CC BY
53
удк 620 92 В.П. Степаненко
К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ НАКОПИТЕЛЕЙ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
На значительных территориях России, в Арктике, Сибири, Якутии, на Дальнем Востоке, обеспечение производственных процессов электроэнергией является нерешенной проблемой. Для решения этой проблемы необходимо строительство автономных электрических систем с использованием накопителей и возобновляемых источников энергии и перспективой объединения автономных систем в единую электрическую систему. В Арктике, Сибири, Якутии Чукотке обеспечение электроэнергией позволит уменьшить расход дизельного топлива и смазочных материалов не менее, чем в 2-3 раза, повысить комфортность проживания населения. Достичь этих результатов возможно при условии полной реализации «Энергетической стратегии России до 2030 года», создании автономных гибридных энергосистем и использовании накопителей и возобновляемых источников энергии ВИЭ. Стоимость 1 кВтч энергии, полученной от ветряных генераторов, солнечных панелей и вакуумных коллекторов, примерно в 3-6 раза ниже, чем при питании от дизель-генераторных установок.
Ключевые слова: электрические сети, дизельное топливо, вакуумные коллекторы, ветряные генераторы, солнечные панели, водородная энергетика, экологическая безопасность, возобновляемые источники энергии.
На значительных территориях России, в Арктике, Сибири, Якутии, на Дальнем Востоке, Чукотке отсутствуют энергетические системы и значительную часть года наблюдаются низкие температуры. В этих условиях решением проблемы снабжения электроэнергией является строительство автономных электрических систем с использованием накопителей и возобновляемых источников энергии и перспективой объединения их в единую электрическую систему [1—15].
В настоящее время реализуется «Энергетическая стратегия России до 2030 года», работает Государственная комиссия по
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 2. С. 195-201. © 2017. В.П. Степаненко.
вопросам развития Арктики, в области водородной энергетики успешно ведутся работы в Центральном научно-исследовательском институте судовой электротехники и технологии (ЦНИИ СЭТ), ФГУП «Крыловский Государственный Научный Центр» [2, 3, 5, 6, 7, 8].
В табл. 1 приведены результаты оценочного технико-экономического сравнения шести различных источников электрической энергии. В относительных единицах были оценены капитальные и эксплуатационные затраты и стоимость 1 кВтч электрической энергии для электростанций, сжигающих дизельное топливо и водород, потребителей, питающихся от стационарных электрических сетей, солнечных панелей, вакуумных коллекторов и ветряных генераторов [9—12, 15].
Из анализа табл. 1 следует, что наибольшие капитальные и эксплуатационные затраты и наихудшие технико-экономическое показатели присущи дизель-генераторным электрическим станциям. Наименьшую стоимость электроэнергии и низкие эксплуатационные затраты обеспечивают ветровые генераторы и солнечные панели. Вакуумные солнечные коллекторы характеризуются большими материалоемкостью и капиталовложениями по сравнению с традиционными электрическими сетями. Эксплуатационные затраты при использовании солнечных вакуумных коллекторов примерно в два раза ниже, чем при питании от электрических сетей и дизель-электрических генераторов. Стоимость электроэнергии, полученной от ветряных генераторов, в 5 раз ниже, чем от дизель-генераторов. Стоимость 1кВтч энергии солнечных вакуумных коллекторов примерно в
Таблица 1
Технико-экономическое сравнение различных видов источников энергии
Источник энергии Относительные затраты Стоимость 1 кВтч энергии
капитальные эксплуатационные
за 10 лет за 20 лет
Дизельное топливо 1,0 1,0 1,0 1,0
Водород 0,9 0,7 0,6 0,4
Электрические сети 0,13 0,75 0,63 0,95
Солнечные вакуумные коллекторы 0,8 0,5 0,43 0,32
Ветряные генераторы 07 0,5 0,5 0,15
Солнечные панели 0,6 0,4 0,4 0,1
3 раза ниже, чем при питании от электрических сетей и от дизель-генераторных установок. Энергия солнечных панелей в
4 раза дешевле, чем электрических сетей.
Расчеты показывают, что использование комбинированных энергосиловых установок, состоящих из дизель-генераторных электростанций и возобновляемых источников энергии, позволит снизить расход дизельного топлива и смазочных материалов не менее, чем на 30—50%.
В табл. 2 представлены параметры перспективного для применения в районах Крайнего Севера суперконденсаторного модуля МЛСК-130-57, разработанного ООО «ТЭЭМП», г. Москва. Основным преимуществом модуля МЛСК-130-57 является высокая запасаемая удельная мощность (более 11 кВт/кг) и сохранение паспортных параметров при температурах до минус 50 °С, что было достигнуто благодаря применению специально разработанного органического электролита [9—12].
К настоящему времени накоплен значительный отечественный опыт применения водорода в энергетике, на транспорте и промышленности. Во время Великой Отечественной войны Б.П. Шелищ техник-лейтенант войск ПВО, защищавших Ле-
Таблица 2
Параметры суперконденсаторного модуля МЛСК-130-57
№ пп Параметр Величина
1 Рабочее напряжение 130 В
2 Емкость 57 Ф
3 Запасаемая энергия 0,5 МДж / 0,150 кВтч
4 Номинальная мощность, 84 кВт
5 Максимальная мощность 560 кВт
6 Масса 50 кг
7 Габаритные размеры 1200x450x310 мм
8 Объем 0,167 м3
9 Рабочая температура -50 °С ... + 65 °С
10 Степень защиты корпуса 1Р65
11 Ресурсы, циклы 100 000
12 Срок службы 10 лет
13 Тип электролита органический
14 Изготовитель ООО «ТЭЭМП», Москва
нинград, предложил использовать «отработанный» водород из заградительных аэростатов в качестве топлива для двигателей полуторок-автомобилей ГАЗ-АА. Это предложение было внедрено и в 1941—1944 гг. в блокадном Ленинграде было оборудовано 400 водородных постов ПВО, что позволило в условиях блокады и отсутствия бензина эффективно защитить город от прицельного бомбометания самолетами вражеской авиации. Прошло более 50 лет и сын легендарного «Водородного лейтенанта» П.Б. Шелищ был избран президентом Российской Национальной ассоциации водородной энергетики.
В послевоенные годы работы по конвертации бензиновых и дизельных автомобильных двигателей на водородное топливо проводились в институтах НИМИ, МАМИ в Москве и в Институте энергетики АН УССР в Харькове. В ИГД им. А.А. Ско-чинского в Люберцах были выполнены работы по снижению токсичности выхлопных газов подземных взрывозащищенных дизелевозов и конвертации их на водородное топливо. Была также разработана методика расчета энергетических и весога-баритных показателей рудничных дизелевозов, конвертированных на водородное топливо. В этих работах принимали участие д.т.н. В.И. Серов, д.т.н. Р.В. Малов, к.т.н В.П. Степаненко, к.тн. Ю.П. Юдин [13,14]. Исследования показали, что породные отвалы Канско-Ачинского угольного бассейна богаты алюминием. Была разработана технология получения из этих отвалов алюминия. В расплавленный алюминий добавлялась щелочь. Остывшая смесь выглядела как серый рыхлый порошок, из которого при смачивании водой бурно выделялся водород. Таким порошком заполнялся низкотемпературный реактор, который устанавливался на автомобилях.
В течение двух лет в Харькове в таксопарке проводились испытания конвертированных на водородное топливо автомобилей «Москвич 412». Через форсунку в реактор впрыскивалась вода. Вода в реакторе разлагалась на кислород и водород Алюминий в реакторе окислялся, а освободившийся газообразный водород смешивался с воздухом и водородо-воздушная смесь сгорала цилиндрах двигателя. Результаты испытаний конвертированных на водородное топливо автомобилей были положительными. Было также установлено, что температура вспышки водорода на 500 ° С выше, чем топливно-воздушной смеси. Повышение температуры приводит к увеличению содержанию в выхлопных газах окислов азота, которые в 5 раз токсичнее окисло углерода. Токсичность выхлопных газов дизеля можно
уменьшить добавкой в топливо 2—3% водорода. При увеличением угла впрыска топлива, использовании жидкостных водяных нейтрализаторов с добавкой перманганата калия, добавка в топливо антидымных присадок, токсичность выхлопных уменьшается, но и мощность на валу дизеля снижается на 15—20%. В настоящее время ЦНИИ СЭТ для мощностей 5—10 кВт разработал способ прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую, минуя тепловой цикл. Стоимость одного 1 кВт энергии при использовании этой технологии, составляет 20 тыс. долл. США, что втрое ниже цен зарубежных поставщиков.
В ближайшие годы вполне реально производство блочных полимерных низкотемпературных установок, работающих на водороде и воздухе, суммарной мощностью 2,5 МГВт [2, 3, 5, 8].
Выводы
1. В Арктике, Сибири, Якутии Чукотке уменьшить расход дизельного топлива и смазочных материалов не менее, чем в 2—3 раза, повысить комфортность проживания населения можно при условии полной реализации «Энергетической стратегии России до 2030 года», создании автономных гибридных энергосистем и использовании накопителей и возобновляемых источников энергии ВИЭ.
2. Стоимость 1 кВтч энергии, полученной от ветряных генераторов, солнечных панелей и вакуумных коллекторов, примерно в 3—6 раза ниже, чем при питании от электрических сетей и дизель-генераторных установок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сокольникова Т. В., Суслов К. В., Ломбарди Пио. Определение оптимальных параметров накопителя для интеграции возобновляемых источников энргии в изолированных энергосистемах с активными потребителями // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2015. - № 10. - С. 206-2011.
2. Водородная энергетика в России. http://ru.wikipedia/org/wikil
3. Максименко Т. Водородная энергетика. Школа Жизни. http:// shkolazhizni.ru.world/articles/
4. Гибридные энергосистемы с использованием систем накопления энергии СНЭ - современный подход к организации автономной энергетики. http://enerz.ru./novosti/id8/
5. Беляева О. Энергетическая стратегия России до 2030 года. http:// radiovesti. ru/show/article_id/52999
6. Арктика перспективна для развития практически всех видов энергетики, использующей возобновляемые ресурсы. Заседание Государственной комиссии по вопросам развитии Арктики. Новосибирск. 09.06.2016г. http://artic.gov.ru/News/
7. Максименко Т. Как поставить водород Черного моря на службу людям? Школа Жизни. http://shkolazhizni.ru.world/articles/13133/.
8. Касаткин М. А. Россия постепенно подтягивается к странам с наиболее развитой водородной энергетикой. http://regnum.ru/news/ innovation/1941837.html
9. Степаненко В. П. Определение параметров накопителей энергии комбинированных энергосиловых установок // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 166—174.
10. Степаненко В. П. Применение возобновляемых источников энергии и суперконденсаторов на открытых горных работах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 175—182.
11. Степаненко В. П. Применение в горной промышленности КЭСУ с возобновляемыми источниками и накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 9. — С. 138—146.
12. Степаненко В. П. Перспективы применения в горной промышленности нетрадиционных возобновляемых источников и комбинированных накопителей энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 10. - С. 93-104.
13. Степаненко В.П., Юдин Ю.П. Разработка методики расчета энергетических и весогабаритных показателей рудничных локомотивов с уменьшенной токсичностью выхлопа и улучшенными энергетическими показателями. Отчет ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1977. - С. 1-15.
14. Степаненко В. П., Юдин Ю. П. Разработка методики расчета энергетических и весогабаритных показателей рудничных локомотивов с уменьшенной токсичностью выхлопа и Информационная карта №15/38 (1978). - М.: ЦНИЭИуголь. - С. 1.
15. Водородная энергетика имеет в Якутии больший потенциал, чем солнечная. ПАО «Якутэнерго». Региональный центр биотехнологий. -Республика Саха Якутия, 2016. http://greenevolution.ru/.
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Степаненко Валерий Павлович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected], МГИ НИТУ «МИСиС».
UDC 620.92
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 2, pp. 195-201. V.P. Stepanenko
APPLICATION OF ENERGY STORAGE UNITS AND RENEWABLE ENERGY SOURCES UNDER LOW TEMPERATURE CONDITIONS
Power supply of production processes is yet an unsettled issue in large Russian areas in the Arctic, Siberia, Yakutia and Far East. It is required to construct stand-alone electric systems using energy storage units and renewable energy sources with the prospects for integration of
these self-sustained systems into a unified electric system to handle this problem. In the Arctic, Siberia, Yakutia and Chukotka, power supply will enable reduction in consumption of diesel fuel and lubricants not less than by 2-3 times and will allow enhanced human comfort. This is achievable subject to implementation of the Energy Strategy of Russia to 2030, creation of hybrid energy systems and application of energy storage units and renewable energy sources. One kilowatt hour of energy generated by windmills, solar panels and vacuum collectors costs 3-6 times lower than energy supplied by diesel generators.
Key words: electrical networks, diesel fuel, vacuum collectors, windmills, solar panels, hydrogen energy, environmental safety, renewable energy sources.
AUTHOR
Stepanenko V.P., Candidate of Technical Sciences,
Senior Researcher, e-mail: [email protected],
Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS»,
119049, Moscow, Russia.
REFERENCES
1. Sokol'nikova T. V., Suslov K. V., Lombardi Pio. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2015, no 10, pp. 206—2011.
2. Vodorodnaya energetika v Rossii. http://ru.wikipedia/org/wikil
3. Maksimenko T. Vodorodnaya energetika. Shkola Zhizfli. http://shkolazhizni.ru.world/ articles/
4. Gibridnye energosistemy s ispol'zovaniem sistem nakopleniya energii SNEsovremennyy podkhod k organizatsii avtonomnoy energetiki. http://enerz.ru./novosti/id8/
5. Belyaeva O. Energeticheskaya strategiya Rossii do 2030goda. http://radiovesti. ru/ show/articleJd/52999
6. Arktikaperspektivna dlya razvitiyaprakticheski vsekh vidov energetiki, ispol'zuyushchey vozobnovlyaemye resursy. Zasedanie Gosudarstvennoy komissii po voprosam razvitii Arktiki. Novosibirsk. 09.06.2016g. http://artic.gov.ru/News/
7. Maksimenko T. Kakpostavit' vodorod Chernogo morya na sluzhbu lyudyam? Shkola Zhizfli. http://shkolazhizni.ru.world/articles/13133/.
8. Kasatkin M. A. Rossiyapostepenno podtyagivaetsya k stranam s naibolee razvitoy vo-dorodnoy energetikoy. http://regnum.ru/news/innovation/1941837.html
9. Stepanenko VP. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 166—174.
10. Stepanenko V P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 175—182.
11. Stepanenko V P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 9, pp. 138—146.
12. Stepanenko V P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 10, pp. 93—104.
13. Stepanenko V. P., Yudin Yu. P. Razrabotka metodiki rascheta energeticheskikh i ve-sogabaritnykhpokazateley rudnichnykh lokomotivovs umen'shennoy toksichnost'yu vykhlopa i uluchshennymi energeticheskimipokazatelyami. Otchet IGD im. A.A. Skochinskogo (Development of a procedure to calculate energy data and dimension of mine locomotives with the lower exhaust toxicity and enhanced energy. Skochinsky Institute of Mining Report), Moscow, 1977, pp. 1-15.
14. Stepanenko V. P., Yudin Yu. P. Razrabotka metodiki rascheta energeticheskikh i ve-sogabaritnykhpokazateley rudnichnykh lokomotivovs umen'shennoy toksichnost'yu vykhlopa (Procedure to calculate energy data and dimension of mine locomotives with the lower exhaust toxicity), Moscow, TsNIEIugol'.
15. Vodorodnaya energetika imeet v Yakutii bol'shiy potentsial, chem solnechnaya. PAO «Yakutenergo». Regional'nyy tsentr biotekhnologiy. Respublika Sakha Yakutiya, 2016. http://greenevolution.ru/.
