Идеальное тепло или Стирлинг против Кременчугской ТЭЦ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Идеальное тепло или Стирлинг против Кременчугской ТЭЦ

«Быть или не быть, вот в чём вопрос!»

Шекспир, «Гамлет»

«Пока гром не грянет, мужик не перекрестится»

Народная пословица

Каким должен быть идеальный источник тепла, задумывались ли мы когда-нибудь над этим? Попробуем разобраться в этом вопросе. Тепловая энергия, в отличие от электроэнергии, является энергией местного значения. Она является важной для конкретного города или производства, где от её наличия зависят комфортные условия жизни и труда. Электроэнергия является более глобальной энергией, так как позволяет передавать энергию на большие расстояния, поэтому задача её производства, передачи и распределения является государственной задачей, задачей страны в целом, в отличие от производства, передачи и распределения тепловой энергии, так как в этом случае это задача конкретного муниципалитета или производства. Поэтому идеальный источник тепла нужен, прежде всего, на местах, местному самоуправлению, конкретному жителю конкретного города. Главные её достоинства для потребителя - доступность, дешевизна и экологическая безопасность. Существует ли такая энергия в условиях постоянного роста цен на нефть и природный газ?

История говорит нам о том, что человек предпочитает селиться на берегу рек и морей: на берегу рек, потому что они источник пресной воды, на берегу морей, потому что море не только источник пищи, но и удобный торговый путь. Эта закономерность имеет место и для нашего времени - основные города в мире расположены на берегу или рек, или морей. Отметим для себя эту особенность, так как вода является очень хорошим тепловым аккумулятором, температура которого меняется в незначительных пределах. Водой же покрыты 71 % поверхности земного шара.

Современный мир ставит перед человечеством две общие проблемы: глобальное потепление и ограниченность энергетических ресурсов.

Глобальное потепление делает окружающую среду всё менее благоприятной для жизни человека, что грозит климатическими изменениями и ставит под вопрос выживание человека, как вида, на Земле, а ограниченность энергетических ресурсов не позволяет накормить, напоить, одеть и обуть всех жителей Земли, число которых постоянно растёт. Причём речь не идёт о потеплении на Земле из-за увеличения солнечной активности, вследствие которой жизнь на Земле через несколько миллиардов лет исчезнет, речь идёт о «взрывном» потеплении на Земле, начиная с 1970 г., которое совпадает по времени с резким «взрывным» увеличением населения и соответствующим ростом промышленного производства. Так, температура окружающей среды до 2100 г вырастет на 4?С, считают эксперты Потсдамского института исследований влияния климата и некоммерческой организации Climate Analytics. В докладе Turn Down the Heat Всемирного банка, который они подготовили, они пишут: «Мир может столкнуться с повышением уровня моря, которое приведет к затоплению прибрежных городов, нехваткой продовольствия и экстремальными изменениями погоды. Климатические изменения затронут все регионы мира, при этом засушливые территории станут еще суше, районы с влажным климатом - еще влажнее. Сильнее всех пострадают бедные страны». И далее: «Мирового потепление на 4 градуса можно и нужно избежать, нам необходимо удерживать потепление на уровне ниже 2 градусов»

Причём в основе глобального потепления лежат, прежде всего причины, связанные с деятельностью человека, в том числе и с его деятельностью в области энергетики. Это, прежде всего, выбросы парниковых газов от объектов энергетики и нагрев окружающей среды большим количеством сбросного низкопотенциального тепла с водой и дымовыми газами. Есть, конечно, и другие источники выбросов как парниковых газов, так и теплового загрязнения окружающей среды: автомобили с двигателями внутреннего сгорания, выбросы других производств, распространение веществ разрушающих озоновый слой (фреонов), горение лесов, выделения метана на свалках и угольных пластах и т. д, для каждых из которых разработаны свои меры противодействия: электромобили, ограничение и очистка выбросов предприятий, отказ от применения фреонов, использование указанного метана для получения энергии и т.д. Даже при дыхании человек выделяет углекислый газ, а нас становиться всё больше, а деревьев меньше. Однако именно энергетика потребляет всю первичную энергию (уголь, нефть, газ, уран, солнечное тепло, ветер и т. д.) и превращает её во вторичную энергию с теплом и электроэнергией, на основании которой и работают все остальные производства и живут люди, которые участвуют в общественном труде (или не участвуют ;) ), поэтому её вклад в проблему глобального потепления, наверно, наибольший. Причём по оценкам учёных в настоящее время не наблюдается ни увеличение солнечной активности (солнечная постоянная 1367 Вт/м?), ни увеличение геотермальной активности, поэтому доминирующим фактором в проблеме глобального потепления является именно постоянное повышение потребления первичных энергоресурсов объектами энергетики для удовлетворения растущих потребностей жителей Земли во вторичных энергоресурсах. Это хорошо видно на Рисунке 1, как связана температура окружающей среды и количество диоксида углерода в атмосфере, которое образуется из-за сжигания органического ископаемого топлива, по годам:

Рисунок 1

То что глобальное потепление это явление именно настоящего дня хорошо видно на Рисунке 2.

Рисунок 2

Повышенная выработка энергии приводит к увеличению сброса загрязняющих веществ (в том числе с парниковыми газами) и увеличению сброса низкопотенциального тепла с водой и уходящими газами (тепловое загрязнение).

В соответствии с Киотским протоколом учет и регулирование выбросов осуществляется для следующих парниковых газов: диоксид углерода (СО2), метан (СН4), закись азота (N2O), ГФУ (гидрофторуглероды), ПФУ (перфторуглероды) и гексафторид серы (SF6), которые обладают прямым парниковым эффектом. Из указанных парниковых газов при сжигании органического топлива при производстве электроэнергии и тепла выделяются следующие: диоксид углерода (СО2), метан (СН4) и закись азота (N2O). Кроме того, при сжигании органического топлива выделяются другие загрязняющие вещества, которые не являются парниковыми газами: оксид углерода (СО), другие окислы азота (NOx), окислы серы (SO2), твёрдые частички (С) и т.д.

Тепловое загрязнение окружающей среды происходит при любом сжигании органического топлива. Однако, особенно его много при так называемой тепловой генерации, т.е. когда на тепловой электрической станции (ТЭС) получают одновременно тепловую и электрическую энергию при сжигании органического топлива (газ, мазут, уголь и т.д.). Коэффициент полезного действия (кпд) обычных паровых ТЭС составляет 36 %, это значит что 36 % внутренней теплоты (энергии) топлива преобразуется в полезную работу, а 64 % внутренней энергии использованного топлива рассеивается в окружающей среде, нагревая её. В более современных парогазовых станциях (ПГЭС) кпд составляет 55 - 60 %, поэтому на таких станциях теряется гораздо меньше тепловой энергии, около 40 %, за счёт объединения двух циклов получения полезной работы: паротурбинного и газотурбинного. Такие станции строят по всему миру взамен старых, однако в Украине их практически нет (первая ПГЭС появилась на Алчевском металлургическом комбинате). При рассмотрении самого паротурбинного цикла получается, что кпд котла составляет 90 - 92 %, а кпд паровой турбины 20 - 25 %, поэтому средний кпд паротурбинной ТЭС получается 35 - 40 %. Видно, что в паровом котле теряется сравнительно немного энергии сгоревшего топлива, около 10 %, причём это потери в основном с уходящими газами, остальные потери энергии приходятся на паровую турбину, где основной выброс тепла осуществляется в градирнях, утилизирующих сбросную теплоту от конденсаторов турбин. Эта теплота рассеивается в окружающей среде, повышая её температуру. Аналогичные процессы теплового загрязнения окружающей среды происходят и на атомных электростанциях (АЭС), так как хотя на них и не сжигается органическое топливо, зато за счёт энергии ядерного реактора образуется пар, который также в паровых турбинах расширяется и вырабатывает одновременно электрическую и тепловую энергию, теплота отработанного пара сбрасывается на градирнях в атмосферу. АЭС имеют кпд более низкий чем ТЭС (до 35 %) именно из-за большого теплового загрязнения окружающей среды, которое ещё больше чем на ТЭС, и вызвано большими расходами технической воды для охлаждения конденсаторов турбин. Кроме того, в атомной энергетике всегда имеются большие экологические риски радиоактивного заражения окружающей среды в результате аварии.

Выработка электроэнергии в мире на 2007 год составляла 19 894 777 ГВтч (по данным Statistical Review of World Energy 2008). Структура производства электроэнергии приведена на Рисунке 3.

Рисунок 3

источник тепло глобальный загрязнение

На рисунке видно, что 81,6 % всей электроэнергии в мире получается с использыванием ископаемого топлива и ядерной энергии, при производстве которых и имеет место загрязнение парниковыми газами и тепловое загрязнение окружающей среды. Если принят, условно, что кпд ТЭС и АЭС составляет 35 %, то в окружающую среду выбрасывается: 19 894 777 ? 0,816 ? 65/35 = 30149113,5 ГВтч энергии ископаемого топлива и ядерной энергии. И это только выработка электроэнергии, а есть ещё выработка отдельно тепловой энергии.

Эти два вида электрических станций: ТЭС и АЭС, имеют подавляющее промышленное значение в получении электроэнергии во всех странах от развитых до развивающихся, различается только их взаимная доля в общем энергетическом балансе страны. Например, в Украине, их общая доля составляет 90 % от общей выработки электроэнергии. Казалось бы, существуют альтернативные способы получения энергии: на гидроэлектростанциях (ГЭС), солнечных электростанциях (СЭС), ветряных электростанциях (ВЭС) и биогазовых электростанциях. И во всём мире существуют программы развития альтернативной энергетики. Так Украина, как и ЕС, собирается довести выработку электроэнергии в альтернативной энергетике до 20 - 25 % к 2020 году. Однако, фактически использование этих видов получения электроэнергии имеет естественные ограничения: гидро, ветро и солнечный потенциал имеет для каждой страны своё ограниченное значение. Использование энергии от ГЭС экономически выгодно, это самый дешёвый вид электроэнергии, но при этом затапливаются большие площади земли. Производство энергии от СЭС и ВЭС дорого, например, в Германии цена электроэнергии от возобновляемых источников составляет 0,57 евро/кВтч по сравнению со средним тарифом на электроэнергию для промышленных потребителей 13,49 цент США/кВтч и средним тарифом для населения 33,67 цент США/кВтч и существует только за счёт дотаций правительства производителям и потребителям электроэнергии, впрочем, также как и в Украине. В условиях финансового кризиса, когда государства снижают государственные расходы и дотации, многие производители солнечных панелей терпят убытки и вынуждены либо выйти из бизнеса, либо обанкротиться. Кроме того, энергия от ВЭС и СЭС имеет существенные ограничения, связанные с нестабильностью её производства, так величина выработки электроэнергии зависит от времени дня и времени года, её надо накапливать в одни периоды времени, чтобы использовать в другие, а это дорого и не всегда возможно и т. д. Вообщем, эту электроэнергию нельзя рассматривать как базовую в энергосистеме, а только как дополнительный элемент к базовой выработке электроэнергии. Есть и экологические проблемы в её использовании: низкочастотные колебания от ВЭС и вывод большой площади земли под солнечные панели СЭС. Производство электроэнергии на биогазовых установках имеет свой потенциал, когда используются отходы разных видов, хотя специальное выращивание масленичных культур (рапс, соя, подсолнечник и т. д.) не только требует для себя плодородной земли, но, в конечном счёте, приводит к подорожанию продовольствия в мире. Поэтому, очевидно, что в нынешних условиях в развитии альтернативной электроэнергетики уже просматривается тупик, так как она даже при условии существенного удешевления производства средств её производства (солнечных панелей, ветрогенераторов и т.д.) будет иметь ограниченное применение как из-за нестабильного характера её производства, так и из-за географических ограничений в объёмах выработки. Эта энергия слишком «распылена», её сложно концентрировать, «хранить» и передавать потребителю.

Производство теплоэнергии из первичного топлива происходит тоже путём сжигания органического углеродного топлива в котельных и ТЭЦ (теплоэлектроцентралях), поэтому выработка тепловой энергии сопровождается теми же выбросами парниковых газов и тепловым загрязнением окружающей среды, как и выработка электроэнергии. Комбинированное производство тепловой и электрической энергии на ТЭЦ (когенерация) даёт экономию в расходе первичного топлива на выработку тепловой и электрической энергии 20 - 25 %, что естественно уменьшает выбросы веществ и сбросы тепла на такую же величину, но в корне не решает проблему загрязнения окружающей среды и также способствует дальнейшему глобальному потеплению.

Ограниченность энергетических ресурсов, причём речь здесь идёт именно об углеродном топливе, которое путём сжигания используется для получения энергии в основном в мире, состоит в его неравномерном распределении, исчерпаемости и постоянном росте затрат на его добычу, транспортировку и переработку для поддержания гигантского роста мировой экономики. Ограниченность альтернативных источников энергии (солнца, ветра биомассы и т.д.), хотя они и являются неисчерпаемыми, состоит в их небольшой плотности, «размазанности» и непостоянном качестве и количестве, что не позволяет их использовать не только как источник стабильного промышленного роста, но и полностью замещать в мире «исчерпаемые» углеродные ресурсы.

Получается замкнутый круг: для поддержания жизни и дальнейшего развития из-за роста численности населения и технического прогресса человечество должно использовать все больше органического углеродного топлива (уголь, газ, нефть, дрова и т.д.) или радиоактивного топлива (уран), что приводит к повышенному загрязнению окружающей среды парниковыми газами и радиоактивными элементами, а также к тепловому её загрязнению, что в свою очередь приводит к повышению температуры окружающей среды и, как следствие, к глобальному потеплению, которое грозит выживаемости всего человечества в целом. Имеющиеся альтернативные источники энергии пока не могут заменить вышеуказанные основные источники энергии по самой своей природе из-за нестабильности и малочисленности. Где же выход из этой ситуации? Причём речь идёт уже не просто об изменении привычного уклада жизни, а о перспективах рода человеческого.

Для того чтобы попробовать ответить на этот вопрос, вернёмся ко второму началу термодинамики. Одно из его следствий говорит о том, что в замкнутой системе энтропия постоянно возрастает. Хотя Землю, конечно, нельзя считать замкнутой системой, но если принять, что на небольшом отрезке человеческой истории основные термодинамические силы: поступление солнечной энергии, выработка геотермальной энергии и охлаждение Земли мировым пространством, находятся в сравнительном балансе, а температура окружающей среды изменяется исключительно вследствие деятельности человека, что подтверждается фактическими наблюдениями, то такую систему (Земля - человечество) будем условно считать замкнутой для составляющих её частей. Эту мысль подтверждает и тот факт, что человек, переводя скрытую энергию первичного топлива в тепло или ухудшая охлаждение Земли за счёт парниковых газов, повышает температуру окружающей среды, что в открытой системе не наблюдалось бы. А если этот эффект наблюдается в действительности, значит система недостаточно открытая, или частично закрытая, что тоже самое.

В общем, переводя внутреннюю энергию топлива во внешнюю энергию окружающей среды, мы подогреваем всю замкнутую систему, энтропия её растёт. Энтропия - это мера хаоса, мера возможных тепловых состояний, с добавлением дополнительного тепла число возможных тепловых состояний растёт, Земля разогревается. Какой источник энергии позволит, если не охладить Землю, то хотя бы предотвратить дальнейший рост её температуры, рост температуры окружающей среды? Этот источник энергии одновременно должен быть источником энергии, а с другой стороны должен предотвратить дальнейший рост энтропии, т.е. повышения температуры окружающей среды на Земле. Ответ тут напрашивается один. Мы должны прекратить получать дополнительную энергию за счёт сжигания (или реакции распада ядра) первичного топлива, т.е. переводя внутреннюю энергию во внешнюю. Нам нужно разделять уже нагретые среды на более горячие, которые использовать в деятельности человека, и более холодные среды, которые должны сбрасываться в окружающую среду, охлаждая её. Такие среды у нас имеются, это реки и моря которые являются отличными тепловыми аккумуляторами, как говорилось вначале, и передатчиками тепла, поэтому не только находятся в тепловом равновесии с окружающей средой, а во многом и определяют, температуру воздуха и почвы. Охладив воду в мировом океане, мы охладим Землю. И такие устройства также имеются в наличии, это тепловые насосы, которые отбирают часть низкопотенциального тепла от среды, охлаждая её, и передают эту часть тепла другой среде меньшего объёма, нагревая её до необходимой уже высокопотенциальной величины. Таким образом, разделяя среду в замкнутой системе на горячую и холодную, мы понижаем общую энтропию, т.е. избегаем теплового хаоса и будущей «тепловой смерти».

Подробнее остановимся на тепловых насосах. Эти насосы бывают, в основном, двух видов: парокомпрессионные и абсорбционные. Их назначение: перекачка тепла из одной среды в другую. Как любому насосу, тепловому насосу нужен источник движения (вращения), в первом случае это электроэнергия (электропривод), во втором случае - тепловая энергия (пар, природный газ, жидкое топливо). На 1 кВт затраченной энергии перекачивается 3 - 5 кВт тепловой энергии. Откуда взять эту энергию? Во втором случае мы просто используем первичное топливо, например, сжигаем, и получаем необходимую энергию, однако такого первичного топлива надо намного меньше, чем при получении тепловой энергии традиционным способом в котле. Так для получения 4 кВт тепла нам надо затратить 1 кВт энергии от адсорбционного теплового насоса и, условно, 5 кВт энергии от энергетического котла, поэтому загрязнение окружающей среды парниковыми газами и сбросным теплом будет намного меньше (в 5 раз), но оно всё равно будет. При работе парокомпрессионного теплового насоса ситуация ещё хуже. Для его привода используется электроэнергия. Для того чтобы ему её дать, надо эту электроэнергию где-то произвести на электрической станции с кпд 36 %, т.е. сбросив в окружающую среду 64 % тепла сожженного топлива и загрязняющие вещества, а затем передать её с потерями (10-15 %) к месту потребления. Поэтому в этом случае, чтобы получить 4 кВт тепловой энергии, надо затратить 3 кВт энергии первичного топлива для получения 1 кВт электроэнергии. Выброс загрязняющих веществ и сброс тепловой энергии в окружающую среду в данном случае привода парокомпрессионного теплового насоса будет всего в 5/3 = 1,66 раз меньше аналогичных загрязнений и сбросов тепла при сжигании первичного топлива в энергетическом котле для непосредственного получения 4 кВт тепловой энергии на месте потребления. Видно, что ни один из приведённых существующих способов привода тепловых насосов нас не может удовлетворить, так как хотя сбросы парниковых газов и тепловой энергии в окружающую среду значительно уменьшаются по сравнению с традиционными способами получения энергии, однако они всё равно имеют место.

Каким образом получить вращение, необходимое для привода теплового насоса, не сжигая первичное топливо и не используя электроэнергию, которая, по сути, является в данном случае лишь способом передачи энергии первичного топлива на некоторое расстояние от электростанции? Необходимо получить вращение по месту, для этого необходимо применить, так называемые, двигатели Стирлинга, регенеративный тепловой двигатель, работающий по замкнутому циклу. Эти двигатели, которые ещё иногда условно называют «двигателями внешнего сгорания» работают за счёт внешнего подвода тепла любой природы: от сжигания органического топлива до солнечной энергии и энергии радиоактивного излучения. Кпд такого двигателя может достигать 70 % кпд цикла Карно и является максимально возможным теоретическим кпд известных тепловых двигателей. Теоретический термический кпд такого двигателя, т.е. кпд, учитывающий только самую горячую и холодную температуру рабочего тела в цикле, достигает 50 %, что значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин, бензиновых и дизельных двигателей, у которых теоретический термический кпд равен 0,28; 0,30; 0,40 соответственно. Существуют модели двигателя Стирлинга, работающие от тепла рук, т. е. для работы такого двигателя, в принципе, нужно только наличие температурного перепада между средами. Разница тепловых потенциалов сред и является источником тепла для работы такого двигателя. В нашем случае такими средами с разной температурой являются вода и воздух, которые в силу своей различной теплоёмкости постоянно имеют различную температуру. В холодное время года температура воды в реке и море в среднем постоянна и составляет 0 ? +4 ?С, температура второй среды, воздуха, значительно ниже. В летнее время вода может быть как теплее воздуха (утром), так и холоднее (днём), однако в летнее время тепловой энергии надо значительно меньше и может использоваться солнечная энергия, как внешний источник тепла.

Кроме того, двигатели Стирлинга могут работать по обратному циклу Стирлинга (2 изотермы и 2 изохоры (или изобары)), т.е. могут работать в качестве тепловых насосов. Причём привод таких тепловых насосов Стирлинга может осуществляться от двигателей Стирлинга, получаются системы типа «Стирлинг - Стирлинг». Рабочая среда: гелий или водород. Существуют разработки двигателя Стирлинга в различном конструктивном исполнении: поршень-цилиндр (альфа, бета и гамма), роторный, свободнопоршневой, с жидкими поршнями и т.д. Основные преимущества двигателей Стирлинга: «всеядность» двигателя, простота конструкции, увеличенный ресурс, экономичность, бесшумность и экологичность. Однако, пока нет не только серийно выпускаемых двигателей Стирлинга для привода тепловых насосов, которые бы работали на указанном перепаде температур «вода-воздух», но и сведения о разработанных прототипах противоречивы. Так, например, Сергей Мельник в своей статье «Ноу-хау инженера Мухина», опубликованной в информационно-рекламной газете «PRESENT» от 26.03.97 г. (номер 43(303)), а также размещённой на сайте «Стирлинг машины» (http://www.stirlingmotors.ru), пишет: «Мухин (изобретатель Валерий Мухин - ред.) придумал, как сделать на базе своего двигателя (роторный двигатель Стирлинга конструкции Мухина - ред.) тепловой насос для отопления целого города. Берет такой насос холодную воду из водоема и делает из нее горячую. Причем без сжигания топлива. Об этом два года назад писали в журнале 'Изобретатель и рационализатор». Одобрили идею и в «Технике - молодежи». И таких задумок у него много. Ну и что?». Но идея, как говориться, летает в воздухе. Вот, например, роторно-лопастной двигатель Стирлинга разработки Псковского политехнического университета, о котором стало известно в 2012 г., по данным учёных этого университета себестоимость производства электроэнергии при использовании такого двигателя - 1 коп./кВт. В статье Сергея Некрасова «Киловатты за копейку. Псковские ученые получили патент на «двигатель будущего» приводятся слова Игоря Плохова, научного руководителя проекта: «Представьте себе закрытую систему, внутри которой любой газ. Он находится под давлением в несколько десятков атмосфер. Если нагреть саму головку цилиндра хотя бы на несколько градусов, то давление немедленно вырастет, и поршень начнет двигаться. Обратите внимание: для того чтобы система начала работать, нужна элементарная разница температур. Хватит всего нескольких градусов. Но зато, какая выгода!». Дело за малым - в конкретной технической реализации и серийном производстве. Даже если учесть уже разработанные модели двигателя Стирлинга с внешним подводом тепла от сжигания топлива, то оценка уровня токсичности двигателя по сравнению с другими типами двигателей будет следующая (Рисунок 4):

Рисунок 4

Разместив такую установку: тепловой насос - двигатель Стирлинга, в реке, море или любом другом водоёме, которые находятся практически около любого населённого пункта можно получить тепловую энергию для любого дома, посёлка и города из воды, причём температура оставшейся в водоёме воды станет ниже, а это в конечном итоге окажет положительное воздействие на всю планету, остановив наступление глобального потепления. Этот энергетический ресурс (перепад температур между средами: вода - воздух) выглядит практически неисчерпаемым из-за постоянного роста численности населения на Земле, которое своей жизнедеятельностью разогревает нашу планету, он доступен, дёшев и экологически безопасен. Пора прекратить подобно первобытному человеку жечь всё, что попадает под руку в попытках согреться и прокормить себя, надо с помощью разума извлечь тепло из самой среды, в которой мы живём, тем более, что его (тепла вокруг) становиться вокруг всё больше и больше.

Пока учёные и прмышленность не предоставили нам требуемое оборудование для получения тепловой энергии из окружающей среды, существуют в каждом конкретном случае локальные возможности для решения глобальной задачи: получение тепловой энергии для жителей города с минимальными затратами без загрязнения окружающей среды парниковыми газами и сбросами тепла. Эти возможности не являются универсальными для любых потребителей тепла, однако вполне реализуемы на современном уровне развития техники в отдельных местах.

Рассмотрим одну такую возможность для г. Кременчуга (Украина), расположенного на берегу р. Днепр, с численностью населения 226 тыс. человек.. Большая часть его жителей живёт на левом берегу реки Днепр и получает тепловую энергию от Кременчугской ТЭЦ (установленная мощность 255 МВт и 1200 Гкал). Оставшаяся часть населения, получает тепловую энергию от 6 - 7 районных котельных и ТЭЦ Крюковского вагонного завода. Недалеко от г. Кременчуга (20 км) в г. Светловодске расположена Кременчугская ГЭС (установленная мощность 625 МВт), плотина которой образует Кременчугское водохранилище.

Структура производства электроэнергии в Украине по данным ГП «Энергорынок» (на январь 2013 г.) следующая: 47, 3 % электроэнергии вырабатывается на АЭС, 36,7 % на ТЭС, 5,7 % на ГЭС, 0,45 % на альтернативных источниках, отпускающих электроэнергию по т.н. «зелёному тарифу», и 9,8 % на ТЭЦ. Здесь для сравнения специально выбран зимний месяц, когда загрузка тепловых электростанций максимальна. «Зелёный тариф» - это завышенный тариф, по которому государство покупает электроэнергию от альтернативных источников, стимулируя, таким образом, такое производство электроэнергии. Цена электроэнергии отпускаемой в сеть данными производителями в данное время составит: для АЭС - 20,7 коп/кВтч, для ТЭС - 58,3 коп/кВтч, для ГЭС - 16,8 коп/кВтч, для альтернативных источников - 1 грн 68 коп/кВтч и для ТЭЦ - 1 грн 06 коп/кВтч. Становится очевидным, что самая дешёвая электрическая энергия в Украине отпускается в сеть от ГЭС (16,8 коп/кВтч), а самая дорогая от ТЭЦ (1 грн 06 коп/кВтч). Нужна ли такая дорогая электроэнергия от ТЭЦ для Украины, конечно не. Однако, поддержание выработки данной дорогой электроэнергии на ТЭЦ обусловлено необходимостью теплоснабжения потребителей тепловой энергии, которые исторически оказались «привязаны» к данному источнику тепла. Причём такая парадоксальная ситуация сложилась из-за того, что данные ТЭЦ физически и морально устарели и имеют далеко не оптимальную загрузку, так как априори известно, что комбинированная выработка электроэнергии эффективней раздельного производства тепла и электроэнергии. Это же касается и Кременчугской ТЭЦ, которая производит тепловую энергию для потребителей г. Кременчуга и попутно вырабатывает дорогую электроэнергию, которая, в принципе, никому не нужна.

Известно, что из-за диссипации энергии падающего потока вода в нижнем бьефе ГЭС не замерзает зимой, поэтому установка в нижнем бьефе Кременчугской ГЭС тепловых насосов для теплоснабжения потребителей г. Кременчуга, г. Светловодска и пгт Власовка, которые использовали бы для своего привода дешёвую электроэнергию от Кременчугской ГЭС, является экономически и экологически выгодным проектом.

Оценим экономическую выгоду проекта только на основании отпуска тепла жителям г. Кременчуга в 2012 г. от Кременчугской ТЭЦ. Здесь не будут учтены тепловые потребители г. Светловодска (46 тыс. населения) и пгт Власовка (8 тыс. населения). Кроме того, не будет учтена тепловая энергия, которую Кременчугская ТЭЦ поставляет с паром на Кременчугский НПЗ. Зато будет учтён расход газа на выработку дорогой электроэнергии на Кременчугской ТЭЦ, как экономия газа, так как необходимости в выработке такой дорогой электроэнергии нет. В сравнении будет учитываться только топливная составляющая себестоимости продукции (для парокомпрессионных тепловых насосов топливом является электроэнергия).

Кременчугская ТЭЦ в 2012 г. потребила 422 843 тыс. м3 природного газа, из них на выработку электроэнергии ушло 195 218,4 тыс. м3, на выработку тепловой энергии на нужды отопления и горячего водоснабжения ушло 132 659,6 тыс. м3. Суммарный расход газа на выработку электроэнергии и тепловой энергии на нужды отопления и горячего водоснабжения составил 327 878 тыс. м3. Из этого количества газа 112 314 тыс. м3 было потреблено по 1 310 грн/ тыс. м3, как коммунально-бытовой газ для населения, а 215 564 тыс. м3 было потреблено по цене 4661,74 грн/ тыс. м3, как для промышленных и бюджетных потребителей. Суммарные расходы Кременчугской ТЭЦ в 2012 г. на природный газ для выработки теплоэнергии на отопление и горячее водоснабжение, а также на связанную с ней выработку электроэнергии при их комбинированном производстве (когенерации), составили:

215 564 ? 4661,74 + 112 314 ? 1310 = 1 152034 661,36 грн

или 144 004 332,67 $ (при курсе 8 грн/$).

При использовании тепловых насосов, установленных в нижнем бьефе Кременчугской ГЭС, для выработки тепловой энергии на нужды отопления и горячего водоснабжения потребителей г. Кременчуга, необходимое годовое количество выработанной тепловой энергии (по уровню 2012 г.) должно составить 1 028 620 Гкал (или 57,3 % от всей выработанной тепловой энергии на Кременчугской ТЭЦ в 2012 г.) или 1197179959,4 кВтч. Даже если эффективность работы тепловых насосов будет составлять 1 : 3, т.е. с помощью каждого затраченного 1 кВт электроэнергии мы перекачиваем из р. Днепр 3 кВт теплоэнергии, то суммарный расход электроэнергии для выработки тепловой энергии на тепловых насосах составит:

1197179959,4 /3 = 399 059 986,5 кВтч.

При цене электроэнергии для ГЭС 0,168 грн/кВтч затраты на электроэнергию для привода тепловых насосов составят:

399 059 986,5 ? 0,168 = 67 042 077,732 грн.

или 8 380 259,72 $ (при курсе 8 грн/$).

Экономия от предложенного варианта выработки тепловой энергии за год составит:

144 004 332,67 - 8380259,72 = 135 624 072,95 $

Для оценки возможных капитальных затрат воспользуемся данными уже существующих проектов. Так, согласно проекту внедрения 5 парокомпрессионных тепловых насосов Unitop 50FY Friotherm AG (Швеция), установленной тепловой мощностью 20 МВт каждый, на Киевской ТЭЦ-6 для подогрева обратной сетевой воды за счёт охлаждения циркуляционной воды с включением тепловых насосов параллельно действующим бойлерным установкам суммарная стоимость оборудования и монтажных работ составит 450 млн. грн. Удельные капитальные вложения при этом составят 4 500 грн/кВт (562,5 $/кВт). При работе Кременчугской ТЭЦ в зимний период мгновенная тепловая мощность станции в самое холодное время года 320 - 330 Гкал. Примем установленную тепловую мощность предлагаемой теплонасосной станции 350 Гкал или 407 354,5 кВт. С практической стороны, это может быть 8 тепловых насосов по 50 МВт или 20 тепловых насосов по 20 МВт, этот факт определяется конкретным выбором оборудования. Капитальные затраты по приобретению и монтажу теплонасосного оборудования установленной мощностью 350 Гкал составят:

407 354,5 ? 562,5 = 229 136 906,25 $

Следовательно, простой период окупаемости данных капитальных вложений составит:

229136906,25 / 135 624 072,95 = 1,7 года.

Однако, на самом деле электроэнергия по такому дешёвому тарифу 0,168 грн/кВт недоступна для потребителей г. Кременчуга и г. Светловодска, т.е. на месте своего производства, так как она изымается государством на общегосударственные нужды для удешевления стоимости 1 кВт отпускаемой потребителям электроэнергии в целом в стране. Для нужд местной громады она недоступна, хотя дёшева и экологична. Если бы учесть, что электроснабжение теплонасосной осуществлялось бы на общих основаниях, как потребителя 2-го класса потребления, то её стоимость на 01.07.2013 г. по ПАО «Полтаваоблэнерго» составила 121,46 коп/кВт. Тогда стоимость потреблённой электроэнергии теплонасосной составила:

399 059 986,5 ? 1,2146 = 484 698 259,6 грн

Или 60 587 282,45 $ (при курсе 8 грн/$).

Экономия бы в этом случае составила:

144 004 332,67 - 60 587 282,45 = 83 417 050,22 $

А простой период окупаемости: 229136906,25 / 83 417 050,22 = 2,75 года, что тоже является неплохим результатом.

Следует отметить, что такая дорогая электроэнергия не является экологическим источником энергии, так как, для того чтобы отпустить её в данном месте на привод тепловых насосов, её надо было получить в другом месте, сжигая органическое топливо.

Оценим экологическую выгоду проекта. По данным Минэнерго Украины при выработке 1 тыс. кВтч электроэнергии образуется: твёрдых частичек - 4,4 кг/тыс. кВтч, диоксида углерода (СО2) - 0,5 кг/тыс. кВтч, оксидов азота (NOx) - 2,2 кг/тыс. кВтч и оксид серы (SO2) - 9,9 кг/тыс. кВтч. Выработка электроэнергии на Кременчугской ТЭЦ в 2012 г составила 799 323,03 тыс. кВтч, потребность в электроэнергии для работы теплонасосной составляет 399 059, 99 тыс. кВтч. Экономия электроэнергии составит:

· в первом случае: 799 323,03 тыс. кВт, так как используется электроэнергия ГЭС;

· во втором случае: 799 323,03 - 399 059, 99 = 400 263,04 тыс. кВтч, т.к. используется электроэнергия из энергосистемы Украины.

Суммарное сокращение выбросов составит:

· в первом случае: (4,4 + 0,5 + 2,2 + 9,9) ? 799 323,03 = 13 588,5 т;

· во втором случае: (4,4 + 0,5 + 2,2 + 9,9) ? 400 263,04 = 6 804,5 т.

Если в качестве допущения предположить, что природный газ сгорает полностью, т.е. метана в уходящих газах нет, и все полученные оксиды азота в уходящих газах являются диоксидами азота, то из указанных загрязняющих веществ сокращение выбросов парниковых газов составит: диоксида углерода (СО2) - 399,7 т и 200,1 т соответственно, оксидов азота (NOx) - 1 758,5 т и 880,6 т соответственно.

Суммарное сокращение выброса парниковых газов в пересчёте на эквивалентное количество СО2 составит:

· в первом случае: 399,7 + 1 758,5 ? 310 = 545 534,7 т СО2-экв или 545,5 тыс. ЕСВ;

· во втором случае:200,1 + 880,6 ? 310 = 273 186, 1 т СО2-экв или 273,1 тыс. ЕСВ,

где ЕСВ - единица сокращения выбросов, а 310 - потенциал глобального потепления, коэффициент для перевода закиси азота (NO2) в диоксид углерода (СО2).

При дальнейшем полноценном участии Украины в проектах совместного осуществления Киотского протокола с учётом возможной перспективной цены на ЕСВ на европейском рынке в 4 евро/ЕСВ полученная годовая прибыль от реализации такого количества ЕСВ составит (1,31 курс евро/$):

· в первом случае: 545 534,7 ? 4 ? 1,31 = 2 858 601,8 $

· во втором случае: 273 186,1 ? 4 ? 1,31 = 1 431 495,1 $

Становятся очевидными экономические и экологические преимущества размещения теплонасосной в нижнем бьефе Кременчугской ГЭС для выработки тепловой энергии для части потребителей г. Кременчуга, запитанных от Кременчугской ТЭЦ. Добавление остальных потребителей г. Кременчуга, а также потребителей тепловой энергии г. Светловодска и пгт Власовка только увеличит преимущества проекта (суммарная численность населения 280 тыс. человек). В проекте не учтены затраты по прокладке новых тепловых сетей (например, из предварительно изолированных труб) и доставке тепла от Кременчугской ГЭС до г. Кременчуга, что также окажет влияние на период окупаемости проекта. Особенно привлекательным и целесообразным является вариант использования дешёвой электроэнергии от Кременчугской ГЭС напрямую для электроснабжения теплонасосной станции. Есть примеры аналогичных проектов. Например, проект теплоснабжения г. Дивногорска Красноярского края (40 тыс. населения), расположенного в непосредственной близости от Красноярской гидроэлектростанции (ГЭС) на Енисее с использованием тепловых насосов, установленных в нижнем бьефе ГЭС. Ну и конечно, Стокгольм (Швеция), где с 1986 г. работает крупнейшая в мире теплонасосная станция (ТНС) общей установленной мощностью 325 МВт. Эта станция использует в качестве источника тепловой энергии воду Балтийского моря, имеющую температуру в зимнее время около + 4,0?С. Эта теплонасосная станция оборудована 13-ю параллельно работающими модульными теплонасосными агрегатами единичной мощностью по 25 МВт с турбокомпрессорами, приводимыми в движение электродвигателями. Теплонасосные модули размещены на баржах, установленных в заливе моря. ТНС отапливает 12 % помещений г. Стокгольма.

Человечество стоит перед выбором: что-то предпринять и выжить, либо погибнуть под лавиной климатических изменений. Предлагаемые системы перераспределения тепла «тепловой насос - двигатель Стирлинга», работающие на температурном перепаде сред, помогут ему в борьбе за выживание, существуют и другие локальные возможности получения энергии из окружающей среды вместо сжигания органического топлива, но действовать надо начинать уже сейчас.

Краснораменский В.И.

Размещено на Allbest.ur