Возможности использования возобновляемой энергии в условиях Кольского Севера

Перебои в поставке энергии в производственных сферах могут провоцировать, создавать убытки и приводить к катастрофическому ущербу

Е.Н. Лагунов, доцент кафедры «Энергетики и транспорта» МГТУ, г. Мурманск
Н. Е. Лагунов, инженер

Производственная, хозяйственная и жизненная деятельность в условиях Крайнего Севера предъявляет жесткие и категоричные требования к энергетическому обеспечению предприятий и созданию комфортных условий жизнедеятельности населения. Ясно, что перебои в поставке энергии в производственных сферах, особенно на предприятия с непрерывным рабочим процессом, могут не только провоцировать и создавать убытки, но и приводить к катастрофическому ущербу, не говоря уже о последствиях в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ). Это очевидно в условиях наших продолжительных зим, которые сопровождаются довольно частыми «провалами» отрицательной температуры наружного воздуха.

При отсутствии сегодня на Кольском полуострове достаточного количества собственного топлива для производства тепловой энергии, обостряется проблема повышения эффективности использования привозного топлива, цена которого на 2006-2007 года приближается к 6500 рублей за тонну. Вместе с этим в регионе уже не первый год действует программа (и не одна) предусматривающая проведения энергетических аудитов предприятий и на этой основе внедрения различных мероприятий по энергосбережению. Цель и материально-техническая направленность этих программ в основном заключается в замене энергетического оборудования на более совершенное, повышении качества управления распределением тепла потребителям, замене изношенных теплотрасс, где наблюдаются основные потери воды и тепла, доходящие до 30% и более от необходимого.

Анализ публикаций по Мурманской области на тему энергосбережения также затрагивал вопросы модернизации энергетического оборудования предприятий (котельных, тепловых сетей, теплообменников, приборов учета и контроля и т.д.). Безусловно, эти мероприятия отвечали требованиям закона России «Об энергосбережении» (ФЗ №28 от 05.04.96 г.), вместе с тем дискуссии в СМИ почти не касались вопросов использования для теплоснабжения городов области источников возобновляемой энергии (ВЭ). Такими источниками энергии вполне могла бы быть прежде всего ветровая энергия (практически в неограниченном количестве «витающая» над Кольским Севером).

На основании изучения темпов развития ветроэнергетики последних лет зарубежные специалисты прогнозируют, что в следующие 10-12 лет ветер будет производить более дешевую энергию относительно других (традиционных) ресурсов, таких как уголь и нефть. В этом также убеждают данные экономических исследований, свидетельствующих, что в странах Западной Европы и Америки за последние 15 лет стоимость ветроэлектроэнергии снизилась в 6 и более раз. Так, например, на американском рынке энергии в конце 80-х годов цена 1 кВт*ч электричества составляла около 30 центов, а в начале 21 столетия эта цена составляла 5 центов за кВт*ч. Есть данные, что в некоторых странах цена единицы ветроэнергии ниже стоимости энергии угольных электростанций.

Безусловно, использование ветровой энергии на Кольском Севере является перспективным делом, тем более что специалистами Кольского филиала РАН [1,2] разработан ветровой кадастр Северо-запада России [1], имеется обоснование и необходимая документация для успешного внедрения ветроустановок и развития ветроэнергетики на Кольском севере. [2].

В меньшей степени по значимости в Мурманской области к источникам ВЭ могла бы относится биоэнергия, основанная на преобразовании отходов животноводства и птицеводства, а также другие сельхозпредприятия различной производственной направленности. Используя отходы собственного производства, сельхозпредприятия могли бы более чем на 30-40%, (а может, и больше) удовлетворить собственные нужды, например по тёплой и горячей воде, сократить расходы на отопление, улучшить санитарно-гигиенические условия производства, уменьшив удельные энергозатраты на единицу продукции, получить и другие положительные эффекты.

Рядом с Мурманском к таким предприятиям — источникам биоэнергии можно отнести птицефабрики, животноводческий комплекс совхоза Тулома, свиноводческий комплекс «Пригородный», животноводческий комплекс совхоза Индустрия и другие. Кроме того, в области имеются подсобные хозяйства промышленных предприятий, специализирующихся на животноводстве. Издержками производства этих сельхозпредприятий являются «обычные» навозные отходы, часто создающие заботы и скандальные ситуации, связанные с загрязнением окружающей среды. Жителям Мурманска и его пригородов на протяжении многих лет известны многочисленные случаи утечек отходов животноводства и птицеводства в овраги и ручьи, которые из-за естественных природных условий нашего географического ландшафта стекают в реки Тулома, Кола и другие реки и озера, снабжающие питьевой водой города и поселки.

Вместе с тем мировая практика уже на протяжении десятилетий доказывает рациональность использования в качестве дополнительного энергоресурса биомассу. В частности, в результате применения сравнительно несложных технологий и оборудования в большинстве стран мира из навоза получают биогаз, которого хватает на обеспечение энергией собственных хозяйственных нужд. Одновременно с этим с государства снимается забота о поставке энергоносителей в эти регионы. Например, в Дании в последние 10 лет осуществляют строительство больших централизованных биогазовых заводов, занимающихся переработкой отходов животноводства и птицеводства, создающих экологические проблемы. На конец 90-х годов в стране уже эксплуатировалось 18 биогазозаводов, способных выработать до 45 миллионов м³ биогаза, что эквивалентно 24 миллионам м³ природного газа. А суммарную годовую энергетическую мощность биогаза Дании планируется довести до 6*1015Дж. [3].

В конце 90-х годов в Китае насчитывалось около 5 миллионов семейных биогазовых реакторов, производящих в год около 1,3 миллиарда м³ биогаза. Кроме этого, в стране имеется 600 больших биогазовых станций, использующих органические отходы животноводства и птицеводства. В стране работают 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3*109 Вт*ч. биогазовая продукция в Китае оценивается в 33*1015Дж.[3].

В Индии, стране так же с высокой плотностью населения, уже в 1993 году насчитывалось около 1850000 единиц биогазовых установок, что существенно снижает остроту энергоснабжения в сельских местностях страны.

Заслуживает внимания и развития биоэнергетики в высокоразвитых странах. Например, производство биогаза в США составило - 93*1015 Дж, Германии - 14*1015 Дж, Японии - 6*1015 Дж, Швеции - 5*1015 Дж.

Приведенные данные (которые являются усредненными показателями) по некоторым странам мира, несомненно, убеждают в разумности использования биоотходов нашего северного сельского хозяйства в дешевую составляющую энергозатрат на продукцию, что, несомненно, может служить поводом снижения себестоимости продукции, а стало быть, ускорить ее коммерческий оборот и улучшить экономические показатели предприятий.

Мировая практика при расчетах в биоэнергетике использует такие любопытные данные: 1 тонна биомассы в среднем содержит до 2*1010 Дж, что эквивалентно 0,625 тонны условного топлива, а энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93*10 Дж/год. Считается, что из 1 тонны сельскохозяйственных отходов можно получить 37,5 м³ биогаза. В [4] представлены данные по энергетическому потенциалу различных источников биотоплива в некоторых странах мира.

Энергетическая оценка потенциала биотоплива 1015 Дж/год (32 МВт) (4)

Вид биотоплива	Судан	Бразилия	Индия	Швеция	США
Древесное топливо	290	3200	420	160	510
Городские отходы	5	94	320	23	170
Навоз	93	640	890	18	ПО
Коммунальные стоки	2	11	66	1	5

Приведенные данные свидетельствуют о своевременной постановке и решения вопроса использования биоресурсов Мурманской области в целях получения тепловой энергии. Решение этого вопроса на основе опыта, накопленного в мире, могло бы принести существенные выгоды энергетике области и прежде всего сельхозпредприятиям Кольского Севера.

Однако, по нашему мнению, эффективную реализацию «бросовых» энергоресурсов области может оказать использование низкопотенциального тепла (НПТ), которое иногда называют «бросовым» теплом или «отработанным теплом». К такой низкопотенциальной или «бросовой» теплоте можно отнести, например, сточные воды жилых районов городов или поселков, которые имеют температуру от 12 до 22^о С. Или воздух вытяжной вентиляции производственных, административных или жилых помещений, (НПТ) системы отбора опилок деревообрабатывающих предприятий и мебельных фабрик, заводов машиностроительного профиля с большим объемом сварочных работ, имеющих мощные системы удаления задымленного воздуха, металлургические предприятия с большим потреблением тепловой энергии, предприятия энергетической отрасли, имеющие огромные выбросы низкопотенциальной теплоты в виде уходящих газов, градирен, охлаждающей воды теплообменников или других сточных вод.

В настоящее время во многих странах мира существуют отрасли промышленности по использованию в хозяйственной деятельности НПТ. Разработана и создана техника в виде тепловых насосов разнообразной мощности от 0,5 кВт до 1500 кВт и более. [5,6,7].

Вопросы использования теплонасосных установок в условиях Кольского севера достаточно подробно и убедительно представлены в [8].

Однако в существующих публикациях не обнаружено сведений, где обращалось бы внимание на такой огромный потенциал НПТ возобновляемой энергии, каким является незамерзающее Баренцево море, теплоту которого, регулярно, без «отключений и перебоев» нам «дарит» тропическое Карибское море течением Гольфстрим. Несмотря на то что энергетическое качество воды моря не столь высокое, все же воспользоваться частью заключенного в ней тепла с помощью тепловых насосов представляется возможным и выгодным.

Из предварительных расчетов теплонасосных установок (ТНУ) с использованием в них в качестве рабочего тела К-22 или К-142а (СУВА) коэффициент преобразования может составлять от 2,5 до 3,1, в зависимости от климатических условий. Это означает, что на вложенный 1 кВт энергии на работу ТНУ можно получить от 2,5 до 3,1 кВт тепловой энергии от морской воды. Такое количества тепла, получаемого на кВт энергозатрат, можно считать удовлетворительным, тем более, что основные потребители тепла в области расположены в непосредственной близости от береговой линии (это рыбопромышленные и судоремонтные предприятия, флоты со своими базами и береговыми структурами, войсковые части, рыболовецкие поселки и т.д.). Однако следует иметь в виду, что в зимний период, когда происходит значительное выстывание моря, эффективность ТНУ существенно уменьшится, но это не означает, что работа ТНУ будет убыточна. Вместе с тем, в летне-осенний период (когда потребность в тепле в нашем регионе порой не менее ощутима), энергетическая эффективность резко возрастает, в связи с повышением температуры морской воды и наружного воздуха. [6]

Теплота, извлеченная из воды Баренцева моря посредством теплонасосных установок, могла бы с успехом использоваться на объектах, не требующих слишком высоких температурных потенциалов, таких как системы отопления береговых предприятий различного назначения, деревообделочные цеха судоремонтных предприятий (для сушки древесины), на предприятиях энергетики - котельных для разогрева и слива мазутов и других нефтепродуктов, на рыбоперерабатывающих предприятиях, например, при дефростации или вяленье рыбы, или обогрева складских помещений для хранения деликатесной рыбной продукции, требующей точного соблюдения температурных режимов хранения, а также в ряде других случаев.

Представленный неполный перечень источников низкопотенциальной энергии убеждает в наличии на Кольском Севере существенных энергетических резервов, использование которых позволяет прежде всего удешевить себестоимость продукции или услуг. Однако чтобы использовать обозначенные ресурсы, необходимо инженерное и научное осмысление сложившейся ситуации и детальный просчет возможностей использования возобновляемых источников энергии в Мурманской области. Кроме того, следует иметь в виду, что для решения подобных задач, на Кольском Севере также имеется серьезный инженерный и научный потенциал, который является не слишком «дорогим» по сравнению с научным потенциалом наших столиц и зарубежных стран.

ЛИТЕРАТУРА:
1. Минин В.А., Степанов И.Р. Ветроэнергетический кадастр европейского Севера СССР // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1983 №1, с. 106-114.
2. Минин В.А. Перспективы применения ветроэнергетических установок для теплоснабжения потребителей Севера // Теплоэнергетика, №1, 2003.
3. Мартиновский В.С. Тепловые насосы. М - Л.: Госэнергоиздат, 1955 - 191с.
4. Панцхава Е.С., Кошкин Н.Л., Пожарнов В.А. Биомасса - реальный источник коммерческих топлив и энергии. // Теплоэнергетика, №2, 2001, с. 21-25.
5. Рей д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. Пер. с англ. - М,: Энергоиздат, 1982.-224с.
6. Степанов И.Р. перспективы применения теплонасосных установок в регионах европейского Севера России. Апатиты. РАН 1998. 53с.
7. Твайделл Дж., УЭЙР А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990-392с.
8. Янтовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессорные теплонасосные установки. М. : Энергоиздат, 1982 – 144 с.

Журнал "СЕВЕР промышленный" № 11 2007 г.