CC BY
7КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ РЕГИОНОВ РФ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК С ДВИГАТЕЛЯМИ СТИРЛИНГА, РАБОТАЮЩИХ НА МЕСТНОМ ТОПЛИВЕ И СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Н. Г. Кириллов
ООО «ИИЦ "Стирлинг-технологии"» Санкт-Петербург, Россия
Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты. Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на различных топливах, большой ресурс, сравнимые размеры и масса — основные преимущества современных двигателей Стирлинга перед двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Двигатели Стирлинга фирм «Philips», «STM Inc.», «Daimler Benz», «Solo», «United Stirling» мощностью от 5 до 1200 кВт имеют высокий эффективный и общий к.п.д., соответственно 42% и 95%, ресурс более 40 тыс. часов, удельную массу от 1,2 до 3,8 кг/кВт. В качестве горючего для двигателей Стирлинга могут использоваться природный газ, традиционные нефтепродукты, бутан-пропан, древесная щепа, торф, биогаз, отходы сельского хозяйства и т. д.
Высокая экологическая чистота и эффективность обеспечивают перспективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках (КУ) мощностью до 100 кВт для одновременной выработки электроэнергии и тепла в местах их непосредственного потребления. Особенно в этом нуждается жилищно-коммунальное хозяйство как больших городов, так и небольших поселков, где из-за ветхости централизованных сетей происходят огромные потери тепла и перебои с энергоснабжением.
Это новая технология для комбинированного производства электроэнергии и тепла, на основе автономных двигателей и системы рекуперации тепла, в которой энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребителей. Эффективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, обусловлена особенностью его теплового баланса, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга этот баланс составляет, соответственно, 10 % и 40 %, что, с учетом более высокого к.п.д. самого двигателя, позволяет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки.
Применение КУ на основе двигателей Стир-линга позволяет на 40 % снизить расход топлива на производство электроэнергии и тепла по
сравнению с централизованным энергоснабжением. Себестоимость 1 кВтч электроэнергии, выработанной в когенерационной установке, в 3-4 раза ниже, чем действующие тарифы централизованных энергосистем, а тепло получается фактически бесплатным! Применение КУ позволяет эффективно дополнять рынок теплоэнергоснаб-жения без реконструкции старых, перегруженных сетей. Автономная работа когенерационной установки позволяет обеспечить потребителей теплом и электроэнергией со стабильными температурными показателями и качественной горячей водой.
В Германии, США, Новой Зеландии, Австралии и ряде других стран мира уже начато производство когенерационных установок с двигателями Стирлинга электрической мощностью от 5 до 40 кВт и тепловой мощностью от 12 до 120 кВт.
В настоящее время, ввиду истощения ранее разведанных запасов и удорожания органического топлива (нефти и природного газа), для России представляет значительный интерес возможность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 500 кВт) с модификацией двигателя Стирлинга под местное топливо. В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов может использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Решение данного вопроса уже в ближайшее время позволит обеспечить многие регионы Российской Федерации дешевыми в эксплуатации автономными энергоисточниками на местном топливе.
Возврат 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 накапливаются как отходы значительные количества биомассы.
Широкое использование автономных источников энергии, работающих на местном топливе, отражает мировую тенденцию на энерго- и ресурсосбережение. Наиболее интенсивно данное направление развивается в странах, имеющих значительный запас биоресурсов (леса, торфя-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №7(39) (2006) QQ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №7(39) (2006) 89
ных болот и т. д.), к числу которых относятся Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия, а также бывшие республики советской Прибалтики. Наиболее значительных результатов в применении местных биотоплив достигла Швеция. Природный газ как энергетическое топливо в шведской энергетике занимает не более 2 %, и в тоже время биоресурсы дают не менее 21 % от общего объема получаемой энергии. Такие же показатели использования биоресурсов характерны для топливного баланса других стран. В Австрии они составляет 12%, в Финляндии — 23 %. В целом, в странах Европейского Союза около 14 % общей энергии получено из биоресурсов. В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 году, позволяет уже в ближайшее время обеспечить получение энергии из биоресурсов, эквивалентной 44 % запланированного потребления электроэнергии.
В России многие регионы обладают огромными запасами местного дешевого 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. тонн и 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 бюджета Республики Карелия.
За рубежом уже начато производство коге-нерационных установок с двигателями Стирлин-
га, в качестве топлива для которых используются древесная щепа, торф, биогаз и отходы сельского хозяйства (рисовая и кофейная шелуха). В Российской Федерации одной из компаний, занимающихся вопросами внедрения КУ с двигателями Стирлинга на отечественном рынке, является ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии».
Одним из перспективных направлений широкого применения двигателей Стирлинга является использование солнечной энергии. Так, американская национальная лаборатория Сан-дия (Sandia National Laboratories), один из крупнейших научных центров, специализирующийся на энергетике, объявила, что объединила свои усилия с американской компанией Stirling Energy Systems для строительства «солнечных ферм», основанных на использовании двигателей Стир-линга с солнечными концентраторами. Первые пять систем уже смонтированы в испытательном центре Сандии и имеют выходную электрическую мощность более 150 кВт в дневное время. По расчетам специалистов компании, в теории ферма солнечных Стирлингов, под которую отвели бы территорию в 160 км2 на юге США (штат Невада), покрыла полностью всю потребность США в электроэнергии.
Широкое применение энергетических установок на основе двигателей Стирлинга позволяет разработать и быстро реализовать Концепцию автономного энергоснабжения многих регионов РФ на основе использования местного топлива и солнечной энергии.
THE CONCEPT OF CREATION OF THE INFRASTRUCTURE
OF INDEPENDENT POWER SUPPLY FOR REGIONS OF THE RUSSIAN FEDERATION ON THE BASIS OF USE CO-GENERATION INSTALLATIONS WITH STIRLING ENGINES, WORKING ON LOCAL FUEL AND THE SOLAR ENERGY
N. G. Kirillov
IRC "Stirling Technologies Ltd." Saint-Petersburg, Russia
Stirling engine concerns to a class of engines with an external supply of heat. Low noise level, small toxicity of the fulfilled gases, a possibility to work on various fuels, the big resource, the comparable sizes and weight are the basic advantages of modern Stirling engines in comparison with engines of internal combustion (EIC). Stirling engines with capacity from 5 up to 1200 kW produced by "Philips", "STM Inc.", "Daimler Benz", "Solo", "United Stirling" have high effective and the general efficiency, accordingly 42 % and 95 %,
a resource more than 40 thousand hours, specific weight from 1,2 up to 3,8 kg/kW. The natural gas, traditional mineral oil, butane - propane, wood chip, peat, biogas and agriculture wastes, etc. can be used as fuel for Stirling engines.
High ecological cleanliness and efficiency provide perspectivity of Stirling engines application in co-generation installations (CI) by capacity up to 100 kW, for simultaneous development of the electric power and heat in places of their direct consumption. Especially housing and communal
9G
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №7(39) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №7(39) (2006)
services requires it both the big cities, and small settlements where because of decay of the centralized networks there are huge losses of heat and faults to power supply.
It is new technology for the combined manufacture of the electric power and heat, on the basis of independent engines and recuperation heat systems in which energy of cooling water and the fulfilled gases is used for needs of a heat supply of consumers. Efficiency of application of Stirling engines in co-generation installations, in comparison with engines of internal combustion, is caused by feature of its thermal balance expressing in a difference between losses of heat with fulfilled gases and in cooling water. For Stirling engine this balance is, accordingly, 10 % and 40 %, that with the account of higher efficiency of the engine, allows to create compact and highly effective co-generation installations.
Application of CI on the basis of Stirling engines allows to lower on 40 % the charge of fuel on manufacture of the electric power and heat, in comparison with the centralized power supply. The cost price of 1 kW/h of electric power produced by co-generation installation is lower in 3-4 times than actual tariffs of the centralized power supply systems, and obtained heat is actually free-of-charge! Application of CI allows to supplement effectively the market of heat and power supply without reconstruction of the old, overloaded networks. Independent work of co-generation installation allows to provide consumers with a heat and the electric power with stable temperature parameters and qualitative hot water.
The manufacture of co-generation installations with Stirling engines with electric capacity from 5 up to 40 kW and thermal capacity from 12 up to 120 kW is already started in Germany, the USA, New Zealand, Australia and other countries.
Now in view of an exhaustion of the recon-noitered stocks and rise in price of organic fuel (oil and natural gas), an opportunity of a batch production of electro-generators of average capacity (from 3 up to 500 kW) with updating Stirling engine under local fuel represents significant interest for Russia. Peat, the crushed coal, slates, waste products of agriculture and timber industry can be used as local fuel for stirling-generators . The decision of the given question already in the near future will allow to provide many regions of the Russian Federation by cheap in operation independent energy sources on local fuel.
Return to bio-resources is not return to the past, but the reasonable approach to economy and ecology. It is known, that in timber manufacture of Russia 50 % of wood turns to waste products to which commensurable on size waste products of timber industry and the furniture enterprises are added. Besides there annually are collected some significant amounts of waste products of a biomass in agriculture.
Wide use of the independent energy sources working on local fuel, reflects the global tendency
of energy-and-source saving. Most intensively given direction develops in the countries having significant stock of bio-resources (woods, peat bogs, etc.), such as Sweden, Norway, Denmark, Finland, and also in the former countries of the Soviet Baltic. The most significant results in application local bio-fuels were reached by Sweden. Natural gas as power fuel, in the Swedish power engineering is no more than 2 %, and in the same time bio-resources give not less than 21 % from total amount of produced energy. The same parameters of use of bio-resources are characteristic for fuel balance of other countries. In Austria they makes 12 %, in Finland — 23 %. As a whole, in the countries of the European Union about 14 % of the general energy it is received from bio-resources. In India the program of decentralization of manufacture of the energy, initiated in 1995, allows to ensure energy from the bio-resources, equivalent 44 % of the planned current consumption in the near future.
Many Russian regions possess huge stocks of local cheap fuel. So, for example, Karelia has significant resources of constantly renewed biomass as wood plants, peat and waste products of an agriculture which can be used for the power purposes. Stocks of peat in Karelia are appreciated in 2 billion tons and resources of wood raw material of deciduous species are about 2 million cubic meter/year. Only due to use of peat and wood raw material it is possible to reduce by 60 % volume of imported fuel, and it practically the third part of the budget of Karelia Republic.
Manufacture of co-generation installations with Stirling engines is already started abroad, which use peat, biogas, wood chip and waste products of agriculture (a rice and coffee peel) as fuels. In the Russian Federation one of the companies engaged in questions of introduction of CI with Stirling engines in the domestic market is the Innovative-Research center "Stirling Technologies Ltd".
One of perspective directions of wide application of Stirling engines is use of a solar energy. So, American national laboratory Sandia (Sandia National Laboratories), one of the largest centers of science, specializing on power, has declared, that it has united the efforts with American company Stirling Energy Systems for construction of "solar farms" based on use of Stirling engines with solar concentrators. The first five systems are already mounted in The Sandia test center and have target electric capacity more than 150 kW during the day. By calculations of experts of the company, in the theory the farm of solar Stirling under which would allocate territory in 160 km2 in the south the USA (state Nevada), has covered completely all need of the USA in the electric power.
Wide application of power installations on the basis of Stirling engines allows to develop and quickly realize the Concept of independent power supply for many regions of the Russian Federation on the basis of use of local fuel and a solar energy.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №7(39) (2006) Q<|
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 7(39) (2006) 9 '
