CC BY
11UNIQUE WIND ENERGY SOLUTIONS
Статья поступила в редакцию 28.11.2011. Ред. рег. № 1150 The article has entered in publishing office 28.11.11. Ed. reg. No. 1150
УДК 621.311.24
О ВОЗМОЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРО-АЗОТНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
В.Г. Николаев, С.В. Ганага
НИЦ «АТМОГРАФ» 117335, Москва, ул. Профсоюзная, д. 42/4, офис 1 Тел./факс: 8-499-744-41-63, e-mail: atmograph@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 02.12.11 Заключение совета экспертов: 07.12.11 Принято к публикации: 10.12.11
Описаны результаты моделирования и анализа энергетической и экономической эффективности предлагаемого авторами способа производства электроэнергии на ветро-азотных электростанциях (ВАзЭС) на базе ветроэнергетических установок (ВЭУ) и азотных энергоустановках (АзЭУ) на криогенном энергоносителе - жидком азоте при разных номинальных мощностях базовых ВЭУ и АзЭУ и характеристиках ветроэнергетического потенциала (ВЭП).
Ключевые слова: электрическая энергия (ЭлЭн), ветроэнергетические установки (ВЭУ), азотные энергоустановки (АзЭУ), криогенный энергоноситель, ветроэнергетический потенциал (ВЭП), дизельная электростанция (ДЭС).
ON THE POSSIBILITY OF THE WIND-CRYOGENIC ELECTRICITY PRODUCTION AND ACCUMULATION ON THE WIND-NITROGEN POWER PLANTS
V.G. Nikolaev, S.V. Ganaga
RIC "ATMOGRAPH" 42/4, office 1, Profsoyuznaya str., Moscow, 117335, Russia Tel./fax: 8-499-744-41-63, e-mail: atmograph@gmail.com
Referred: 02.12.11 Expertise: 07.12.11 Accepted: 10.12.11
The results of energetic and economical effectiveness modeling and analysis of suggested by authors way of the electricity production on the wind-nitrogen power plants (WNPP) on the basis of wind turbines (WT) and cryogenic nitrogen power sources (NPS) for different nominal power of WT and NPS and wind power potential characteristics are given.
Keywords: electric power, wind turbines (WT), nitrogen power sources (NPS), cryogenic power source, wind power potential, diesel power station (DPS).
Исследование возможностей и эффективности новых способов экологически чистого производства ЭлЭн на основе ВЭУ с использованием криогенной аккумуляции энергии на жидком азоте представляется актуальной задачей в связи с прогрессом криогенных технологий в мире [1], в частности с их использованием на транспорте [2]. Основным преимуществом производства ЭлЭн на криогенном азоте является его экологическая чистота, обеспечиваемая использованием в качестве рабочего тела химически нейтрального, безвредного и безопасного в эксплуатации азота, являющегося основным (78% по массе) и неограниченным по запасам компонентом атмосферы. Азот извлекается из атмосферы, сжижается и
возвращается в нее после завершения рабочего цикла в двигательной установке криодвигателя. Температура азота не превосходит температуры окружающей среды на любом из участков рабочего цикла, что исключает образование вредных окислов азота.
В предлагаемом авторами способе электрогенератор приводится в движение ветроэнергетической установкой при достаточном ветропотенциале, либо в периоды ветроэнергетических штилей пневматическим двигателем (турбинным или поршневым), рабочим телом которого является пар кипящего жидкого азота при температуре окружающей среды или, в более эффективном варианте, дополнительно нагретый в высокотемпературном нагревателе. Жидкий
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
азот запасается в необходимых на случай ветроэнергетических штилей количествах в криогенных аккумуляторах - баках-криостатах. Для парообразования и последующего нагрева и доведения испаренного азота до высокого давления используется энергия окружающей среды и энергия, получаемая им в теплообменнике, необходимый температурный режим которого обеспечивается электрическим нагревом с помощью ВЭС при избыточном ВЭП для процесса, либо в периоды ветроэнергетических штилей нагревом от электрогенератора АзЭУ. Сжиженный азот предлагается получать на воздухоразделительных установках из атмосферы, электроснабжение которых обеспечивают ВЭС. В жидком состоянии азот хранится при атмосферном давлении, не требует применения тяжелых баллонов высокого давления и занимает достаточно малый объем.
На получение 1 кг жидкого азота требуется от 0,44 до 1 кВт-ч ЭлЭн в зависимости от эффективности технологии и технических устройств и атмосферных условий [2], что в 10-5 раз меньше энергозатрат на производство дизельного топлива.
Согласно [2] КПД пневматического двигателя может достигать 50-60% (КПД ДЭС при ее работе с малыми коэффициентами номинальной мощности Кинм падает до 20% и менее). Теоретически достижимая полезная работа, произведенная испаренным азотом из жидкой фазы при температуре 77 К и дальнейшем нагреве его до температуры ~ 300 К при постоянном (атмосферном) давлении, согласно термодинамическим расчетам равна 770 кДж/кг. В экспериментальных образцах пневмодвигателей, работающих на данном принципе при давлении ~ 10 атм, на изотермическом рабочем цикле достигнута эффективность ~ 0,11 кВт-ч/кг [2], что втрое больше, чем у современных кислотно-свинцовых аккумуляторов (~ 0,04 кВт-ч/кг), но существенно уступает (примерно в 20 раз) энергоемкости двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Однако с учетом более (в 8-10 раз) низкой стоимости жидкого азота по сравнению с дизельным топливом, экологического ущерба, наносимого человеку и природе сжиганием углеводородного топлива, а главное - с учетом энергетической независимости использование криогенных источников энергии с пневмодвигателем уже сейчас могло бы оказаться экономически и экологически оправданным. По оценкам экспертов, при массовом серийном производстве энергоустановок на предлагаемом принципе удельные стоимость оборудования и капитальные затраты на их строительство окажутся на уровне традиционных ДЭС (~ 1000 €/кВт) и многократно меньше энергоустановок с водородным аккумулированием [1].
На основании собранных технических данных авторами проведено исследование эффективности ВАзЭС, обеспечивающих заданную потребляемую мощность, при разных номинальных мощностях базовых ВЭУ и АзЭУ с учетом характеристик ВЭП. Критерием их оптимального выбора авторами избра-
на минимальная себестоимость ЭлЭн ВАзЭС, определяемая Кинм ВЭУ и нагрузочными характеристиками пневматического двигателя АзЭУ. Для решения задачи разработана программа расчета технико-экономических показателей ВАзЭС и проведены параметрические расчеты при разных соотношениях номинальных мощностей ВЭУ и АзЭУ. Пример выявленной зависимости себестоимости ЭлЭн ВАзЭС располагаемой мощности 1 кВт с количеством и номинальной мощностью комплектующих ее АзЭУ при штилевых простоях ВЭУ приведен на рис. 1.
0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 О 10 0.05 0.00
ш
¡S
т ч m
i5 óí О
.. р _ о ф ю —й—ВАзЭС оптималын. (цена азота 21 руб./кГ) —1 ВЭУ + 1 АзЭУ (цена азота 21 руб./кГ) ^^Традиционная ДЭС
о мощность базовой АзЭУ, кВт -1-1-1-
0.1
0.3
0.5
0.7
0.Э
1.1
1.3
1.5
Рис. 1. Зависимость себестоимости ЭлЭн ВАзЭС от числа и мощности комплектующих АзЭУ Fig. 1. The dependence of electricity cost of the wind-nitrogen power plants on the number and capacity of NPS
Рис. 2. Зависимость себестоимости ЭлЭн ВАзЭС разного состава от номинальной мощности ВЭУ Fig. 2. The dependence of electricity cost of WNPP of different composition on the nominal power of WT
Согласно проведенному анализу, автономная работа ВАзЭУ возможна при положительном балансе выработки ЭлЭн ВЭУ и затрат на производство необходимого на случаи энергетических штилей количества энергоносителя - жидкого азота. Положительный баланс достигается лишь при достаточной номинальной мощности ВЭУ, существенно (в 4-6 и более раз в зависимости от ВЭП) превышающей требуемую потребителю мощность (рис. 2). По расчетам
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (104) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Ветроэнергетика. Уникальные решения ветроэнергетики
средняя за 20 лет себестоимости ЭлЭн одноагрегат-ной АзЭУ номинальной мощности ~ 110-130% от потреблямой при ценах жидкого азота 21 руб./кг (цены 2011 г.) при расходах топлива 9,1 кг/кВтч при номинальных режимах работы АзЭУ составляет ~ 11 руб./кВтч. Авторами установлено, что при совместной работе АзЭУ с ВЭУ себестоимость ЭлЭн ВАзЭС уменьшается с уменьшением номинальной мощности базовых ВЭУ и ростом ВЭП. Так, себестоимость ЭлЭн ВАзЭС при ее комплектовании вместо одной АзЭУ двумя, тремя и четырьмя той же суммарной мощности уменьшается соответственно на 26, 30 и 33% (рис. 2 и 3). На основании этого предложено комплектовать ВАзЭС несколькими АзЭУ и ВЭУ суммарной мощности, превышающей заданный уровень потребления, и с системой управления ВАзЭС, обеспечивающей работу оптимального количества АзЭУ, соответствующего минимальному удельному расходу азота на рабочих и холостых режимах с учетом располагаемой мощности ВЭУ. Управление комплексом ВДЭС (включение дополнительных и отключение избыточных АзЭУ) осуществляется по данным о текущей мощности ВЭУ.
0.30 0.25 0.20 0.15 0 10 0.05 0.00
г 1
+
_Q p О ^ О . 5 V ----- .
____
s о CJ CD ;
CD u 0.30 К П 4(1 к Зт Зт
— + — — ж — 0.51 кВт 1.25 кВт
1.50 кВт ДЭС | CK орость ветра м/с
£.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 Э.О 9.5 10.0
Рис. 3. Зависимость себестоимости ЭлЭн ВАзЭУ разного состава от среднегодовой скорости ветра Fig. 3. The dependence of electricity cost of WNPP of different composition on the annual wind speed
0.14 0.12 0.10 o.os 0.06 0.04 0.02 0.00
ш -=-v = 9,77 м/с 7,92 м/с 5,97 м/с
I т -Ü-V -
о
0 1 - 2
о сю 'О <и Ч
1
--с
мощность ВЭУ. кВт
10
15 20
25
30 35 40 45
50
Рис. 4. Зависимость себестоимости ЭлЭн ВАзЭС
от номинальной мощности ВЭУ Fig. 4. The dependence of electricity cost of WNPP on the nominal power of WT
Выявлена также существенная зависимость себестоимости ЭлЭн ВАзЭС от значений ^ИНМ ВЭУ или от ВЭП в районе возведения ВЭУ, и при вполне реальных во многих регионах России ^ИНМ ~ 35-36% (при скоростях ветра 8-9 м/с) она может составлять ~ 0,15 €/кВтч, что в полтора раза ниже показателей традиционных ДЭС (рис. 3). Максимальная экономичность ВАзЭС достигается, согласно полученным результатам, при ее комплектовании ВЭУ 1,5 кВт, четырьмя АзЭУ номинальной мощностью 0,33 кВт.
Установленный авторами факт снижения себестоимости ЭлЭн ВАзЭС с увеличением номинальной мощности комплектующих ее ВЭУ (рис. 4) позволяет рассматривать ВАзЭУ в качестве эффективного источника энергии для совместного производства ЭлЭн и жидкого азота, широко используемого во многих отраслях промышленности, в том числе в АПК для заморозки продукции сельского хозяйства в полевых условиях, транспортировки и хранения пищевых продуктов. Особенно эффективным могло бы стать использование ВАзЭС в районах нефтедобычи, где жидкий азот используется как безопасный рабочий агент при газлифтном способе добычи нефти и при запуске скважин (заменитель сжатого воздуха), для замораживания порывов при авариях на нефтепроводах, для тушения пожаров на нефтяных и газовых скважинах, создания криоледяных платформ в открытом море или на слабых грунтах для ведения бурения и является необходимым компонентом очистки скважин. Так, для очистки скважин годовые потребности в жидком азоте одного только ОАО «Юганскнефтегаз» составляют до 1000 тонн, азот поставляется в железнодорожных цистернах из Екатеринбурга на расстояния свыше 1000 км по цене до 500 €/т. При совместном производстве ЭлЭн и жидкого азота и при его реализации в районах производства по рыночной цене себестоимость ЭлЭн, согласно расчетам автора, может быть снижена до 0,060,02 €/кВт ч при средних скоростях ветра 6-8 м/с. Полученные результаты составляют основу формулы заявленного авторами патента на способ повышения эффективности производства ЭлЭн с использованием криогенных азотных технологий.
Наиболее важным показателем энергетической и экономической эффективности ВАзЭС и их конкурентоспособности с ДЭС является коэффициент использования номинальной мощности ВЭС ^ИНМ. При значениях ^ИНМ > 30% (> 2600 тысяч часов работы с номинальной мощностью) использование ВЭС представляется, согласно расчетам авторов, экономически целесообразным. В обоснование обеспеченности ветровыми ресурсами на рис. 5 приведена карта распределения по территории России ^ИНМ современных ВЭУ на примере ВЭУ SWT-93 номинальной мощностью 2,3 МВт с диаметром ветроколеса 93 м и высотой башни 100 м производства корпорации Siemens. Карта построена по технологии, развитой в НИЦ «Атмограф» [3, 4].
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
о о О О О О • •
Wíis 15.20 20 25 25.30 30. 35 36.« 40. 4S WHS Коэффициент использования yciанинненний мощности ВЭУ. %
Рис. 5. Карта распределения коэффициентов использования установленной мощности КИУМ (%) ВЭУ Siemens SWT-2,3-93 с высотой башни 100 м Fig. 5. The map of power coefficient Cp (%) distribution for wind turbine SWT-2,3-93 with tower of 100 m height
Приведенная на карте энергетическая эффективность ВЭС позволяет получать с их помощью электроэнергию себестоимостью < 0,05-0,055 евро/кВт-ч во многих районах России, включая энергетически дефицитную европейскую часть РФ, а также северные и арктические европейские и дальневосточные области России с децентрализованным энергоснабжением, представляющие интерес в связи с разработкой новых перспективных месторождений газа и нефти.
Список литературы
1. Opdonez C.A., Plummer M.C. Cold thermal storage and cryogenic heat engines for energy storage applications // Energy sources. 1997. Vol. 19. P. 389-396.
2. Кудрявцев И.Н., Пятак А.И., Бондаренко С.И., Левин А.Я., Муренец-Маркевич Б.Н., Пламмер М.Ч. Эффективность использования пневмодвигателя в автомобиле // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2005. №2 (22). C. 83-88.
3. Николаев В.Г., Ганага С.В., Кудряшов Ю.И. Национальный кадастр ветроэнергетических ресурсов России и методические основы их определения. М.: «Атмограф», 2007.
4. Николаев В.Г. Ресурсное и технико-экономическое обоснование широкомасштабного развития и использования ветроэнергетики в России. М.: «Атмограф», 2011.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (104) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
