Белорусский опыт развития малой и нетрадиционной энергетики

Преобразовательная техника

Надежное и безопасное энергообеспечение является основополагающим условием жизнедеятельности и развития общества. Вместе с тем в последнее время мировое потребление энергии стало соизмеримым с запасами горючих ископаемых - базой современной энергетики, что грозит их скорым исчерпанием. Это заставляет обратиться к необходимости глубокого освоения и широкого использования альтернативных и, в первую очередь, возобновляемых источников энергии.

Анализ мирового опыта свидетельствует, что, хотя суммарный теоретический потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на несколько порядков превышает современный уровень мирового потребления первичных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), однако при существующем уровне технологического развития и сложившейся в настоящий момент конъюнктуре на мировых энергетических рынках лишь весьма незначительная часть теоретического потенциала ВИЭ может быть эффективно использована. Такие очевидные преимущества установок, работающих на ВИЭ, как неисчерпаемость, отсутствие затрат на топливо и экологическая безопасность, пока не могут безоговорочно перевесить хорошо технически отработанные и более дешевые методы получения энергии на базе органического топлива.

Вместе с тем для РБ как государства, экономика которого базируется преимущественно на импорте энергоресурсов, эффективность использования или замены последних является одним из определяющих факторов производства конкурентоспособной продукции и, в конечном итоге, благосостояния общества.

Какие энергообъекты следует относить к малой, а какие - к нетрадиционной энергетике? Согласно Постановлению СМ РБ №400 от 24 апреля 1997 г., к объектам малой энергетики относятся источники электрической или тепловой энергии, использующей котельные, теплонасосные, паро- и газотурбинные, дизель- и газогенераторные установки единичной мощностью до 6 МВт; к объектам нетрадиционной энергетики - возобновляемые и нетрадиционные источники электрической и тепловой энергии, использующие энергетические ресурсы рек, водохранилищ и промышленных водостоков, энергию ветра, солнца, редуцируемого природного газа, биомассы (включая древесные отходы), сточных вод и твердых бытовых отходов.

Малая и нетрадиционная энергетика предназначены для решения одной и той же задачи - непосредственного удовлетворения бытовых и производственных нужд населения в электрической и тепловой энергии на базе местных энергоресурсов. Тем самым обеспечивается истинная энергетическая автономия региона, что особенно важно для стран с низким потенциалом энергетической самообеспеченности или высокой степени зависимости от импорта энергоносителей.

Малая энергетика

Данный раздел представлен в основном высокоэкономичными блок-ТЭЦ, оборудованными паротурбинными, газотурбинными и парогазовыми установками мощностью до 6000 кВт, обеспечивающими выработку электроэнергии по теплофикационному циклу с минимальными удельными расходами топлива. 1 МВт установленной мощности на таких ТЭЦ при 5000 часов использования этой мощности дает экономию органического топлива в размере 800-900 тонн условного топлива в год. В расчете на 1 Гкал присоединенной тепловой нагрузки для ПТУ экономия топлива составляет порядка 300 т у.т./год, для высокотемпературной ГТУ - 800 т у. т./год, для ПГУ - 1400 т у. т./год.

В предшествующие 20-25 лет в условиях технического прогресса крупных тепловых электростанций, развития ядерной энергетики и низкой стоимости топлива мелкие ТЭЦ потеряли свою конкурентоспособность, и строительство их было прекращено. В настоящее время с изменением экономической конъюнктуры малые ТЭЦ вновь обретают свои преимущества. Кроме высокой экономичности, их важными достоинствами являются быстрота сооружения, небольшие единовременные капиталовложения и возможность строительства за счет всех отраслевых министерств и ведомств. Прежде всего они рассматриваются как источники экономии энергоресурсов. Но при быстром развороте потенциала малой энергетики она может существенно смягчить дефицит мощности в энергосистеме, что исключительно актуально для Беларуси.

Об эффективности этого направления убедительно говорит опыт Дании, где в соответствии с "Энергопрограммой-2000" из 7,15 млн кВт вырабатываемой электрической мощности 1,3 млн кВт приходится на мелкие комбинированные энергоустановки (дизельные, газотурбинные, паротурбинные) мощностью от нескольких кВт до 1-3 МВт.

Основная сфера применения малых ТЭЦ - это промузлы, а также средние и малые города, имеющие определенную концентрацию и продолжительность использования тепловых нагрузок, прежде всего промышленных. В ряде случаев малые теплофикационные установки могут устанавливаться на действующих и новых промышленных и промышленно-отопительных котельных.
В Энергетической программе Беларуси до 2010 г. намечено ввести около 600 МВт мощностей за счет малой энергетики.

Учитывая отсутствие в Беларуси энергомашиностроительной базы и наличие в России заводов по производству основного оборудования для паротурбинных и газотурбинных мини- и малых ТЭЦ, следует ориентироваться на создание подобных ТЭЦ с паротурбинными противодавленческими (отопительными, промышленными) агрегатами низких и средних начальных параметров пара.

Российским АО "Калужский турбинный завод" создаются блочные турбоагрегаты малой мощности, рассчитанные на начальные параметры пара промышленных котлов 1,3-1,4 МПа. Отработанный пар после турбины давлением 0,4-0,12 МПа используется на технологические нужды предприятия либо для нагрева воды системы теплоснабжения.

Турбогенератор ТГ 0,6/0,4 Р 12/4 мощностью 600 кВт уже запущен в производство. Первые четыре агрегата установлены и эксплуатируются с 1996 г. в котельных Старобинского и Усяжского торфобрикетных заводов Беларуси. Сегодня выпускаются модификации этого базового турбогенератора, соответствующие 400, 500, 600 и 750 кВт с расходом свежего пара от 10 до 22 т/ч в зависимости от величины противодавления.

Агрегаты намечены к установке в районных отопительных котельных Минтопэнерго. В частности, речь идет о РК-1 в Молодечно, РК-1 в Бресте, котельной "Северная" в Гродно, котельной "Восточная" в Витебске.

Ведется работа над созданием турбин аналогичной серии мощностью 1,2-1,5 и 2-2,5 МВт.

Предварительно потенциальные возможности малой тепловой энергетики РБ могут быть оценены следующим образом. Наиболее предпочтительными для установки турбин являются примерно 170 котельных, где можно использовать 185 турбин общей мощностью 212 МВт при следующей единичной мощности агрегатов: 100 шт. по 400-600 кВт, 50 шт. по 800-1200 кВт, 20 шт. по 2000-2500 кВт, 15 шт. по 3500 кВт.

За ближайшие годы в котельных Минтопэнерго РБ, Минжилкомхоза РБ, Белтопгаза и других отраслей может быть введено до 40 турбоагрегатов мощностью 0,4-3,5 мВт, что будет обеспечивать ежегодную экономию порядка 50 тыс. т у. т. Темпы ввода мощностей будут зависеть в основном от условий и объемов инвестирования.

Срок окупаемости устанавливаемых в котельных энергоустановок зависит от их мощности, режима использования и местных условий. При удельной стоимости турбогенераторных установок $180-220 за кВт и наиболее благоприятных условиях их эксплуатации (использование номинальной электрической и тепловой мощности в течение 7000-8000 часов в год) срок возврата капитала составит 2,5-3 года, а при менее благоприятных условиях - 4-5 лет, что тоже вполне приемлемо для рыночных экономических условий.

Наряду с малыми паротурбинными установками необходимо развернуть работы по созданию дизель-генераторных теплофикационных установок, которые по опыту зарубежных стран найдут широкое применение в энергоснабжении сельских поселений и массивов индивидуальной жилой застройки. Эта актуальная социальная и энергосберегающая проблема требует незамедлительного решения.

Сегодня на белорусском рынке представлено не только российское, но и западное высокоэффективное энергетическое оборудование таких известных фирм, как "Skoda-PBS" (Чехия) и "Simens" (Германия). При этом западные фирмы предлагают поставку оборудования в предельно короткие сроки на вполне приемлемых экономических условиях.

Из-за высокой стоимости энергоносителей, а также значительных потерь тепла при его транспортировке в централизованном теплоснабжении достаточно простым способом решения подачи тепла является применение автономных модульных котельных, размещаемых на крышах (в чердачных помещениях) жилых и промышленных зданий. Указанный способ теплоснабжения широко применяется в странах Европы, активно ведется его внедрение на Украине и в России. При его использовании не требуется разветвление наружной сети теплоснабжения, теплопотери в которой могут достигать 15-20%, не требуется и значительных средств на содержание этих сетей.

Наметившееся в последние годы строительство отдельных небольших жилых кварталов, отдельно стоящих жилых зданий, зданий малой этажности и коттеджей требует все более разветвленной сети теплоснабжения, что усугубляет решение данной проблемы. Между тем одним из приемлемых технических подходов является децентрализованная выработка тепла автоматизированными котельными, работающими на газе под периодическим наблюдением.
Каковы преимущества этого вида теплоснабжения?

Во-первых, это возможность строительства котельной, удовлетворяющей потребностям конкретного здания, да к тому же без отвода под нее земельного участка.

Кроме того, владелец здания имеет возможность экономить энергию и контролировать расходы, устанавливая режим работы установки в зависимости от продолжительности рабочего дня, выходные и праздничных дней, температуры наружного воздуха. Такие факторы, как высокий (до 88%) КПД котельных установок, работающих на природном газе, минимальное загрязнение атмосферы и более благоприятное распределение выбрасываемых частиц, более низкая температура и давление теплоносителя, значительное уменьшение протяженности и диаметров трубопроводов системы, отсутствие потерь тепла и воды в наружных трубопроводах, а также снижение расходов на периодический ремонт трубопроводов и уход за ними, дополняет возможность осуществления простого и совершенного контроля потребления теплоэнергии путем установки газового счетчика.

Затраты на строительство модульной котельной установки, работающей на теплоснабжении комплекса зданий НПО "Белгазтехника" (Минск), по подсчетам, окупились в течение первого года эксплуатации.

Ротационный счетчик учитывает расход газа. Измеряются температура и давление газа (все показания снимаются ежедневно). Сама котельная состоит из 10 модулей. Строилась она с расчетом обеспечения 9-этажного здания и пристройки (отапливаемый гараж, спорткомплекс, столовая, конференц-зал). Мощность котельной 1200 кВт, ежегодно вырабатывается около 1,5 Гкал тепла. В настоящее время используется только 30-40% мощности котельной.

Автоматический пульт управления контролирует температуру, давление и другие параметры.
Продукты сгорания газа отводятся через дымоходы и выбрасываются наверх.

По предварительным расчетам те средства, которые при этом тратятся на нужды отопления и горячего водоснабжения, примерно в 10 раз меньше, чем при теплоснабжении от общей трассы.

Возобновляемые источники энергии

Древесно-растительная масса (биомасса), безусловно, является наиболее перспективным и значительным из таковых источников в республике. За рубежом (в первую очередь в европейских странах) в различных направлениях ведутся работы по получению энергии из дров, древесных отходов и соломы. Кроме традиционного сжигания, возможны газификация и пиролиз дров и древесных отходов. Предпочтение отдается газификации, так как при этом можно получать из древесной массы не только газ, но и жидкие компоненты и кокс. Перспективными представляются технологии сжигания соломы в циклонных топках, а также в кипящем слое или на решетке и в смеси с другими видами топлива.

В качестве топлива древесная масса как за рубежом, так и в Беларуси используется преимущественно в бытовом секторе, где КПД дровяных печей не превышает 10-15%. В то же время промышленные установки могут сжигать древесину с КПД не менее 85%, а в некоторых типах котлов - и выше.

Для сжигания древесных отходов, как и собственно дров, требуется применение специальных топочных устройств, позволяющих осуществить все стадии сжигания: сушку, газификацию, горение. Эффективное сжигание древесных отходов достигается в наклонных и горизонтальных слоевых топках с переталкивающими, механическими или полумеханическими решетками. Как правило, такие котлы имеют тепловую мощность не более 25 МВт. Преимущественно распространены котлы, теплопроизводительность которых составляет около 3-5 МВт.

Заслуживают внимания котлы для сжигания таких видов топлива, как обрезки древесины, древесные опилки, газ и мазут. Другой популярной технологией использования древесного топлива является газификация. Требуемое оборудование - котлы и газогенераторы различной степени механизации и автоматизации, производимые многими белорусскими и совместными предприятиями широкого профиля ("Белкоммунмаш", "Брестсельмаш", "Дантек", "Белоозерский ЭМЗ"), мощностью от 30 до 7000кВт.

Известны способы переработки древесного сырья в жидкое топливо.

Возобновляемым источником сырья для получения жидкого и газообразного топлива является фитомасса. Площадь месторождений фитомассы в республике составляет около 180 тыс. га. Привлекательность этого вида энергетического сырья состоит в его стабильности и экологической чистоте.

Еще одним возобновляемым источником энергии могут служить отходы растениеводства. Практический опыт их применения в качестве энергоносителя накоплен в Бельгии и скандинавских странах. Использование отходов растениеводства в первую очередь в хозяйствах, специализирующихся на производстве зерна, может позволить в ближайшей перспективе сократить расход энергоресурсов на отопление и горячее водоснабжение на 1,46 млн т у.т. в год.

И, наконец, особенно интересным для республики как с энергетической, так и с экологической точек зрения представляется получение биогаза из животноводческих отходов. В республике насчитывается около 300 животноводческих комплексов и более 60 птицефабрик, из отходов которых ежегодно можно получать 1,7 млрд м3 биогаза, что эквивалентно 0,9 Мтнэ. Кроме того, применение биогазовых энергетических установок позволит существенно улучшить экологическую обстановку вблизи крупных ферм и комплексов, где к настоящему времени скопились огромные количества непереработанной биомассы. К тому же можно рассчитывать на получение значительного количества высококачественных органических удобрений, что позволит сократить энергоемкое производство минеральных удобрений.

В 1992 г. в Брестской области была введена в эксплуатацию первая в республике биогазовая установка "Кобос", спроектированная и изготовленная по аналогии с установками Западной Европы. Ее ежесуточная производительность составила 500 м3 биогаза при потреблении навоза крупного рогатого скота в объеме 50 м3/сутки. Несмотря на значительный расход энергии на собственные нужды, установка была способна компенсировать расход до 47 тнэ органического топлива в год. В настоящее время опыт ее эксплуатации используется для создания опытно-промышленной установки производительностью 200 м3 биогаза в сутки.

Германская фирма ОНВ предлагает биогазовые станции с комбинированной выработкой тепла и электроэнергии на базе установок, перерабатывающих путем ферментации 6500 т жидкой биомассы в год с получением 455 тыс. м3 биогаза, что позволяет произвести 910 тыс. кВт·ч тепловой энергии; 10 тыс. т твердых отходов (50%) и навоза крупного рогатого скота (50%) с выходом 625 тыс. м3 биогаза, позволяющего произвести 1250 тыс. кВт·ч электрической и 2500 тыс. кВт·ч тепловой энергии; 15000 т смеси древесных (растительных) отходов, ферментируемой фитомассы, городских и домашних отходов, производя 600 тыс. т биогаза, генерирующего 1200 тыс. кВт·ч электрической и 2400 тыс.кВт·ч тепловой энергии; 50 тыс. т навоза крупного рогатого скота, дающего 620,5 тыс. м3 биогаза, производящего 1,241 тыс. кВт·ч электрической и 2482 тыс. кВт·ч тепловой мощности.

Использование такого рода установок позволяет оценивать возможный потенциал в республике как близкий к 3 млн тнэ в год.

Для существенного удешевления немецких биогазовых и газификационных (на древесине) станций возможно частичное применение отечественного оборудования, например, дизель-генераторов.

Ветер представляет собой один из наиболее распространенных возобновляемых источников энергии. Целесообразность его определяется скоростью ветра. В Беларуси среднегодовая скорость ветра по данным Гидромета РБ не превышает 4,1 м/с. Поэтому можно сказать, что Беларусь не входит в разряд зон с высоким потенциалом скоростей ветра и не обладает достаточным энергетическим потенциалом для создания мощных ветроэлектростанций. Использование ветроэнергетических установок (ВЭУ) в республике может быть эффективным для автономных потребителей в сельской местности с достаточным ветроэнергетическим потенциалом.

24 апреля 1997 г. СМ РБ принимает Постановление №400 "О развитии малой и нетрадиционной энергетики". В ходе интенсивных научно-исследовательских разработок создана роторная ветроэнергетическая установка, способная развивать максимальную мощность при сравнительно малых ветрах.

СМ РБ, ознакомившись с промежуточными результатами разработок, поддержал инициативу фирмы "Аэролла". В результате, согласно протоколу СМ РБ №03/30 от 12 марта 1999 г., намечена программа поддержки ветроэнергостроительства, поставлена задача сооружения на базе роторной ветроустановки опытной электрической станции мощностью 5 МВт, состоящей из 20 роторных агрегатов. Намечено место сооружения комплекса.

В районе Минска в среднем за год насчитывается 28 ясных дней, 167 пасмурных и 170 дней с переменной облачностью, поэтому можно сказать, что Республика Беларусь не является благоприятным районом для использования солнечной энергии.

Солнечная энергия, как и энергия ветра, имеет малую пространственную плотность, для трансформации в электрическую ее приходится собирать с больших площадей. Расчеты показывают, что страна, расположенная в средней географической широте, может полностью обеспечить свою потребность в электроэнергии, заняв СЭ примерно 0,2 своей территории. В Беларуси нет пустынь, нет морей, которые можно безболезненно использовать для строительства промышленных станций такого типа, однако имеется значительная область Чернобыльской зоны, временно непригодная для земледелия или сосредоточенного проживания людей. Эта зона вполне может использоваться для площадок строительства ветровых или солнечных электростанций.

Важным аспектом солнечной энергетики в РБ может стать промышленное производство солнечных элементов на экспорт. Ряд стран экваториального пояса (Индия, страны Юго-Восточной Азии и Африки, Китай) проявляют высокий интерес к вопросам широкомасштабных закупок СЭ. При достаточной маркетинговой проработке это вполне может стать рентабельным производством.

Другим направлением в использовании энергии солнца является гелиоэнергетика. Гелиоколлекторы в основном применяются для подогрева воды. И возможности ее эффективного использования с учетом временного фактора (периода года, времени суток и т.п.) в основном определяют потенциал. Средняя суммарная (с учетом дополнительного оборудования) стоимость гелиоколлектора составляет примерно $115/м2, срок окупаемости его - 1,5-3 года.

Одна из минских фирм создала опытное производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на использовании солнечной энергии. Эти устройства включают в себя солнечные коллекторы (их число и площадь может варьироваться в зависимости от требований конкретного проекта) и бойлеры-накопители. Оптимальный для местного климата вариант - система с четырьмя коллекторами - позволяет обеспечить потребность в горячем водоснабжении семьи из 4-5 человек. Благодаря большой площади поверхности коллекторов система аккумулирует достаточное количество энергии даже в пасмурную погоду, а бойлер большой вместимости (более 500 л) позволяет создавать стратегический запас горячей воды. В период с марта по октябрь система полностью удовлетворяет потребности в горячей воде. Зимой установку можно интегрировать со стандартной системой отопления.

Несколько лет назад о себе заявила и другая отечественная компания, организовавшая производство гелиосистем для нагрева воды. Они представляют собой легкие, компактные конструкции, собираемые по модульному принципу. Основой гелиосистемы является пленочно-трубочный коллектор. Он обладает высокой абсорбирующей способностью, благодаря чему даже небольшие дозы солнечного излучения превращает в полезную тепловую энергию. Теплообменники, входящие в состав систем, изготавливаются из специальных полимерных материалов, исключающих коррозию или замерзание. Подобные гелиосистемы устанавливают на земле, плоских и скатных крышах, в вагонах-бытовках. Гелиоустановки могут подключаться к централизованной системе отопления или работать автономно с заправкой бака-накопителя требуемой емкости.

По продолжительности солнечного сияния Беларусь имеет близкие показатели, а по поступлению среднемесячной солнечной радиации даже превосходит северную часть Германии, Швецию, Англию, которые считаются лидирующими в Европе по выпуску и применению гелиоэнергетического оборудования, что свидетельствует о целесообразности развития этого направления.

Гелиосистемы в РБ разрабатываются в таких организациях, как НПО "Белсельхозмеханизация" и АНК "Институт тепломассообмена" НАНБ.

Гидроэнергетические ресурсы составляют один из наиболее изученных возобновляемых источников энергии. В настоящее время в республике функционируют построенные в 50-е годы Чигиринская и Осиповичская ГЭС с общей мощностью 3,7 МВт и восстановленные в 1992-94 гг. (и составляющие целую сеть) ГЭС с общей мощностью около 2 МВт, что обеспечивает среднегодовую выработку электроэнергии примерно 20 млн кВт·ч, то есть всего 1% от возможного для использования гидроэнергетического потенциала.

В 1998 г. в РБ действовало свыше 170 ГЭС, в том числе 5 малых ГЭС суммарной мощностью 3,5 тыс. кВт с годовой выработкой 16,5 млн кВт·ч. Как показал опыт восстановления таких гидроэлектростанций, гидромеханическое оборудование может быть отремонтировано и лишь в отдельных случаях заменено новым, а электротехническое оборудование и системы управления практически везде требуют замены. Анализ строительства новых малых ГЭС в Беларуси был проведен для притоков первого и второго порядков бассейнов рек Западная Двина, Неман, Вилия, Днестр, Припять и Западный Буг. В перспективе на притоках перечисленных рек может быть построено около 50 малых ГЭС суммарной мощностью 50 тыс. кВт и среднегодовой выработкой электроэнергии 160 млн кВт·ч. Представляется также целесообразным строительство новых ГЭС на достаточно многоводных реках - таких, как Западная Двина, Неман, Днепр. Так, практически без затопления прилегающих к руслу земель может быть сооружен каскад гидроэлектростанций на участке Верхнего Днепра, обеспечивающий ежегодную выработку до 20 млн кВт·ч.

Мировой уровень стоимости 1 кВт установленной мощности на микроГЭС составляет $2000-2500. Стоимость оборудования, изготовленного в странах СНГ, позволяет удерживаться на уровне $250-800/кВт. Срок окупаемости микроГЭС составляет менее 3 лет.

Наиболее значительный объем электроэнергии может быть получен при строительстве каскада ГЭС на реках Западная Двина (Витебская, Полоцкая, Верхнедвинская) и Неман (Гродненская). Эти гидроэлектростанции при относительно небольшой площади затопления пойменных территорий позволят получить до 800 млн кВт·ч электроэнергии в год при установленной мощности около 240 МВт.

К началу 90-х годов Беларусь представляла собой одну из наиболее развитых республик бывшего Советского Союза. Но так как экономика республики при наличии в СССР относительно дешевых ТЭР развивалась, прежде всего, исходя из общей политики централизованного управления и принципа разделения труда, распад СССР и разрыв связей между бывшими республиками не мог не сказаться на ее экономическом состоянии. Обеспеченность же республики местными энергоресурсами в 1990 г. составила 12,8% (к 1998 г. она возросла до 18,3%). Суммарный возможный потенциал ежегодной экономии ТЭР за счет малой и нетрадиционной энергетики к 2010 г. может составить около 8 млн т у.т./год, или примерно 28% прогнозной потребности Беларуси. С учетом географических, климатических и социально-экономических условий РБ, энергетического потенциала возобновляемых источников энергии, мирового опыта и сложившихся в мире тенденций эффективность использования ВИЭ и объектов малой энергетики, а также перспективность дальнейшего развития малой и нетрадиционной энергетики представляются несомненными.

Инна МАКСИМОВА

Источник: http://electromost.by/