i vetrovoy energii Chechenskoy respubliki [Resources of solar and wind energy in the Chechen Republic]. Inzhenernyy vestnik Dona - The Don's Bulletin of Engineering, 2012, no. 1. Available at: http://ivdon.ru/magazine/ archive/n1y2012/677 (accessed 16.01.17).

5. Strakhova N.A. & Lebedinsky P.A. Analiz energeticheskoy effektivnosti ekonomiki Rossii [Analysis of energy efficiency of the Russian economy]. Inzhenernyy vestnik Dona - The Don's Bulletin of Engineering, 2012, no. 3. Available at: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/999 (accessed 16.01.17).

6. Fayzrakhmanov R.A., Frank T., Bakunov R.R., Mekhonoshin A.S. & Fedo-rov A.B. Raspoznavanie rezhimov raboty raspredelennykh potrebiteley elektroenergii [Detecting operation conditions of distributed power consumers]. Elektrotekhnika - Electrotechnics, 2012, no. 11, pp. 32-36.

7. Fayzrakhmanov R.A. & Rubtsov Yu.F. Avtomatizirovannye sistemy upravleniya energosberegaioshchimi tekhnologiyami [Automated systems of energy-saving technologies control]. Vestnik Izhevskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta - Bulletin of the Izhevsk.State Technical University, 2010, no. 3, pp. 119-121.

8. Fayzrakhmanov R.A. & Rubtsov Yu.F. Metodologicheskie osobennosti avtomatizirovannogo upravleniya energoresursosberezheniem [Methodological features of automatic energy saving control]. Avtomatizatsiya i sovremennye tekhnologii - Automation and modern technologies, 2011, no. 02, pp. 36-40.

9. Grantham S. Household energy consumption, conservation & efficiency. Alice Solar City: Literature Review, 2010, 43 pp. Available at: http://www. alicesolarcity.com.au/sites/default/files/Alice%20Solar%20City-%20Litera-ture%20Review_0.pdf (accessed 16.01.17).