Н.Г. Кириллов – Инновационно-консультационный центр стирлинг-машиностроения

В современных критериях перед русской энергетикой
стоит ряд сложных задач, решение который пока неочевидно.
К примеру, по прогнозам, спрос на электроэнергию в Рф
к 2020 году возрастет на 70%. Как избежать недостатка энергомощностей за столько маленький срок, ведь осталось наименее
10 лет? Либо, к примеру, в согласовании с установкой президента
Дмитрия Медведева к тому же 2020 году энергоемкость ВВП
должна снизиться на 40% по сопоставлению с 2007 годом. Как
решить эту задачку в критериях технологической отсталости
российскей индустрии?
По расчетам Минэкономразвития Рф, 80-85%
прироста потребности Рф в энергии должно
быть покрыто за счет увеличения энергоэффективности экономики страны. На эти цели Минэнерго планирует
до 2015 г. навести из бюджета порядка 630 миллиардов руб.,
что позволит приблизить энергоемкость русской экономики к европейским эталонам.

Мировой опыт указывает, что одним из главных направлений увеличения энергетической эффективности
экономики является развитие другой энергетики.
Это предполагает более обширное внедрение возобновляемых источников энергии и применение современных действенных технологий генерации электронной
и термический энергии. Внедрение возобновляемых
источников получения энергии, их активное внедрение
в жизнь с каждым годом приобретает все более суровые
масштабы. К 2020 году Европейский альянс планирует
в соответствие со собственной энергетической стратегией
«20-20-20» прирастить долю возобновляемых источников
энергии в общем топливном балансе до 20%, что,
по плану европейцев, даст возможность уменьшить
удельный спрос на классические энергоресурсы на 20%.
Это позволит странам Евросоюза к 2030 г. прирастить
валовой государственный продукт на 79% при понижении
энергопотребления на 7%. В перспективе европейские
страны будут получать из возобновляемых источников
более трети потребляемой энергии. Соединенные
Штаты, главный мировой импортер углеводородов, также
разрабатывают свою стратегию в этом направлении.
В США финансирование энергетики возобновляемых
источников и энергоэффективности из федерального бюджета сравнимо с расходами на атомную энергетику
и воззвание с радиоактивными отходами. Согласно планам
президента Барака Обамы, к 2012 г. в стране толика энергии,
получаемой за счет возобновляемых источников, должна
достигнуть 10%, а к 2025 г. – 25%.

Необходимость развития другой энергетики
в критериях сокращения припасов нефти и газа, рвение
к увеличению энергетической и экологической эффективности промышленного производства становятся в ближайшее время в продвинутых странах не только лишь объектом обсуждения на самом высочайшем уровне, да и предметом выработки
определенных решений. Сладкоречивым примером определенного решения в области другой энергетики является превосходный проект, не имеющий аналогов в мире.
В штате Невада на площади 160 кв. км создается «солнечная
ферма» с 70 тыс. энергетическими установками на базе
движков Стирлинга. Стоит отметить, что этот
проект лично курировал прошлый президент США Джордж
Буш. И это понятно, ведь по расчетам американских профессионалов, в конечном итоге будет вполне покрыта потребность
южных и юго-западных штатов в электроэнергии.

Полное количество солнечной энергии, достигающее
поверхности Земли, в 6,7 раза больше мирового потенциала
ресурсов органического горючего. Внедрение только
0,5% этого припаса могло бы вполне покрыть мировую
потребность в энергии на тысячелетия. Вот поэтому
после реализации проекта «солнечной фермы» с движками Стирлинга в США схожий опыт планируется
использовать в почти всех южных регионах мира (рис. 1).

Для забугорных политиков и предпринимателей возобнов-
ляемая энергетика издавна стала одним из многообещающих
направлений, содействующих выходу из кризиса, решению
экологических и погодных заморочек, вызванных технологическими процессами получения энергии из обычного горючего.
Развитие другой энергетики в Рф уже
в наиблежайшие годы позволит:

• обеспечить электричеством, теплом и топливом
  удаленные районы Рф, где завоз горючего – драгоценное
  и ненадежное мероприятие. Так, в наибольшем по площади субъекте Федерации, Республике Саха, приблизительно
  75% всех коммунальных расходов в 2006 г. пришлось
  на долю поставок горючего. Цена его транспортировки
  в 2007 г. оценивалась в 1,2 миллиардов рублей. В особенности это
  относится к северным и приравненным к ним территориям. За последние 10 лет число населенных пт,
  не присоединенных к сетям общего использования, резко возросло из-за разрушения линий электропередач; те населенные пункты, которые получали энергию от дизельных
  электрических станций, нередко остаются без света из-за выхода
  дизельных генераторов из строя и невозможности их
  подмены. Речь тут идет об критериях жизни 20-30 млн
  человек;

• повысить надежность энергоснабжения энергодефицитных районов РФ, хотя и окутанных централизованным электроснабжением, но имеющих ограничение
  по мощности или по видам энергии. Присоединение
  новых потребителей к электросетям в этих районах
  очень недешево, а отказы в присоединении стали массовым
  явлением;

• вызволить в структуре энергобаланса страны
  объемы обычных энергоэлементов, нужные
  для выполнения договоров по длительным договорам
  на экспортную поставку нефти и природного газа развитым
  забугорным странам;

• подтолкнуть российскую электроэнергетику к инно-
  вациям. Эффект от этого выйдет далековато за границы отрасли:
  ведь возникновение спроса на энергетическое оборудование,
  работающее на местных видах горючего, скажем на биомассе,
  непременно должно вызвать соответственное предложение
  со стороны российских производителей, а это в свою
  очередь подхлестнет машиностроение, хим про-
  мышленность, науку. Другими словами другая энергетика
  имеет все шансы стать новейшей четкой роста русской
  сверхтехнологичной экономики. Это подтверждается
  не так давно высказанным воззрением президента Дмитрия
  Медведева о том, что «Россия должна стремительно действовать,
  чтоб застолбить для себя место» на мировом рынке технологий
  производства незапятанной и возобновляемой энергии;

• благодаря внедрению новых технологий в стране
  создаются дополнительные рабочие места и т.д.

Все это принуждает срочно пересмотреть отношение
к другой энергетике, тем паче что мы это
можем сделать с определенной выгодой себе, учтя те
ошибки и перегибы, которые имели место в других
странах. Реформирование и либерализация рынка
электроэнергии должны этому только содействовать,
так как конкретно в рамках свободного рынка личные
генерирующие компании будут стремиться к внедрению
нововведений.

Анализ ресурсов и перспектив использования
разных видов возобновляемых источников энергии

В Рф есть нужные природные ресурсы для
развития других источников энергии. По имеющимся оценкам, потенциал возобновляемых источников
энергии в Рф составляет около 4,6 миллиардов т у.т. в год,
другими словами в 5 раз превосходит объем употребления всех
топливно-энергетических ресурсов Рф.

К возобновляемым ресурсам относится энергия Земли,
солнца, ветра, морских волн, биомассы и др. Нельзя сказать,
что эти ресурсы находятся в обилии и умеренно
распределены по местности, но они есть и способны
решать такие задачки как увеличение надежности электроснабжения, создание запасных мощностей, компенсация утрат, снабжение электроэнергией удаленных
районов.

Непременно, более важными для Рф с точки
зрения их промышленного внедрения являются биомасса,
энергия ветра и солнца.

Биомасса. Биомасса – термин, объединяющий все
органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения,
животные, мельчайшие организмы и т.д.) и вторичную – отходы
переработки первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных. В свою очередь отходы
также делятся на первичные – отходы при переработке
первичной биомассы (трава, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и т.д.) и вторичные – продукты физиологического обмена животных и человека.

Раз в год воспроизводимый на Земле энергетический потенциал растительной биомассы оценивается
в 3×1021
Дж, что в 10 раз выше мировой добычи ископаемого
горючего. Многие спецы рассматривают биомассу
как более возможный источник энергии после истощения
припасов обычных энергоэлементов.

Возврат к местным видам горючего и сначала
к биоресурсам – это не возврат в прошедшее, а разумный
подход к экономике и экологии. Понятно, что в лесопильном
производстве Рф 50% древесной породы преобразуется
в отходы, к которым добавляются соизмеримые по величине
отходы деревообрабатывающих и мебельных компаний.

Не считая того, в сельском хозяйстве раз в год скапливается
существенное количество отходов биомассы. Каждогоднее
количество органических отходов по различным отраслям
народного хозяйства Рф более 390 млн т. Сельскохозяйственное создание дает 250 млн т, из их 150 млн
т приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн
т – на растениеводство. Лесо- и деревопереработка дают
700 млн т, твердые бытовые отходы городов – 60 млн т,
коммунальные стоки – 10 млн т (все приведенные значения
даются на полностью сухое вещество).

Классическими для Рф и более всераспространенными и доступными для населения возобновляемыми
источниками энергии из биомассы являются древесная порода
и торф. На рис. 2 видно, что Наша родина располагает большим
потенциалом лишней биомассы, в особенности в районах
децентрализованного энергоснабжения, которая может
быть применена как дешевенький вид местного горючего.
Дрова на данный момент употребляют более 5 млн семей, потребляя
выше 50 млн куб. м древесной породы. Централизованно
топливоснабжающие предприятия реализуют около
6 млн куб. м дров.

Торф относится к возобновляемым ресурсам. Раз в год
в мире появляется практически 3 миллиардов куб. м торфа, что приблизительно
в 120 раз больше, чем употребляется. Общие припасы торфа
на местности Рф оцениваются в 162,7 миллиардов т
(при влажности 40%). Более обеспечены торфяными
ресурсами северные районы Европейской части, Западной
Сибири, Урала и Северо-Запада. Припасы торфа могут
при соответственных критериях возобновляться. Каждогодний
прирост торфа на болотах Рф 250 млн т. Припасы его
лишь на разрабатываемых месторождениях позволяют
довести объем добычи до эквивалента 7% объема раз в год
потребляемого угля.

Благодаря низкой трудозатратности и энергоемкости
добычи топливного торфа, простоте транспортных схем
и маленьким расстояниям вывозки торф в ряде регионов
сохраняет конкурентоспособность с другими видами ввозимого твердого горючего. Не считая того, торф характеризуется
низким содержанием серы и золы, что обеспечивает
низкий уровень вредных выбросов при его сжигании.
В 2000 г. на электрических станциях Рф было применено
1,7 млн т торфа.

Прогнозируются последующие характеристики производства
и использования торфа в энергетике до 2020 года:

• обеспечение новых термических электрических станций
  единичной мощностью 20-30 МВт и котельных в богатых торфом энергодефицитных северных регионах –
  до 4 млн т;

• повышение добычи кускового торфа – до 3 млн т;
• развитие производства торфяных брикетов –
  до 1 млн т.

Экономические расчеты демонстрируют, что при цены
1300 руб. за 1000 куб. м природного газа в регионах
с сверхизбыточными припасами биомассы выгодно перебегать
на ее внедрение в качестве горючего. Так, к примеру,
Карелия располагает значительными ресурсами повсевременно
возобновляемой биомассы в виде древесных растений,
торфа и отходов сельского хозяйства, которые могут
быть применены в энергетических целях. Припасы торфа
в Карелии оценены в 2 миллиардов т, ресурсы древесного сырья
лиственных пород около 2 млн м3/год. Только за счет
использования торфа и древесного сырья можно на 60%
уменьшить объем привозного горючего, а это фактически
треть карельского бюджета. Согласно концепции
развития топливно-энергетических ресурсов Ленинградской
области, к 2020 году толика биотоплива на городских
котельных должна возрости до 17% (на данный момент 3,2%).
Регион достигнет уровня Швеции, Финляндии и других
государств, где биоэнергетика развита прекрасно.

Энергия солнца. Потенциал солнечной энергии
в Рф (2,3 миллиардов т у.т. в год) примерно в 2 раза
выше нынешнего употребления горючего.

На рис. 3 видно, что более «солнечные» районы
у нас – Приморье, Юг Сибири получают от 4,5
до 5 кВт•ч/денек•м2, что больше чем в Германии
(3,2 кВт•ч/денек•м2) и полностью сопоставимо с Италией
(6 кВт•ч/денек•м2). Другие районы – Краснодарский край,
Юг Якутии, Восточная Сибирь сравнимы с югом Франции
и центральной Италией. Таким макаром, по «солнечному
ресурсу» по последней мере часть нашей местности
не уступает ведущим потребителям солнечной энергии.
Это означает, что в неких недоступных районах
проще установить «солнечные фермы», чем тянуть ЛЭП,
увеличивать мощность и разламывать голову над тем, где взять
сырье.

Энергия солнца может употребляться для решения
огромного количества задач. Одна из их – преобразование солнечной
энергии в электронную, в так называемое солнечное
электричество.

Для этого ранее использовались только солнечные
батареи, главным элементом для производства которых
является кремний. Но это очень недешево. Более
многообещающим направлением преобразования энергии
солнца в электронную является внедрение движков
с наружным подводом теплоты – движков Стирлинга.

Вторым вариантом внедрения солнечного света
является внедрение его по прямому предназначению –
для нагрева воды, отопления помещений, сушки разных
материалов. В этих целях употребляют термические коллекторы.
Летом в средней полосе Европейской части Рф дневная
производительность 1 кв. м термических коллекторов может
достигать 50-60 л воды температурой 60-70 °С.

Но одним из более суровых препятствий
реализации солнечной энергетики является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при лучших
атмосферных критериях (южные широты, незапятнанное небо) плотность потока солнечного излучения менее 250 Вт/м2.
Потому для сотворения объектов солнечной энергетики
требуются огромные свободные местности.

Энергия ветра. Забугорный опыт сотворения объектов
ветроэнергетики указывает, что экономически целенаправлено строить ветряные электростанции там, где скорость ветра огромную часть года более 5 м/с (рис. 4).

И чем больше, тем лучше – выработка электроэнергии
пропорциональна кубу скорости ветра: при увеличении
ее всего вдвое создание энергии увеличивается
в восемь раз.

Ветровые ресурсы в Рф сконцентрированы повдоль
береговых линий, так как конкретно тут из-за перепада
температур ветры довольно сильны и имеют устойчивый
нрав. Развитие ветроэнергетики целенаправлено в районах Последнего Севера, на побережье и островах северных
и восточных морей от Мурманска до Находки, Балтийского,
Темного, Азовского и Каспийского морей и в ряде других
мест. Конкретно в этих районах уже установлены и работают малочисленные российские установки –
в п. Куликово (Калининградская обл.) – 5,1 МВт, Анадырская
ВЭС мощностью 2,5 МВт.

Не считая того, ветрогенераторы можно эксплуатировать
на северо-западе страны (Архангельская и Калининградская
обл., Республика Карелия), на Северном Кавказе (Астраханская и Ростовская обл., Краснодарский край, Республика
Дагестан, Республика Калмыкия), в Сибири (Новосибирская
и Тюменская обл.) и на Далеком Востоке (Магаданская
и Сахалинская обл., Хабаровский край).

Ветряная электрическая станция – установка, модифицирующая
кинетическую энергию ветра в электронную. Принцип
деяния всех ветродвигателей один: под напором ветра
крутится ветроколесо с лопастями, передавая вращающий
момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше
поперечник ветроколеса, тем больший воздушный поток оно
захватывает и тем больше энергии производит агрегат
(рис. 5).

У ветровой энергетики, как и у солнечной, есть свои
недочеты. Во-1-х, так как плотность воздуха
в 800 раз меньше плотности воды, много энергии из него
не выжмешь. Самые большие агрегаты имеют мощность
менее 6 МВт. Во-2-х, маленький коэффициент использования установленной мощности (КИУМ). Он указывает,
сколько процентов энергии выработано за год в отношении
к установленной мощности ветроагрегата. При установке
в подходящем месте обычный КИУМ современных ветроагрегатов 15-20%. Т.е. мегаваттный агрегат в среднем
выдает 150-200 кВт мощности.

Анализ современных
энергоэффективных технологий генерации
электронной и термический энергии

Другая энергетика, не считая использования возобновляемых источников энергии, предполагает также
внедрение современных высокоэффективных технологий
производства электронной и термический энергии. Обычно, это технологии, разработанные за рубежом. С учетом
специфичности российских критерий для Рф больший
энтузиазм представляют децентрализованные системы теплоснабжения на базе термических насосов, когенерация
и стирлинг-технологии.

Термические насосы. Непременно, более принципиальным
устройством нестандартной энергетики и энергоресурсосбережения является термический насос. Термический
насос – это устройство, работающее по принципу холодильной машины и имеющее способность, используя теплоту низкого потенциала, получать теплоту более высочайшего
потенциала. Особенность термического насоса в том, что произведенное тепло всегда больше подведенной энергии
от энергоисточника высочайшего потенциала. Это происходит,
так как тепло делается не только лишь за счет энергии
энергоисточника (газа, угля, электронной энергии либо
пара), да и за счет дополнительной термический энергии,
отбираемой от низкопотенциального источника, т.е.
источника с более низкой температурой (геотермального,
водянистых промышленных либо бытовых стоков, воздуха,
грунта, реки). В промышленно выпускаемых установках
экономия горючего 20-70%. Вероятный спектр темпе-
ратур низкопотенциального источника очень широкий (+80…
–17 °С).

Внедрение уже имеющихся теплонасосных установок позволяет при удельных издержек в 1 кВт получить
на выходе для теплоснабжения 3-7 кВт тепла в зависимости
от температурного уровня источника низкопотенциальной
теплоты. Применение такового рода установок за рубежом
становится нормой и позволяет раз в год сокращать
на 10% потребление топливных ресурсов.

Согласно прогнозам Интернационального энергетического
комитета по термическим насосам, термическая мощность, производимая термическими насосами к 2020 г. в передовых
странах для отопления и жаркого водоснабжения, составит
75%. В почти всех продвинутых странах термические насосы являются
основой энергосберегающей политики. Так, уже на данный момент
в США более 30% жилых построек оборудованы термическими
насосами. В Швеции 22% домов (350 тыс.) обогреваются
термическими насосами. В мире насчитывается около
40 млн ед. термических насосов, в то время как в Рф
всего 140.

В Рф термическим насосам внимание фактически
не уделяется. А напрасно. Результаты исследовательских работ русских
ученых в рамках федеральной мотивированной программки «Энергоэффективная экономика» демонстрируют, что эксплуатационные издержки при использовании термических насосов
в качестве источника термический энергии в 3,69 раза меньше,
чем при электрообогреве, в 1,3 раза меньше, чем
при подогреве от газовой котельной, в 2,44 раза меньше,
чем от мазутной, и в 1,9 раза меньше, чем от угольной.

Когенерация. Когенерационные установки (КУ) позволяют производить комбинированное создание
электроэнергии и тепла за счет передачи теплоты, образующейся в процессе работы мотора, через систему
теплообменников в отопительный контур. При всем этом
в среднем на 100 кВт электронной мощности потребитель
получает около 200 кВт термический мощности в виде жаркой
воды (90 °С) для отопления и жаркого водоснабжения.
КУ могут употребляться в масштабах от мини-блоков
для отдельных сооружений и до энергоснабжения больших промышленных объектов либо маленьких населенных
пт.

По пути широкого внедрения КУ идет большая часть
государств Европы. Сейчас толика электроэнергии, вырабатываемой КУ в странах Западной Европы, составляет
более 10%.

Когенерационные установки имеют низкую цена
эксплуатации, установочной мощности (700-1000 $/кВт),
производимой электроэнергии и тепла, они владеют
огромным ресурсом и неопасны. Опыт эксплуатации
имеющихся КУ указывает, что удается обеспечить экономию до 40% природного газа по сопоставлению с раздельным
получением тепла и электричества.

Стирлинг-технологии. Это совсем новенькая разработка автономного энергоснабжения, фактически
не популярная российскому потребителю, но получающая
резвое развитие в продвинутых странах. Широкая универсальность термодинамического цикла Стирлинга, позволяющая при различном конструктивном выполнении создавать как движки, так и термические насосы, наивысшая
энергетическая эффективность (теоретический КПД цикла
безупречной машины Стирлинга равен КПД цикла Карно)
и высочайшая степень экологической чистоты как самих
рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред,
возникающих при их эксплуатации, позволяют создавать на их базе системы автономного энергоснабжения различного многофункционального предназначения (стирлингтехнологии).

Движок Стирлинга, в отличие от других типов движков, является уникальной термический машиной, так как
относится к классу движков с наружным подводом теплоты.
Это исключительное свойство позволяет использовать в движках Стирлинга любые виды горючего, как классические
(нефтепродукты, природный газ, пропан), так и нетрадиционные (древесную породу, биогаз, уголь, отходы деревообрабатывающей индустрии и сельского хозяйства),
также использовать солнечную и любые другие виды
энергии. Многотопливность движков Стирлинга делает
их в особенности симпатичными в области использования
энергии из возобновляемых и местных источников энергии.
По воззрению многих забугорных профессионалов, конкретно
энерго установки с движком Стирлинга, работающие на местном горючем, сыграют решающую роль
в энергообеспечении государств третьего мира. На данный момент в мире
разворачивается создание движков Стирлинга,
работающих на сжигании древесной щепы, пеллет, травы,
рисовой шелухи, биогаза и на энергии солнца. Сделаны
бывалые эталоны и готовится их серийное создание.

Заключение

В Русской Федерации определенные меры по развитию другой энергетики и увеличению энергетической эффективности принимаются. Но в целом
стройная система управления, соответственная значимости
данного сектора энергетики, не сложилась. Содержащиеся
в Энергетической стратегии характеристики носят индикативный
нрав и не являются неотклонимыми для выполнения
правительством страны и органами исполнительной власти
субъектов РФ.

Невзирая на высшую экономическую и экологическую
эффективность другой энергетики, без принятия
федеральных законов и региональных законодательных
актов, закрепляющих систему организационно-правовых
и финансово-экономических мер, направленных на господдержку и стимулирование широкого использования
возобновляемых источников энергии и внедрения
современных энергоэффективных технологий генерации электронной и термический энергии, ее реальное
широкомасштабное применение у нас в стране будет
затруднено.

Для Рф, кроме увеличения энергетической безопасности, социально-экономическая эффективность сотворения и широкого внедрения систем другой энергетики, сначала с внедрением местных видов
горючего, определяется повышением количества рабочих
мест на всех стадиях добычи, производства, транспортировки и использования этих видов горючего, повышением
налоговых поступлений в местные бюджеты, развитием
новых направлений машиностроения, научно-исследовательских работ и отраслевых конструкторских разработок
в этой области.