CC BY
42В ENERGY
№ 17, 2014
УСТОЙЧИВАЯ ЭНЕРГЕТИКА ДЛЯ ВСЕХ -МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ?
Юрий Бычков,
профессор, доктор технических наук, Россия
Профессор, доктор технических наук Юрий Бычков является автором более 300 научных работ и изобретений. В настоящее время Юрий Бычков - управляющий директор и полный собственник компании BYCHKOV GmbH в Германии.
Мировая топливная энергетика представляет реальную угрозу устойчивому развитию земной цивилизации по следующим основным причинам:
1. неизбежная исчерпаемость в ближайшем будущем сырьевой базы для топливной энергетики;
2. необратимость процессов разрушения природных экосистем нашей планеты ресурсодобывающими, перерабатывающими и потребляющими отраслями;
3. устрашающие темпы наращивания ядерных энергетических мощностей при отсутствии надёжных гарантий всеобъемлющей безопасности АЭС в условиях возможных природных или техногенных катастроф.
На Венском энергетическом форуме, проведённом по инициативе ООН в июне 2011г., прозвучали удручающие цифры: три четверти бедного населения мира используют лишь 10% мировой энергии, для 1,5 млрд. человек до сих пор электричество экономически недоступно, около 3-х из 7-ми млрд.
людей не имеют доступа к современным энергетическим услугам и используют традиционные биоресурсы и уголь в качестве основного источника энергии, энергетический «голод» ежегодно уносит до 2-х миллионов человеческих жизней.
Программа SEFA (Sustainable Energy for All - Устойчивая энергетика для всех), принятая ООН в 2011г. по инициативе её Генерального секретаря Пан Ги Муна, является чрезвычайно своевременной программой, направленной на достижение к 2030г. трёх стратегически взаимосвязанных целей:
- обеспечение всеобщего доступа к современным и недорогим энергетическим услугам;
- удвоения уровня энергоэффективности экономики;
- удвоение доли возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе.
Исходя из важности энергетики для ликвидации нищеты и устойчивого развития человечества в целом, Генеральная Ассамблея ООН приняла резолюцию об объявлении 2014 - 2024 годов Десятилетием Устойчивой энергетики для всех. В соответствии с Декларацией № 65/151 ООН провозгласила
В ENERGY BULLETIN
прошедший 2012 год Международным годом устойчивой энергетики для всех, рекомендуя Государствам - членам Организации Объединённых Наций и всем другим заинтересованным сторонам воспользоваться проведением этого мероприятия для повышения уровня осведомлённости о важности решения целого ряда задач, связанных с устойчивой энергетикой, и тем самым создать благоприятные условия для применения технологий использования новых и возобновляемых источников энергии, включая меры по расширению доступа к таким технологиям.
Таким образом, технологиям использования новых и возобновляемых источников энергии отведена ключевая роль в успешной реализации программы SEFA.
Уже сегодня существуют высокие энергетические технологии (HighEnergyTech) на новых источниках энергии, представляющих комплексы взаимодополняющих энергоносителей, обеспечивающих моно - или полигенерацию энергии в различном сочетании, которые необходимо приоритетно использовать согласно концепции устойчивого энергетического развития. Подобные технологии, как правило, основаны на запатентованных изобретениях, обязательно отвечающих условиям новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости, и являются охраняемой законом интеллектуальной собственностью физических и/или юридических лиц. поэтому чрезвычайно важно создать механизм вовлечения подобной интеллектуальной собственности для выполнения программы SEFA.
В этом отношении исключительные возможности предоставляет Международная система патентования (Patent Cooperation Treaty), насчитывающая 192 страны-участницы, они же одновременно и члены ООН. По системе РСТ каждый патентообладатель получает охранный документ в форме патентной заявки, зарегистрированной WIPO (World Intellectual Property Organization). Это даёт ему право по системам национального или регионального патентования продвигать новые технологии типа HighEnergyTech в национальную экономику любой страны-участницы договора РСТ, что представляет одну
из наиболее эффективных мер по обеспечению равного доступа к таким технологиям для каждой страны-участницы Международной системы патентования РсТ и за счёт высокодоходной капитализации интеллектуальной собственности также всеобщего доступа к современным и недорогим энергетическим услугам. А это, как отмечено выше, является одной из трёх стратегических целей, достижение которых к 2030 году предусмотрено Программой SEFA.
Среди возможных новых технологий типа HighEnergyTech самое пристальное внимание заслуживают сверхединичные энергетические технологии, в наибольшей степени отвечающие критериям отбора для мировой устойчивой энергетики. Данные технологии характеризуются Коэффициентами преобразования энергии (КПЭ) большими единицы. В общем виде выражение для определения КПЭ записывается в виде отношения полученной полезной энергии E1: электрической, термальной (тепло, холод) и механической, каждой в отдельности или в их сочетании, к полезной Е2 одной из вышеперечисленных энергий или так же в их сочетании, поступившей извне в энергетический процесс:
п / т
клэ = ^ЪЕг
'■=1 / м
где I = 1....., n и j = 1,......,m - количество участвующих в энергетическом процессе энергий соответственно на входе в него и на выходе из него.
Известны многочисленные факты проявлений сверхединичных энергетических процессов, как в окружающей нас природе, так и в техногенных процессах и устройствах различного назначения.
Так, всемирную известность приобрела программа строительства Международного термоядерного экспериментального реактора ITER во Франции, в которой участвуют Россия, США, Канада, Китай, Индия, Южная Корея, Япония и страны Евросоюза. Примерный срок окончания строительства - 2020 г., бюджет - более 15 млрд. Евро. Температура термоядерного процесса ожидается более
ENERGY BULLETIN
100 млн. градусов, что многократно превысит температуру Солнца. Промышленное освоение термоядерной технологии в случае успешного осуществления проекта ITER планируется начать после 2050 г. что уже на 20 лет превышает срок завершения Программы SEFA. Теоретически обоснованная эффективность преобразования энергии в термоядерном процессе равна 1:5. Однако заявлено, что на экспериментальном термоядерном реакторе этот показатель может быть превышен до отношения 1:10, т.е. реактор будет потреблять 40 мегаватт электричества, а производить 400 мегаватт.
Таким образом, высокая академическая наука впервые теоретически обосновала сверхединичный энергетический процесс и посчитала возможной его практическую реализацию.
Из этого примера не следует делать вывод о том, что все энергетические процессы
Три четверти бедного населения мира используют лишь 10% мировой энергии, для 1,5 млрд. человек до сих пор электричество экономически недоступно, около 3-х из 7-ми млрд. людей не имеют доступа к современным энергетическим услугам и используют традиционные биоресурсы и уголь в качестве основного источника энергии, энергетический «голод» ежегодно уносит до 2-х миллионов человеческих жизней.
использования горючих ископаемых являются сверхединичными. При сжигании любого вида ископаемого топлива неизбежны бесполезные потери тепловой энергии, которые с помощью энергосберегающих технологий могут быть минимизированы, но не исключены полностью. В случае термоядерного процесса извне вводится обычная до-единичная электрическая энергия, которая инициирует сверхединичный процесс энерговыделения атомной энергии из ядерного топлива с аномально высоким энергосодержанием.
Под научным руководством и при непосредственном участии автора было установлено ранее неизвестное явление выделения и накопления сверхединичных энергий в ускоренных до сверхзвуковых скоростей многофазных газожидкостных потоках.
Данному явлению можно дать следующее обобщенное определение:
«В циклических процессах некомпенсированных изменений фазового состояния вещества происходит выделение избыточной энергии и её накопление в результате роста энергосодержания вещества».
Подобные явления, наблюдаемые в других процессах, позволяют приблизиться к формулировке Единого закона сохранения и превращения энергии в следующем простом виде: 1,0 < КПЭ > 1,0
Приведенная выше попытка сформулировать Единый закон сохранения и превращения энергии вносит коренное изменение в уровень познания материального мира и представляет новую парадигму развития мировой энергетики.
Именно это обстоятельство обосновало процесс патентования ряда сверхединичных энергетических технологий, из которых
_ в качестве примера
выделим Ветроэнергетическую технологию, которая характеризуется мировой новизной и с приоритетом от 27.04.2011 защищена международной патентной заявкой (WIPO/ PCT: WO 2012/146233
- PCT/DE 2012/000411
и патентом DE № 102011018840 «Способ использования энергии ветра и превращение её в другие виды энергии и ветроэнергетическое устройство для его осуществления»1, патентообладатель - фирма BYCHKOV GmbH, Germany, автор - Prof. Dr. Sci. Bychkov Yu.M.
Данная Ветроэнергетическая технология обладает следующими основными преимуществами по сравнению с известными доединичными ветроэнергетическими технологиями прямого преобразования кинетической энергии ветра в электрическую или механическую энергии.
1 Title: Method for harvesting wind energy and converting same into different forms of energy, and wind turbine for carrying out said method.
Bezeichnung: Verfahren zur gewinnung von windenergie und umwandlung derselben in andere energieformen und windkraftanlage zur durchführung dieses Verfahrens.
В ENERGY BULLETIN
Таблица 1
Р, атм. Ар, атм T, °С Рэ, кВт G, т/ч Рм,кВт Рц, кВт А T, °С
6,0876 3,0528 24,796/64,929 4,658 16,0704 2,7709 26,163 1,3997
Рис. 1. Общий вид опытного образца. Ключевые элементы: электродвигатель, центробежный насос, всасывающий трубопровод, напорный трубопровод, ветроусилитель, реактор, бак сепарации, промежуточный бак, резервный бак, заливочное устройство.
1. Устройства для осуществления Ветроэнергетической технологии могут иметь различные конструктивные исполнения в зависимости от вида и способа внешнего энергоснабжения, а также от глубины превращения энергии.
На приведённом рисунке показан общий вид опытного образца одного из вариантов Ветроэнергетического устройства (ВЭУ) для генерации тепловой и механической энергии воздуха в сжатом состоянии и воды,
обладающей из всех известных энергоносителей максимальной удельной теплоёмкостью, что в данном случае является необходимым условием сверхединичного процесса теплогенерации.
Основными элементами опытного образца ВЭУ являются: электродвигатель; центробежный насос; всасывающий и напорный трубопроводы; ветроусилитель; реактор; бак сепарации; промежуточный бак; бак резервный; заливочное устройство.
Таблица 2
Отопительная установка на природном газе Расход энергии кВтч/м2 в год Стоимость энергии Евро/м2 в год Цена природного газа Евро за кВтч
Отопление 100 7,00 0,07
Горячая вода 30 2,10
Сумма 130 9,10
Ветроэнергетическая установка Цена электроэнергии Евро за кВтч
КПЭ 1:5
Отопление 20 3,80 0,19
Горячая вода 6 1,14
Сумма 26 4,94
"Среднегодовые данные за 2011 г. взяты с www.heizspiegel.de
Центробежный насос подаёт поток воды под давлением до 7 атм. и весовым расходом до 16-17 т/час в реактор, куда одновременно по ветроусилителю с коэффициентом усиления скорости ветра 1:10 подаётся воздушный поток, имеющий начальную скорость около 0,5 м/с и ускоренный на входе в реактор до 5,0 м/с. Здесь с помощью рабочего органа специальной конструкции создают сверхзвуковой режим течения во-довоздушной среды с выделением и накоплением избыточной энергии за счёт роста давления и температуры. После реактора водовоздушный поток возвращают в дозвуковой режим течения и направляют в бак сепарации, в котором сжатый воздух отделяют от циркулирующего водного потока. Сжатый воздух, обладающий избыточной температурой и давлением, в различном сочетании может использоваться для воздушного отопления, работы пневмомеханизмов и/или выработки электроэнергии, а циркулирующий водный поток, как жидкий энергоноситель, также обладающий избыточной температурой и давлением, может применяться для водяного отопления и горячего водоснабжения, кондиционирования, механических работ и электрогенерации.
Для выработки электрической энергии ветроустановка должна быть дополнительно оснащена гидрогенератором.
Широкие функциональные возможности Ветроэнергетичесской технологии для про-
изводства термальной, электрической и механической энергий, каждой в отдельности или в различном их сочетании, представляют безусловный практический интерес для устойчивой энергетики.
2. Существует убедительная доказательная база высокой энергоэффективности ВЭУ со сверхединичными показателями КПЭ.
В таблице 1 приведены результаты разгона опытного образца в течение 2 часов 16 мин от температуры 24,796 0С до выхода на рабочий режим при температуре 64,929 ос.
При установленной мощности электродвигателя 7,5 кВт, насос потребляет электрическую мощность Рэ, равную 4,658 кВт, из которой полезная гидромеханическая мощность Рм составляет 2,771 кВт, т.е. коэффициент превращения электрической энергии в гидромеханическую по мощности составляет 2,7709/4,658 = 0,595. В то же время коэффициент превращения гидромеханической энергии в тепловую энергию по мощности составляет Рц/Рм = 26,163/2,7709 = 9,442. Однако для экономики наибольший интерес представляет отношение мощностей получаемой тепловой энергии к мощности потребляемой электрической энергии, равное Рц/Рэ= 26,163/4,658 = 5,617. Именно этот показатель следует использовать для определения экономической эффективности опытного образца.
В ENERGY BULLETIN
В данном опытном образце КПЭ = (Рц + Рм)/Рэ = (26,163 + 2,771)/4,658 и составляет величину, равную 6,21.
столь высоким показателем энергоэффективности в настоящее время не обладает ни одна из известных доединичных энергетических технологий.
3. Производимая сверхединичная энергия чрезвычайно выгодна экономически.
Сравнительный технико-экономический анализ затрат электроэнергии на выработку 1 Гкал тепла опытным образцом ВЭУ и проточным электрическим котлом - водонагревателем ЭВП-02 показал, что опытный образец вырабатывает 5,617 кВт^ч учтённой полезной тепловой энергии на каждый кВт^ч затраченной электрической энергии без учёта дополнительно вырабатываемой механической энергии и 16 + 18% потерь тепла в окружающее пространство. Кроме того, в данном образце осуществляется также транспортировка тепла. Таким образом, на выработку и транспортировку 1 Гкал полезного тепла требуется электроэнергии 1163кВт^ч: 5,617 = 207,05 кВт-ч.
Котёл ЭВП-02 относится к отопительным котлам, оборудованным электрическим водонагревателем, напрямую превращающим электричество в теплоту. Одновременно с нагреванием теплоносителя данный котёл обеспечивает его принудительную циркуляцию под избыточным давлением до 2-х атм. без установки дополнительных насосов. КПД котла - 95%. Таким образом, на выработку и транспортировку 1 Гкал полезного тепла котёл ЭВП-02 затрачивает электроэнергии 1163 кВт^ч/0,95 = 1224,2 кВт^ч, т.е. в 5,91 раза больше, чем опытный образец.
Определена экономическая эффективность получения тепловой энергии на ВЭУ в условиях России, г. Москва. Стоимость 1 Гкал тепла, отпускаемого населению крупнейшими энергетическими компаниями МОЭК и Мосэнерго, может быть уменьшена в дневные часы в 2,11 и 1,69 раза, и в ночные часы за счёт сниженного тарифа в 8,39 и 6,70 раза соответственно. Таким образом, при использовании дешёвого ночного электричества экономическая эффективность может быть многократно увеличена.
Для условий Германии в Таблице 2 приведены годовые затраты на обогрев и горячую воду в расчёте на одну жилую комнату и показана возможность сокращения издержек в 1,84 раза при использовании ВЭУ по сравнению с отоплением на природном газе.
4. Ветроэнергетическая технология,
обладая огромным потенциалом совершенствования и позитивного влияния на эффективность существующих доединичных энергетических технологий, является прорывной технологией. Поскольку она нуждается во внешних источниках энергии, то совместное использование до- и сверхединичных энергетических технологий может обеспечить их высокоэффективное функционирование. Так, например, в случае совмещения ВЭУ с КПЭ ь6, с любой другой доединичной энергетической технологией с КПЭ = 0,3...0,9 их совместный КПЭь1,8...5,4 и будет находиться в сверхединичном интервале.
Особую роль концепция совмещения до- и сверхединичных энергетических технологий может сыграть в экономном неисто-щительном использовании возобновляемых энергоресурсов, а также ископаемых видов топлива, включая ядерное топливо, эволю-ционно замещая их везде, где это технически возможно и экономически целесообразно.
5. Энергоресурсы для Ветроэнергетической технологии образуют новый класс неисчерпаемых источников энергии, к которым в первую очередь относятся такие общедоступные взаимодействующие среды, как воздух и вода. за редким исключением, они распространены повсеместно. Кроме того, для циклических процессов они являются консервативными рабочими средами, которые выводятся из естественного кругооборота в весьма ограниченных количествах, не нарушающих природного экологического равновесия. В итоге может быть достигнута полная энергетическая независимость каждой национальной энергетики от импорта энергоносителей и внешних источников энергии.
6. Чрезвычайно важна для устойчивой энергетики масштабируемость ВЭУ
как в докило-и киловаттном, так и в мега-и сверхмегаваттном диапазонах. Это позволяет создать универсальные типоряды энергетических объектов и устройств, экономически доступных для широкого круга потребителей разного уровня энергопотребления и социального статуса.
7. объекты Ветроэнергетической технологии безопасны и надёжны в эксплуатации с гарантией безаварийной работы не менее 10-ти лет. Достижение этих показателей объясняется, в первую очередь, отсутствием роторного ветродвигателя, вместо которого низкопотенциаольную энергию ветра улавливает и многократно увеличивает неподвижный ветроусилитель специальной конструкции.
Известно, что эффективность работы ве-троустановок роторного типа существенно зависит от скорости ветра. Как правило, они работают в диапазоне скорости от 3...5 м/с (скорость трогания) до 20...25 м/с (скорость торможения из-за опасности разрушения ветроустановки), при этом оптимальный режим работы лежит в пределах 8...12 м/с.
Для ВЭУ достаточны на порядок меньшие скорости ветра от 0,3...0,5 м/с до 3...5 м/с. Больше того, высокая эффективность работы сохраняется даже при полном отсутствии ветра. Это однозначно указывает на то, что работа ВЭУ мало зависит от скоростной характеристики ветра и может быть эффективно использована даже в тех регионах земного шара, где роторная ветроэнергетика из-за низких скоростей ветра практически не применима.
8. отказ от применения роторного ветродвигателя создаёт целый ряд дополнительных преимуществ ВЭУ, а именно:
- с учётом полной безотходности производства резко повышается экологичность, поскольку практически полностью исключается негативное виброакустическое воздействие на человека и окружающую природную среду, что в свою очередь позволяет
максимально приблизить ветроустановки к потребителю и тем самым осуществить децентрализацию систем энергоснабжения с минимальной протяжённостью или полным отсутствием линий передачи энергий;
- повышается надёжность систем энергоснабжения, снижаются строительные и эксплуатационные затраты;
- из-за малых весогабаритных характеристик ветроустановок требуются небольшие площади для их размещения порядка 0,05...1,0 м2 на 1 кВт установленной мощности;
- могут быть освоены для хозяйственной деятельности территории, не используемые в настоящее время из-за отсутствия энергии (пустынные и малонаселённые местности, удалённые объекты специального назначения и т.д.).
Совокупность приведённых выше преимуществ Ветроэнергетической технологии создаёт объективные возможности производить дешёвую энергию с коротким сроком окупаемости энергообъектов не более одного года, поскольку затраты на её промышленное освоение в разы меньше, чем затраты на другие традиционные энергетические технологии.
Таким образом, ответ на вопрос, поставленный в названии настоящей статьи, очевиден: если в процесс создания Устойчивой энергетики для всех будут вовлечены новые сверхединичные энергетические технологии равной и всеобщей доступности, высокой энергетической эффективности, экономической целесообразности, экологической чистоты, безопасности и надёжности в эксплуатации, то к 2030 году в соответствии с Программой БЕРЛ реально удвоятся и даже могут быть превышены такие программные показатели, как уровень энергоэффективности и доля возобновляемых и неисчерпаемых источников энергии в мировом энергетическом балансе и тем самым будет создан прочный фундамент Устойчивой энергетики для всех.
