Непрерывный опережающе быстрый рост цен на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР), запасы которых могут быть исчерпаны в ближайшей исторической перспективе, а также значительное загрязнение окружающей среды выбросами при их сжигании приводит к пониманию необходимости более рационального и экономного расходования ТЭР и использования альтернативных источников энергии, к числу которых относятся вторичные энергоресурсы (ВЭР) и возобновляемые источники энергии (ВИЭ).

В настоящее время в Астраханской области, как и в России, в целом, начало осуществляться массовое строительство малоэтажных жилых зданий. Такое строительство требует экономичного и экологически чистого инженерного оборудования коттеджей, т. е. создания малых энергоэкономичных комплексов (МЭК) систем водо-, тепло-, газо- и электроснабжения. Аналогичные задачи возникают и при строительстве ряда других объектов, к числу которых можно отнести фермерские хозяйства, туристические и санаторно-курортные комплексы и др. С учетом природно-климатических условий, наличия ТЭР, особенностей систем водо- и электроснабжения могут быть применены различ­ные энергоресурсы (Н.Д. Шишкин, 2000).

Энергосистемы с ВИЭ обладают несколькими несомненными преимуществами, к числу которых относятся: повсеместность местонахождения, неисчерпаемость, минимальное влияние на окружающую среду, бесплатность, безопасность эксплуатации и достаточно высокая эстетичность. Следует, однако, отметить и некоторые недостатки энергосистем с ВИЭ, к числу которых относятся: низкая интенсивность потока энергии, сравнительно высокая стоимость оборудования и низкая стабильность выходной мощности.

Таким образом, в большинстве случаев, особенно при использовании в небольших энергокомплексах, ВИЭ будут более предпочтительными, чем ТЭР. Некоторые недостатки ВИЭ можно свести к минимуму, используя концентраторы и аккумуляторы энергии, а стоимость оборудования может быть существенно снижена при применении более совершенных систем преобразования ВИЭ и их рационального агрегирования в МЭК.

Следует отметить, что известные типы преобразователей ВИЭ имеют такие технико-экономические показатели, в первую очередь, удельные капитальные затраты, которые не позволяют им успешно конкурировать с энергоустановками на традиционных топливных источниках энергии. Поэтому весьма актуально совершенствование процессов преобразования энергии в используемую потребителями тепловую и электрическую энергию для достижения лучших энергетических и технико-экономических показателей, чем у известных аналогов.

На кафедре теплогазоснабжения и вентиляции Астраханского инженерно-строительного института и в Лаборатории нетрадиционной энергетики ОЭП СНЦ РАН (при АГТУ) выполнен ряд исследований и разработок по трансформаторам ВИЭ и комплексному их использованию в системах теплогазоснабжения различных объектов. Выполнена оценка ресурсов ВИЭ в Астраханской области, проведен ряд исследований и разработок новых типов преобразователей ВИЭ: многоступенчатых гелиоустановок, механических ветротеплогенераторов, биогазовых установок с гелиоустановками и ветротеплогенераторами для подогрева биомассы.

Сравнительная оценка ресурсов ВИЭ в Астраханской области и в том числе в г. Астрахани приведена в табл. 31. Основная часть ресурсов ВИЭ (82,34 %) приходится на долю солнечной энергии, на долю ветровой энергии приходится 17,40 %, а на долю гидроэнергии и биогаза приходится лишь 0,26 % технических ресурсов ВИЭ.

Таблица 31.

Сравнительная оценка технически реализуемых ресурсов ВИЭ в Астраханской области и в том числе в г. Астрахани, млн. т у. т./год ( Н. Д. Шишкин, 2000).

Такое соотношение между ресурсами рассматриваемых видов ВИЭ отражает тот факт, что ветровая энергия, гидроэнергия и биогаз, получаемый из органических отходов, являются по существу вторичными, производными от солнечной энергии, которая участвует и в образовании конвективных потоков атмосферы, вызывающих ветер и в течении рек, вызванных круговоротом воды за счет испарения и конденсации, а также в реакциях биосинтеза, результатом которой являются органические вещества растительного и животного происхождения а, в конечном итоге, их отходы в виде навоза, твердых бытовых отходов и шлама. Необходимо отметить, что в отличие от солнечной и ветровой энергии, ресурсы которой достаточно равномерно распределены в пределах всей площади Астраханской области, ресурсы гидроэнергии и биогаза сосредоточены в определенных местах на достаточно ограниченных площадях.

Предлагаемые преобразователи используют новые технологии и технические решения, направленные на совершенствование процессов преобразования энергии, что позволяет достигнуть значительно более высоких энергетических и технико-экономических показателей. В многоступенчатых гелиоустановках подогрев теплоносителя осуществляется за счет однократного последовательного протекания через несколько ступеней разнородных элементов, работающих в разных температурных режимах, но с одинаковой экономической эффективностью. В механических ветротеплогенераторах осуществляется прямое превращение ветровой энергии в тепловую энергию потоков высоковязкой жидкости. В биогазовых установках для подогрева органических отходов до необходимой температуры используется не часть получаемого в них биогаза, а гелиоустановки и ветротеплогенераторы оригинальных конструкций.

Капитальные затраты на гелиоустановки с многоступенчатыми гелиоколлекторами в 1,3-1,5 раза меньше, чем на гелиоустановки циркуляционного типа, капитальные затраты на фрикционные ветротеплогенераторы в 1,6-1,7 раза меньше, чем на ветроэнергоустановки известных типов той же мощности, а КПД предлагаемых биогазовых установок в 1,3-2,5 раза больше, чем у биогазовых установок с подогревом за счет части получаемого биогаза. Наиболее эффективно комплексное использование предлагаемых типов гелиоустановок, ветроэнергоустановок, биогазовых установок и тепловых аккумуляторов в системах автономного теплогазоснабжения жилых и производственных зданий, фермерских хозяйств, санаторно-курортных и туристических комплексов. Это позволит в 2-3 раза сократить потребление ТЭР, а в ряде случаев позволяет практически полностью отказаться от их применения.

В настоящее время в автономных энергокомплексах в Астраханской области наиболее экономически эффективными, простыми и надежными представляются варианты совместного применения ТЭР (природного газа) и ВИЭ. В ряде случаев в МЭК могут применяться также ВЭР и тепловые насосы.

Анализ потребления тепловой энергии в течение года и совместной выработки тепловой энергии рядом энергоустановок, использующих ВИЭ, показал возможность такого их агрегирования, при котором наблюдается достаточно близкое ежемесячное соответствие выработки и потребления тепловой энергии. Были сделаны расчеты вариантов совместного использования нескольких источников энергии в МЭК.

В качестве примера в табл. 32 приведены годовая выработка и потребление тепловой энергии в различных вариантах МЭК для малоэтажного жилого здания площадью 120 м² в г. Астрахани. Как видно из табл. 32, совместное использование ССГВ (с площадью гелиоколлектора 5 м²) и ВЭУ (например, двух установок типа АВЭУ-4-6м, мощностью по 4 кВт каждая), позволяет в 2,8 раз сократить потребление природного газа на теплоснабжение. Дополнительное применение ПССО (стены Тромба площадью 39,2 м²) позволит уменьшить потребление природного газа в 10,9 раза. Оба варианта достаточно просты, надежны и могут быть применены в газифицированных районах, а также в тех районах, куда сможет быть обеспечена доставка сжиженного газа. Более эффективными, не требующими затрат природного газа, а, главное, практически экологически чистыми вариантами, являются варианты МЭК 3-7. В них кроме ССГВ, ПССО и ВЭУ используются также УТСВ и ТНУ, приводимые от ВЭУ, а в период безветрия от электросети. Одним из наиболее эффективных представляется вариант 6, в котором в ТНУ используется поршневой компрессор мощностью 4,8 кВт. В этом варианте не только полностью покрывается нагрузка системы теплоснабжения, но и дополнительно получается одной ВЭУ типа АВЭУ-4-6м для системы электроснабжения здания 2778 кВт.ч электроэнергии, что позволяет на 41% покрыть потребность жилого дома в электроэнергии. В варианте 7 в качестве низкопотенциального тепла используется тепло сточных вод, что позволяет не только полностью покрыть тепловую нагрузку системы теплоснабжения, но и выработать дополнительно 4681 кВт.ч электроэнергии и обеспечить 70 % потребности в электроэнергии. В варианте 5 за счет ССГВ, ПССО, двух ВЭУ типа АВЭУ-4-6М и УТСВ полностью покрывается нагрузка систем теплоснабжения и электроснабжения. Этот вариант может быть использован для полностью автономного энергоснабжения коттеджа.

Таблица 32.

Годовая выработка и потребление тепловой энергии в различных вариантах МЭК для малоэтажного здания в г. Астрахани, ГДж (Н.Д. Шишкин, 2000)

Примечания: * - используется для привода ТН;

                 ** - частично используется для электроснабжения.

С ростом цен на топливно-энергетические ресурсы (и в частности на природный газ), ужесточением экологических требований к энергоисточникам и совершенствованию систем преобразования и аккумулирования ВИЭ их доля в МЭК систем теплогазоснабжения будет непрерывно возрастать. Такие энергокомплексы будут эволюционировать и, в конечном счете, трансформируются в МЭК, использующие лишь ВИЭ.

Предложенные устройства по использованию ВИЭ защищены патентами и опробованы в лабораторных и производственных условиях. Разработана техническая документация, в том числе и в форме дипломных проектов автономного теплоснабжения многоэтажных зданий, фермерских хозяйств и домов усадебного типа. Разработка автономных систем инженерного обеспечения с применением ВИЭ рекомендована Ассоциацией крестьянских фермерских хозяйств для внедрения в хозяйствах, удаленных от централизованных систем энергоснабжения. Предложенные автором технологии и устройства по использованию ВИЭ включены в региональную программу "Энергосбережение в Астраханской области в 1999-2005 годах".

Исследования и разработки выполнялась автором при поддержке Администрации Астраханской области (проект 1993-94 гг. "Разработка автономных систем инженерного, обеспечения типичного фермерского хозяйства Астраханской области") и Фонда Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (индивидуальный проект 1998-99 гг. "Малые экологически чистые комплексы с возобновляемыми источниками энергии" ( Н. Д. Шишкин, 2000).