16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/64/4306.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 12 (64) декабрь 2005 года

Автономное энергоснабжение на основе использования местного топлива

Уже в ближайшее время с учетом увеличения энергопотребления во всем мире нарастание энергетических проблем в самой России неизбежно, и вся их тяжесть будет особо ощутима на региональном уровне, прежде всего в индустриально развитых регионах, к числу которых относятся Санкт-Петербург и Ленинградская область, где чрезвычайно высок уровень энергопотребления.

В настоящее время энергетика Ленинградского региона оказалась в недопустимо сильной зависимости от постоянно дорожающих природного газа и нефтепродуктов, которые составляют в энергетическом балансе более 80% потребляемых энергоресурсов. Учитывая, что территориально Санкт-Петербург и Ленинградская область расположены вдали от районов добычи нефти и газа, экономическая эффективность большинства предприятий региона и затраты населения на коммунальные услуги напрямую зависят от стоимости привозных энергоносителей и высоких цен на их доставку.

Необходимость бесперебойного обеспечения теплом и электроэнергией населения и предприятий в ближайшем будущем должна заставить власти всех уровней разработать и срочно принять особую региональную топливно-энергетическую концепцию развития региона с акцентом на использование местных видов топлива.

Тот факт, что Санкт-Петербург и Ленинградская область в силу целого ряда причин вынуждены постепенно переходить от использования традиционных видов топлива на местные источники энергии, уже ни у кого сомнения не вызывает. Среди причин можно назвать следующие:
– тяжелое состояние энергетических систем, низкий КПД источников и теплопотери, связанные с физическим и моральным износом оборудования и инфраструктуры;
– дороговизна поставляемого топлива и тенденция к дальнейшему увеличению цены;
– плохое качество ввозимого ископаемого топлива;
– огромные региональные запасы местного топлива и т.д.

Использование различных видов местного топлива: древесины, торфа, сланцев, отходов сельского хозяйства и т. д. позволит сократить закупки постоянно дорожающих энергоносителей, которые Санкт-Петербург и Ленинградская область вынуждены ввозить из других регионов. Крупномасштабный перевод существующих жилых и промышленных отопительных систем с ископаемых источников энергии на дешевые местные энергоресурсы сразу же даст ощутимый экономический эффект в том, что значительные денежные средства, используемые в настоящее время для приобретения энергоносителей, не будут уходить за пределы Ленинградского региона. Так, в Северо-Западный экономический район (включающий Ленинградскую, Псковскую, Новгородскую области и г. Санкт-Петербург) ежегодно завозится более 1 млн. т угля, в том числе около 80% из Кузбасса и 20% из Печорского бассейна.



Характеристика основных видов местного топлива

Основными видами местного топлива в Ленинградском регионе являются древесина, торф и сланец. Использование древесного топлива для теплоснабжения вместо угля и мазута становится все более актуальным. На Северо-Западе России сосредоточено около 54% всех лесных богатств европейской части нашей страны. Так, две трети территории Ленинградской области покрыто лесами, общая площадь которых превышает 6 млн. га. Общий запас древесины – 864,6 млн. кубометров, в том числе хвойные породы – 561,4 млн. кубометров. Эксплуатационный запас – 360 млн. кубометров. Расчетная лесосека по главному пользованию – 9,8 млн. кубометров, разрешенный объем по промежуточному пользованию – 2,5 млн. кубометров. Оценивая объемы лесных массивов на территории таких субъектов Северо-Западного федерального округа, можно сказать, что это край с практически бесконечным запасом топлива в виде отходов лесозаготовки и деревопереработки. Как оценивают специалисты, только потенциальный объем древесных отходов в регионе составляет 6 млн. куб. м в год, что эквивалентно 1,5 млн. т угля или 1 млн. т мазута.

Структура лесов Ленобласти характеризуется тем, что наряду с ценными с экологической и технической точки зрения хвойными породами и березой, пользующимися устойчивым спросом в сферах традиционного применения деловой древесины, также много низкокачественных и практически не находящих сбыта осины и ольхи, доля которых составляет в среднем 10% всего лесного фонда, а в некоторых районах Ленинградской области достигает 30%.

Торф является универсальным, самым распространенным органическим сырьем Ленинградской области. Только в разрабатываемом фонде при научно обоснованном уровне потребления его хватит на 60 лет, а если принять во внимание общие запасы – то более чем на 500 лет. На территории Ленинградской области насчитывается 7000 гектаров действующих торфяных разработок и 8900 га законсервированных, которые могут в любой момент при необходимости быть введены в эксплуатацию.

Торф оставался долгое время «кризисным топливом», однако в последнее время в некоторых европейских странах он стал постоянным топливом для систем централизованного теплоснабжения. Калорийность сухих торфов достаточно высока, так если при сжигании воркутинского угля выделяется от 3,5 до 4 тысяч килокалорий на килограмм, то у тщательно высушенного торфа – от 5 до 5,5 тысячи. При сгорании он выделяет почти в десять раз меньше серы, не загрязняет окружающую среду радионуклидами, как это происходит не только с углем, но и с нефтью и мазутом. Торф может быть использован в той же сжигающей установке, что и древесная щепа, и энергоемкость практически такая же, как у топлива из древесной массы. Торф в качестве топлива может использоваться двумя способами: непосредственно как высушенный торф либо в форме брикетов. Торф в виде брикетов обладает высоким содержанием энергии и низкой влажностью.

Складывается тенденция повышения конкурентоспособности торфяного топлива с привозным углем и мазутом. Подтверждение можно найти в сравнении цен на торфяное топливо с ценами на другие виды (в пересчете на условное топливо). Например, для северных районов РФ: торф – 100%; кузнецкий уголь – более 190%; воркутинский уголь – 130‑185%; итинский – 182‑611%; мазут топочный – 180‑252%. Данное соотношение цен создает благоприятные предпосылки для расширения использования торфа в энергетике Ленинградского региона. По оценкам многих специалистов, уже в ближайшее время доля торфа в региональной энергетике может возрасти до 20%.

Сланцы – один из основных видов местного топлива в Ленинградском регионе. Горючие сланцы весьма своеобразный вид топлива. Органическая масса сланцев выгодно отличается от других видов твердого топлива высоким содержанием водорода и углерода и низким – кислорода, при этом высокая реакционная способность сланца определяет достаточно высокую степень его выгорания. Ресурсы Ленинградского месторождения эквивалентны 300 млн. тонн нефти. Балансовые запасы горючих сланцев Ленинградского месторождения составляют более 1 млрд. т теоретически, производственные мощности местной сланцедобычи позволяют полностью покрыть потребности региона в твердом топливе. Работа по созданию рынка сбыта для добываемого сырья может вестись в нескольких направлениях – в соответствии с различными сферами применения горючих сланцев. Одной из этих сфер является энергетика, где сланцы используются в качестве топлива для получения тепла и электричества. Сегодня 70% добываемого ленинградского сланца поставляется в Эстонию на Балтийскую электростанцию для переработки. При этом 45% энергии остается в республике в качестве платы, а 55% возвращается в РФ. Себестоимость 1 кВт/ч такой энергии даже с расходами на перевозку сланца и переработку его в Эстонии достаточно дешевая. Для сравнения: если принять топливные затраты в стоимости 1 кВт/ч при использовании мазута за 100%, то при использовании газа они составят 32,7%, а сланца – 23,7% (в экспортных ценах).



Перспективность использования

В настоящее время энергетическая составляющая в тарифах жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) российских городов колеблется по отдельным регионам от 40 до 80 %. Санкт-Петербург не является исключением. Высокое значение энергетической составляющей объясняется дороговизной традиционного топлива, его неэффективным использованием – КПД котельных, даже газовых, в среднем составляет от 30 до 50‑55%, большими потерями в сетях. В среднем ежегодно рост тарифов по России, и в Санкт-Петербурге в том числе, на электроэнергию составляет 9,5‑10%, на тепло 15‑20%.

Другой критичной проблемой, стоящей сегодня перед жилищно-коммунальным хозяйством Санкт-Петербурга, остается старение основных фондов. Значительный износ теплоэнергетического оборудования, работающего с низким КПД, приводит к непроизводительным потерям и требует дополнительных затрат на выработку энергии. По оценке специалистов, проводивших экспертизу технического состояния объектов ЖКХ, в большинстве районов Санкт-Петербурга и Ленинградской области общая степень износа котельных, трубопроводных магистралей, теплообменных пунктов и внутридомовых сетей превышает 50‑60%, достигая, в отдельных случаях, 90‑100%. Образно говоря, часть топлива, которое сжигается в ТЭЦ и крупных котельных города для получения тепловой и электрической энергии, просто-напросто «вылетает в трубу». В результате повышение цен на коммунальные услуги еще не означает качественного обеспечения потребителей ресурсами. Из‑за ветхости сетей происходят огромные потери тепла, перебои с электроэнергией, объекты отапливаются неудовлетворителъно.

Не вызывает сомнений, что капитальный ремонт, модернизацию и техническое перевооружение систем тепло- и энергоснабжения нашего города необходимо проводить в комплексе с их переводом на местные виды топлива. К сожалению, до настоящего времени интерес к использованию местного топлива и альтернативным технологиям получения энергии в Санкт-Петербурге носит скорее теоретический, нежели практический характер.

Необходимо ясно понимать, что для таких крупных мегаполисов, как Санкт-Петербург, в каждом конкретном случае нужно находить собственное, индивидуальное решение проблемы тепло- и электроснабжения, в том числе и выбор традиционных источников энергии и источников энергии на местном топливе. Для начала надо просто вспомнить, что до 1950 года город Ленинград практически полностью отапливался торфом. В настоящее время в Санкт-Петербурге основная нагрузка по снабжению населения и промышленных предприятий энергией ложится на плечи «систем централизованного энергоснабжения», работающих на природном газе. Однако европейский опыт и московский энергетический кризис весной 2005 года красноречиво показывают, что даже при наличии централизованного энергоснабжения на каждом объекте необходимо предусмотреть возможность получения тепла и электроэнергии с использованием «запасного» местного вида топлива. Это позволит лучше контролировать ситуацию в случае возникновения форс-мажорных обстоятельств, связанных с влиянием внешней среды.

Стремительное повышение тарифов на электроэнергию и тепло в прошедшие два года подталкивает потребителей к созданию собственных генерирующих мощностей как более надежных и дешевых источников энергоснабжения.

Основными потребителями электрогенераторной продукции являются промышленные предприятия, банки, офисные и медицинские центры, телекоммуникационные и добывающие компании, аэропорты. В последнее время особый интерес к использованию электрогенераторных установок проявляют жилищно-коммунальные службы городов, ведь не секрет, что существующая система централизованного обеспечения жилого сектора мегаполисов электричеством и тепловой энергией весьма затратна для городов, в том числе из‑за низкого коэффициента полезного использования первичных ресурсов. Реальная финансовая экономия, а также экономия энергоресурсов могут быть достигнуты за счет децентрализации источников энергоснабжения и использования местного топлива.



Инновационные технологии создания автономных энергетических систем

Наряду с другими направлениями развития малой энергетики для Ленинградского региона представляет значительный интерес серийное производство электрогенераторов на основе двигателей Стирлинга мощностью от 3 до 100 кВт с модификацией под местное топливо (стирлинг-генераторы). Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты. В связи с этим по сравнению с ДВС в двигателях Стирлинга процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов могут использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Решение данного вопроса уже в ближайшее время позволит обеспечить Санкт-Петербург и Ленинградскую область дешевыми в эксплуатации автономными энергоисточниками на местном топливе.

В настоящее время в мировых обзорах по энергопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС.

Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на различных топливах, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящего момента – все эти параметры дают возможность машинам Стирлинга в ближайшее время значительно потеснить двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Одним из перспективных направлений применения двигателей Стирлинга является создание установок, работающих на древесном топливе. За рубежом уже начато производство двигателей Стирлинга электрической мощностью от 5 до 50 кВт, в качестве топлива для которых используются древесная щепа. Ниже на рис. представлен образец зарубежной установки с двигателем Стирлинга и ее энергетический баланс.

Данная установка предназначена для одновременного производства электрической энергии мощностью 30 кВт и тепловой энергии мощностью 100 кВт. В качестве топлива для двигателя используются отходы деревообрабатывающих предприятий.

Наиболее перспективными областями применения стирлинг-генераторов, работающих на древесном топливе, уже в ближайшем будущем могут стать отрасли экономики Ленинградского региона, в которых скапливаются большие объемы биомассы (в частности, леспромхозы и деревоперерабатывающие предприятия и т.д.).

Другим направлением использования стирлинг-генераторов является использование технологии газификации биомассы. Газификация древесных отходов обеспечивает получение топливного газа, основу которого составляет СО, Н2 и N2 и который может быть использован в качестве газообразного топлива для двигателей Стирлинга.

Еще одним важным преимуществом является то, что для работы газогенератора можно использовать топливо низкого качества – опилки, стружку, измельченную кору.

Переработка древесных отходов методом пиролизного генерирования газа позволяет получать дешевую тепловую энергию. Газогенератор может решить проблемы по обеспечению теплом небольшого поселка Ленинградской области. В качестве топлива могут быть использованы отходы из ближайшего леса или любые древесные отходы.

В основе работы газогенератора лежит принцип: преобразование твердого топлива в газообразное под воздействием высокой температуры без доступа кислорода. В результате процесса, называемого пиролизом, вырабатывается генераторный, древесный газ. Теплотворная способность газа составляет не менее 1100 ккал / м3. Газогенераторная установка предельно проста по конструкции, не требует специально обученного обслуживающего персонала в эксплуатации. Газогенератор состоит из трех основных частей: камеры газообразования, камеры возгорания и загрузочного бункера. Детали установки, работающие при повышенных температурах, изготавливаются из жаропрочных материалов.

Высокая рентабельность газогенераторных стирлинг-генераторов определяется дешевизной электрической и тепловой энергии, использованием местных видов топлива, близостью к потребителю, отсутствием необходимости в дорогостоящих ЛЭП и подстанциях, экологической безопасностью и мобильностью.

Широкое применение автономных систем электроснабжения на основе двигателей Стирлинга позволяет разработать и быстро реализовать Концепцию энергоснабжения северо-западных, центральных и сибирских регионов РФ на основе использования автономных электрогенераторов, работающих на местном топливе.

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.

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. Эффективный к. п. д. современных зарубежных стирлинг-генераторов составляет более 40%, а с учетом получения дополнительного тепла (нагрев теплоносителя до 900 оС) суммарный к. п. д. возрастет до 95%.

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 в России уже накоплен достаточный научно-технический потенциал для серийного производства высокоэффективных двигателей Стирлинга. В области двигателей Стирлинга значительные результаты были достигнуты в ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии». Основные направления работ связаны с применением двигателей Стирлинга в когенерационных установках и системах использования теплоты отработанных газов, например мини-ТЭЦ. В результате многолетних теоретико-экспериментальных исследований специалистами ООО «ИИЦ «Стирлинг-технологии» разработаны методики двигателей Стирлинга и созданы опытные образцы двигателей мощностью 3 кВт. Экспериментальные исследования опытного образца двигателя Стирлинга подтвердили возможность создания высокоэффективных отечественных двигателей.

На фото представлены опытные образцы разработанных российских двигателей Стирлинга после успешных испытаний. Их отличительная особенность – универсальное исполнение теплообменников нагрузки (нагревателей), что позволяет использовать в качестве топлива любой вид газообразного, жидкого и твердого топлива.

Хотя в настоящее время двигатель Стирлинга несколько дороже двигателей внутреннего сгорания, опыт серийного производства двигателей Стирлинга за рубежом показывает, что при производстве 1000 двигателей (малой мощности) стоимость серийного двигателя, по сравнению с его стоимостью при индивидуальном изготовлении, может уменьшиться в 30 раз. Зависимость стоимости двигателя Стирлинга от масштабов производства подтверждается исследованиями, выполненными Лабораторией реактивных двигателей (США) при производстве «солнечных Стирлингов».

Анализ вопросов, связанных со стоимостью двигателя Стирлинга и выполненных как отечественными, так и зарубежными фирмами, позволяет сделать вывод, что этот двигатель хотя и имеет при мелкосерийном производстве более высокую стоимость изготовления, зато значительно менее дорог в эксплуатации. Это обеспечивает низкие сроки окупаемости проектов с двигателями Стирлинга по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания.

Перспективность применения местных топлив с одновременным сокращением потребления природного газа очевидна для г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области. С одной стороны, в Санкт-Петербурге 90% городской энергетики базируется на газе. Его с трудом хватает на обеспечение отопления жилого сектора и социальных объектов. С вводом в строй Северо-Западной ТЭЦ резервы мощности региональной газовой «трубы» практически полностью исчерпаны. Многие промышленные котельные и электростанции вынуждены доводить запасы резервных видов топлив до установленных нормативов. Для подключения новых крупных потребителей газа необходимо строительство газопровода (тянуть нитку от Грязовца), что требует значительных капитальных вложений. С другой стороны, в Ленинградской области существуют огромные запасы уникальных местных топлив, среди которых древесина, горючие сланцы, торф и т.д. Их использование позволило бы снять проблему дефицита высококалорийных традиционных энергоносителей (природного газа и нефтепродуктов) для Ленинградского региона.
ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии»
Заслуженный изобретатель Российской Федерации, д. т.н. Н.Г. КИРИЛЛОВ

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 12 (64) декабрь 2005 года:

  • Инвестпрограмма МРСК СЗ на 2006 год запланирована в размере 1,7 млрд. рублей

    Об этом заявил генеральный директор Межрегиональной распределительной сетевой компании Северо-Запада Вениамин Пинхасик на пресс-конференции в Петербурге. По его словам, в текущем году каждая распределительная сетевая компания, находящаяся в зоне ответственности МРСК, реализует инвестпрограмму в объеме амортизационных отчислений. «По каждой распредсетевой компании этот показатель составляет в среднем 100‑220 млн. рублей в год, ам...

  • Отраслевые выставки в канун юбилея

    Выставка: «Нефть. Газ. Химия», «Машиностроение. Металлургия. Металлообработка» Организатор: ООО «Ижевский экспоцентр» Место проведения: Россия, г. Ижевск Дата: 25‑28 октября ...

  • Тепло из-под земли

    Австралийская компания Geodynamics Ltd. намерена построить первую в мире коммерческую электростанцию, использующую геотермальную энергию из специально пробуренной глубинной скважины. Геотермальная энергия всерьез рассматривается в качестве экологически чистой альтернативы ископаемому топливу. В настоящее время подземное тепло коммерчески используется в Соединенных Штатах, Исландии, Японии, Новой Зеландии и на Филиппинах. В России перва...

  • Новые изоляторы для энергетической отрасли

    Разработка новых видов изделий и улучшение технико-технологических характеристик уже выпускаемых изделий в тесном контакте с ведущими НИИ России, СНГ, ведущими независимыми лабораториями всего мира и в соответствии с возрастающими требованиями российских и зарубежных заказчиков – стратегическое направление развития ОАО «ЮАИЗ». Предприятие прилагает серьезные усилия по модернизации всех видов выпускаемых изоляторов. Также одним из...

  • Энергетика - моя судьба

    О начальнике отдела по проектированию воздушных линий электропередачи и подстанций ОАО «СевЗапНТЦ» Георгии Константиновиче Бодееве с полным правом можно сказать, что он посвятил энергетике всю свою жизнь. На его счету – более сотни проектов, реализованных не только в России, но и за ее пределами, а стаж работы в энергетической отрасли  превышает 35 лет. Его вклад в электрификацию нашей страны оценен Почетными грамотами РАО Е...