Использование нетрадиционных источников энергии в системах энергообеспечения объектов городского хозяйства

Эффективность использования энергии является своего рода индикатором научно-технического и экономического потенциала общества, позволяющим оценивать уровень его развития. Сопоставление показателей энергоэффективности экономики России с развитыми странами показывает, что удельная энергоемкость нашего валового внутреннего продукта (ВВП) в несколько раз выше, чем в развитых странах. Так, уровень энергопотребления в расчете на единицу сопоставимого ВВП России примерно в 4 раза выше, чем в США - стране с высокой энерговооруженностью материального производства, сферы услуг и быта. Уровень потребления электроэнергии в расчете на единицу сопоставимого ВВП в России выше, чем в США в 2,5 раза, Германии и Японии в 3,6 раза. Все это свидетельствует о значительных резервах экономии энергоресурсов в России, масштабы которых можно оценить примерно в 40-50% от уровня потребляемых топлива и энергии.

Энергетический конца прошлого века дал мощный толчок развитию новых энергетических технологий, в том числе, и использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). В конце века, в девяностых годах объемы применения систем использующих нетрадиционные источники энергии стабилизировался, а затем вновь начал расти на волне энергосберегающих и экологических тенденций дальнейшего развития мировой энергетики. В России, к сожалению, сегодня эксплуатируются лишь единичные объекты, оснащенные системами использующими НВИЭ.

Рассмотрим возможности интеграции НВИЭ в существующую структуру энергетического баланса энергосистемы страны на примере городского хозяйства Москвы. Сегодня основным топливом системы энергоснабжения Москвы является природный газ. Город ежегодно потребляет 29 млрд. куб. метров природного газа. При этом Москва является избыточным регионом по выработке электрической энергии. До 45 % вырабатываемой электрической энергии столица передает на Федеральный оптовый рынок электрической мощности (ФОРЭМ) и в Московскую область. В таблице 1 представлена укрупненная оценка потенциала нетрадиционных источников энергии с точки зрения их возможного вклада в энергетический баланс города. В основу расчетных данных, представленных в таблице 1, положены следующие основные исходные данные и допущения:

• жилой фонд Москвы – 180 млн.кв.метров или 40 тысяч жилых домов;
• количество жителей 10 млн. человек;
• для утилизации солнечной энергии на крыше каждого из жилых домов установлены солнечные коллекторы площадью 300 кв. метров;
• потенциалэнергии вентвыбросов определялся из расчета ее утилизации в течение 6000 часов в году;
• канализационные стоки города приняты 400 л на человека в сутки с охлаждением в системе утилизации примерно на 4-5 градусов и времени использования 5000 часов в год;
• охлаждение воды в системе утилизации тепла реки Москвы - 1 градус, количество часов использования – 6000 часов в год.

Наименование источника энергии	Млрд. кВт*час в год	Доля в энергетическом балансе города,%
1.Традиционные энергоресурсы
Природный газ	290	96
Мазут	8,7	2,7
Уголь	4,3	1,3
ИТОГО по п.1.	303,0	100
в том числе:
электрической энергии	80	26,4
тепловой энергии	223	73,6
2. Нетрадиционные энергоресурсы
Солнечная энергия	12,0	4,0
Энергия вентиляционных выбросов жилых и общественных зданий	27,0	8,8
Сбросное тепло канализационных стоков	40	13,0
Утилизация низкопотенциального тепла реки Москвы	84	27,4
Грунт поверхностных слоев Земли	140	45,6
ИТОГО по п.2.	307	45,6

Представленные в таблице 1 данные наглядно показывают, что потенциал нетрадиционных источников энергии достаточно высок, и они вполне могут с успехом заместить значительную часть традиционных энергоресурсов в городском энергетическом балансе. Кроме того, серьезным преимуществом, новых технологий жизнеобеспечения, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии, является не только их энергетическая эффективность, но и их экологическая «чистота». Сегодня на территории города до недопустимых пределов загрязнены воздух, земля и зеленые насаждения. Во многих районах эксплуатируются низкоэффективные котельные с высоким выбросом загрязняющих веществ в атмосферу. Существующие инженерные сети, как правило, находятся не в очень хорошем состоянии. Решение этих проблем, традиционным способом сопряжено со значительными вложениями из городского бюджета, а иногда просто невозможно, в связи с экологическими и техническими последствиями производства работ по прокладке или реконструкции инженерных сетей.

Наименование показателя	Единицы измерения	Количество
Протяженность тепловых магистралей	км	2 387,12
Технологический расход (потери) на передачу тепловой энергии.	%	8,74
Полезный отпуск тепла потребителю	млн.кВт*ч	78386,2
Собственное потребление, в том числе:	млн.кВт*ч	78386,2
г. Москва		78 386,2
Московская область		4389,6

Наименование показателя	Единицы измерения	Количество
Выработка электроэнергии	млн.кВт*ч	71 352,6
Расход на собственные нужды	млн.кВт*ч	5 613,9
Технологический расход	млн.кВт*ч	9 148,3
Производственные нужды	млн.кВт*ч	2 766,5
Покупка от блок-станций	млн.кВт*ч	130,3
Полезный отпуск электроэнергии	млн.кВт*ч	53 954,2
Собственное потребление, в том числе:	млн.кВт*ч	54 087,5
г. Москва		29 866,9
Московская область		24 220,6
Прием с ФОРЭМ	млн.кВт*ч	133,3

Наименование технико-экономических показателей	1999 г	Вариант Генплана на 2020 г.
Электрическая нагрузка, МВт	6700	9500
Тепловая нагрузка, МВт	44900	57200
Доля электрической нагрузки, %	13	14

Проанализировав данные о нагрузках и структурах теплового и электрического балансов Московского региона, представленных в таблицах, можно сделать вывод о том, что структура производства и потребления энергии в Московском регионе не является рациональной:

• около 50% электрогенерирующих мощностей, расположенных в Москве обеспечивают электрической энергией не московских потребителей (Московская обл. и пр.). Это приводит к тому, что «экологически грязная технология» выработки электрической энергии осуществляется в Москве,
• около 12 % тепловой нагрузки города покрываются за счет прямого сжигания первичного топлива на РТС, а не в комбинированном цикле;
• суточные и сезонные графики энергетических нагрузок города не в достаточной степени согласованы с энергетическими возможностями комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.

Действительно, климатические особенности Москвы таковы, что соотношение необходимых городу энергоресурсов (энергетических нагрузок города) по утвержденному недавно Генеральному плану развития Москвы составит :

• в 2005 г. -электрическая нагрузка -12,8 %, тепловая нагрузка –87,2 %;
• в 2020 г. - электрическая нагрузка -14,3 %, тепловая нагрузка –85,7 %.

При этом, технологические возможности энергогенерирующего оборудования на ТЭЦ таковы, что в комбинированном цикле вырабатывается примерно 40 % электрической энергии и 60 % - тепловой. В перспективе, с внедрением парогазовых станций ( за рубежом они уже давно работают) это соотношение будет приближаться к 50/50, т.е. ТЭЦ сможет вырабатывать 50 % электрической энергии и 50 % тепловой. В итоге, город вынужден часть вырабатываемой электрической энергии (разницу между технологическими возможностями комбинированного цикла и фактической электрической нагрузкой города) отдавать в ЕЭС (единую энергосистему), что приводит к тому, что экологически не очень чистую технологию сжигания органического топлива мы осуществляем на территории города, а экологически чистый продукт – электроэнергию, поставляем за пределы города. Понятно, что эту ситуацию нужно исправлять, и возможными путем ее исправления является применение новых энергетических технологий, использующих нетрадиционные источники энергии и , в первую очередь, технологий, базирующихся на использовании тепловых насосов.

На рисунке 1 представлена возможная схема интеграции тепловых насосов в систему энергоснабжения объектов городского хозяйства. Предлагаемый вариант теплоснабжения Москвы с использованием теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) предполагает использование для привода тепловых насосов 5000 МВт установленных мощностей ТЭЦ по выработке электроэнергии. Как видно из рисунка, предлагаемая схема обеспечивает экономию 60 % первичного топлива.

В таблице 5 представлены результаты укрупненного технико-экономического сравнения традиционного и " теплонасосного " вариантов теплоснабжения Москвы в 2020 г.

Технико-экономическое сопоставление вариантов проводилось при следующих основных допущениях:

• Стоимость 1 тонны условного топлива (т у.т.) принята равной 100 $ США. Капитальные вложения в 1 кВт установленной мощности традиционного теплогенерирующего оборудования (РТС, индивидуальные газовые котельные и пр.)
• приняты равными 100 $ США без учета капвложений в тепловые сети;
• Капитальные вложения в 1 кВт установленной тепловой мощности ТСТ приняты равными 250 $ США, включая 50 $ США в систему сбора низкопотенциального тепла. При этом капвложения в ТСТ обеспечиваются без издержек для городского бюджета только за счет инвесторов строящихся и реконструируемых объектов.
• Среднегодовой коэффициент преобразования ТСТ принят равным 3,5.
• При проведении расчетов рассматривался только зимний режим с продолжительностью отопительного периода 5000 часов, при этом средняя тепловая нагрузка как на традиционное теплогенерирующее оборудование, так и на ТСТ принималась равной 0,5 от расчетных нагрузок, приведенных в таблице 4.

Наименование технико-экономических показателей	Вариант Генплана	Вариант с ТСТ
1	2	3
1. Мощность установленного оборудования, мВт: электрооборудование, в том числе: тепловые насосы; тепловое оборудование, в том числе: тепловые насосы.	66 700 9 500 - 57 200 -	66 700 14 500 5 000 57 200 17 500
2. Экономия энергоресурсов, - в млн. мВт*часов в год; -в млн. тонн условного топлива в год	- -	32,25 3,84
3. Капитальные вложения в систему теплоснабжения, млн. $ США: - из городских источников (РТС, котельные и пр.); - из внебюджетных источников в теплонасосное оборудование (средства заказчиков объектов).	1230 -	- 4375
4. Экономия эксплуатационных затрат в городском хозяйстве на приобретение первичного топлива, млн. $ США в год.	-	384

Таким образом, внедрение технологий, использующих тепловые насосы, в городское хозяйство Москвы позволит обеспечить необходимый до 2020 г. прирост теплогенерирующих мощностей за счет внебюджетных средств, не увеличивая при этом потребления первичного топлива (природного газа).

ЛИТЕРАТУРА

1. «Мосэнерго в цифрах». Сайт Мосэнерго по адресу: www.mosenergo.ru

Подзаголовок в публикациях:  Васильев Г.П., Научный руководитель ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ", д.т.н., Председатель Совета директоров ОАО « ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»