Основы подхода к созданию автономных систем энергообеспечения жилых комплексов на основе возобновляемых источников энергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311 Ю.А. Балакина

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ОСНОВЫ ПОДХОДА К СОЗДАНИЮ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЛЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Рассмотрена проблема недостаточной обеспеченности тепловой и электрической энергией в ряде регионов страны, где отсутствует централизованное энергоснабжение. Для жилых комплексов, распложенных на этих территориях, осуществлена постановка задачи организации автономного энергообеспечения на базе возобновляемых источников энергии с применением экономико-математических моделей и методов частично целочисленного линейного программирования.

The matter of deficient heat and electric power provision in some regions, where there isn't any central energy supply, was considered. The problem of independent power supply organization based on renewable power sources using economic-mathematical models and mixed-integer linear programming for residential compounds was formulated for these territories.

B настоящее время около 70 % территории Российской Федерации, где по разным подсчетам проживает от 10 до 20 млн. чел., относится к зоне децентрализованного энергоснабжения (Крайний Север, Дальний Восток и др.). Производство тепловой и электрической энергий в данных районах осуществляется, в основном, за счет привозного органического топлива, итоговая стоимость которого, в связи со значительными транспортными расходами, зачастую превышающими стоимость самого сырья, достигает невероятных значений. При этом большинство энергетических объектов находится в неудовлетворительном состоянии и характеризуется высокой степенью износа основных производственных фондов, определяющей их недостаточную надежность функционирования, низкую экономичность (удельный расход топлива на дизельных электростанциях в отдельных пунктах достигает 500-600 г.у.т./кВтч при КПД 20-25 %) и высокий уровень загрязнения окружающей среды. Не следует забывать, что использование привозных традиционных энергоресурсов (угля, мазута, дизельного топлива) неизбежно сопряжено с вредным воздействием на окружающую среду, включающее как загрязнение воздушного и водного бассейнов и качественное истощение водных ресурсов, так и рост объемов образования таких отходов, как шлаки, золы, тара для топлива (бочек, контейнеров и т.д.).

Ввиду этого складывается следующая картина - себестоимость производства энергии чрезвычайно высока, негативное воздействие на человека и компоненты природной среды значительны, а энергетическая безопасность жестко зависит от неравномерных поставок сырья.

Таким образом, обеспечение надежного энергоснабжения децентрализованных зон и связанный с ним целый спектр экономических, социальных и экологических проблем является важнейшей задачей, от успешного решения которой во многом зависит не только социально-экономическое развитие соответствующих территорий, но и безопасность населения.

Выход из сложившейся ситуации эксперты видят в расширении применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ), включающих следующие основные формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, низкопотенциальное тепло, энергия биомассы, малых водных потоков, морских волн, течений и приливов. И выбор этот неслучаен, а продиктован целым рядом «положительных особенностей» альтернативной энергетики.

Во-первых, использование ВИЭ позволяет частично или полностью отказаться от ископаемых углеводородов - богатейшего сырья, из которого намного выгоднее производить массу полезных продуктов, чем сжигать в двигателях внутреннего сгорания и различных топках.

Во-вторых, большинство технологий и технических средств на базе ВИЭ могут считаться экологически чистыми, поскольку не оказывают вредного воздействия на окружающую среду, в силу чего развитие альтернативной энергетики перспективно также в городах и местах массового отдыха и лечения населения и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой.

В-третьих, создание распределительной сети генерирующих мощностей, расположенных непосредственно в местах потребления, способствует снижению потерь в энергосетях и существенному повышению качества и надежности энергоснабжения.

На фоне всего вышесказанного вполне правомерен вопрос: «А располагает ли Россия подобного рода ресурсами, достаточными для их эффективного энергетического использования?». И какие бы в данном случае критические высказывания не звучали из уст ярых сторонников традиционной энергетики, цифры говорят сами за себя - экономический потенциал ВИЭ по состоянию на начало 1990-х годов определен в 270 млн. т.у.т. в год. При этом следует иметь ввиду, что в настоящее время вследствие значительного снижения стоимости установок возобновляемой энергетики, а также роста цен на ископаемое топливо, данный показатель может быть значительно выше указанных значений.

И, несмотря на то, что по территории страны возобновляемые источники энергии распределены неравномерно, практически во всех регионах имеется 1-2 вида, эксплуатация которых может быть экономически оправданной. Более того, альтернативная энергетика может быть развита не только в районах, наиболее богатых данного рода ресурсами, а едва ли не повсеместно при условии комбинированного использования как совместного (солнечно-ветровая энергетика, совместное сжигание различных видов биотоплива), так и с использованием традиционных энергоносителей (ветро-дизельные установки).

Создание системы энергообеспечения жилого комплекса требует значительных затрат времени, принятия непростых и хорошо обоснованных технических, организационных и управленческих решений. Сложность стоящих перед проектировщиками и менеджерами проекта задач, обусловленная неопределенностью исходной информации, многовариантностью решения и трудностью учета множества различных факторов, не позволяет традиционными методами найти наиболее эффективное решение, характеризующееся надежным удовлетворением потребителей необходимой энергией с минимальными финансовыми затратами, высоким уровнем ресурсо- и энергосбережения и низкими показателями негативного воздействия на со-

стояние окружающей среды. Одним из способов существенного повышения эффективности решения задач оптимального эколого-экономического проектирования системы энергоснабжения жилого микрорайона является применение экономико-математических моделей и методов частично целочисленного линейного программирования.

В неформализованном виде задача оптимизации выбора новых генерирующих мощностей на базе ВИЭ на стадии предварительного обоснования инвестиционных возможностей может быть сформулирована следующим образом:

При заданных:

- Природно-климатических условиях района размещения жилого комплекса, определяющих потребности в холоде, тепловой и электрической энергиях/потребностях в холоде, тепловой и электрической энергиях;

- Видах и экономических потенциалах различных ВИЭ в данном регионе;

- Форме, размере и площади территории жилого комплекса;

- Характеристиках объектов жилой и общественной застройки;

- Вариантах потенциальных площадок строительства местных источников энергии;

- Вариантах потенциальных параметров установок энергоснабжения (местного и локального);

- Вариантах потенциальных параметров основных и вспомогательных зданий и сооружений;

- Технико-экономических, технологических, территориальных, экологических и финансовых ограничениях и др.

Определить:

- Виды применяемых способов местного и локального энергообеспечения микрорайона;

- Площадки размещения местных источников тепловой и электрической энергии и их установленную мощность;

- Виды, типы и количество применяемых энергетических установок местного и локального энергоснабжения;

- Характеристики основных и вспомогательных зданий и сооружений;

- Уровень воздействия генерирующих мощностей на окружающую среду в процессе эксплуатации;

- Объём инвестиций собственных и заёмных средств инвестора, необходимый для реализации проекта и др.

Обеспечивающие:

минимум интегральных затрат на строительство и эксплуатацию систем энергообеспечения проектируемого жилого комплекса (или максимум чистого дисконтированного дохода (интегрального эффекта) от реализации проекта).

Экономико-математическая модель для решения задачи частично-целочисленного линейного программирования формируется в виде системы

линейных ограничений А • (X, X, X) = а, задающих область допустимых решений, и линейного функционала ^ (X, X, X) = /• (X, X, X), где

А =

а

- матрица коэффициентов при переменных в ограничениях модели;

а - вектор ограничений;

/ - вектор коэффициентов функционала;

X - вектор действительных переменных;

X - вектор бинарных переменных;

X - вектор целочисленных переменных.

При проектировании системы энергообеспечения жилого комплекса целесообразно рассматривать ограничения, связанные с:

- возможностью выбора местного/локального энергоснабжения в качестве способа обеспечения энергией жилого комплекса;

- максимально и минимально экономически целесообразной мощностью источника энергоснабжения;

- максимально и минимально экономически целесообразным количеством энергоустановок;

- объемами основных и вспомогательных зданий;

- необходимыми площадями;

- возможностью совместного размещения разных источников электроснабжения на выделяемой территории;

- возможностью выбора 1-й площадки в качестве площадки строительства местных источников энергоснабжения;

- поставками и использованием топлива;

-требованиями к поддержанию состояния окружающей среды на нормативном уровне;

- финансовой обеспеченностью инвестиционного проекта.

Система ограничений модели должна обеспечивать: (а) выполнение

условий финансовой реализуемости проекта на каждом шаге горизонта расчета; (б) не превышение возможностей инвестора по использованию собственных финансовых средств; (в) обеспечение реципиента заемными средствами как на всем горизонте расчета, так и на отдельных его шагах, исходя из потребностей заемщика и в пределах возможностей кредитующей организации.

Поскольку на стадии предварительного обоснования инвестиционных возможностей к точности результатов решения задачи предъявляются достаточно низкие требования, при построении модели допускается:

- использовать укрупненные показатели и нормативы, сформированные на основе информации проектов-аналогов;

- учитывать лишь воздействие выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, сбросов в водные объекты или канализационную систему;

- считать, что все капитальные вложения осуществляются в начальный момент времени, причем в этот момент система не имеет текущих издержек и не приносит доход;

- принимать текущие затраты в качестве константы, считая их постоянными в течение длительного срока эксплуатации объекта.

Важным элементом оптимизационной модели также является функционал задачи, в качестве которого, например, могут выступать интегральные затраты на строительство и эксплуатацию систем энергообеспечения проектируемого жилого комплекса (или чистый дисконтированный доход (интегральный эффект) от реализации проекта). В такой постановке при формировании функционала учитываются: (1) капитальные затраты, связанные с приобретением и монтажом энергоустановок, строительством и оснащением основных и вспомогательных зданий, благоустройством территории; (2) условно-постоянные затраты на содержание и эксплуатацию оборудования, содержание и эксплуатацию основных и вспомогательных зданий, благоустройство территории; (3) условно-постоянные затраты на приобретение топлива; (4) экологические платежи за загрязнение окружающей среды в процессе эксплуатации генерирующих мощностей. Критерием достижения оптимума будет служить минимум данного показателя.

Таким образом, в формализованном виде постановка задачи оптимального выбора новых генерирующих мощностей может быть представлена следующим образом:_

Найти: Хопт, Хопт, Xопт е Qдоп'реш', такие что F ( Хопт , XXопт , ^опт ) = ™ 1П F ( X, X, X )

V X, X,Xе((допреш

Сформулированная подобным образом задача при наличии наполненной конкретной информацией модели может быть решена с применением специализированных программных продуктов, ориентированных на решение задач частично-целочисленного линейного программирования большой размерности, одним из которых является программный комплекс Xpress-MP британской фирмы Dash Optimization.

Таким образом, разработанный метод может служить универсальным инструментом для решения сложных инвестиционных задач по созданию автономных систем энергоснабжения жилых комплексов в разных регионах страны, который в короткий срок и с минимальными затратами ресурсов при одновременном учете множества различных факторов позволяет получать необходимые результаты.

УДК 579.64 Баурин Д.В.

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ СЕМЯН ПОДСОЛНЕЧНИКА

В настоящее время актуальной является проблема повышения кормовой ценности продуктов переработки растительного сырья. На кафедре биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева проводятся исследования по разработке технологии биоконверсии растительного сырья и отходов его переработки в продукты кормового назначения. Показана возможность