Оценка солнечного теплоснабжения в России

5.1. Оценка солнечного теплоснабжения в России.

Одной из наиболее технически подготовленных к внедрению технологий использования солнечной энер­гии является технология производства низкопотенци­ального тепла для отопления и горячего водоснабже­ния. Системы солнечного теплоснабжения (CCT) полу­чили достаточно широкое распространение во многих странах мира с благоприятными климатическими усло­виями (США, Австралия, Израиль и др.). Их суммарная мощность в мире в 1997 г. достигла 3 000 МВт [13].

B России масштабы внедрения CCT относительно невелики, несмотря на то что к настоящему времени разработаны и подготовлены к серийному производству солнечные коллекторы, не уступающие по своим техни­ко-экономическим показателям лучшим зарубежным аналогам [14]. Это объясняется целым рядом причин и в первую очередь отсутствием финансовых средств у потенциальных потребителей. Кроме этого, во многих случаях важной причиной является недостаточная эко­номическая эффективность CCT и их неконкурентоспо­собность с традиционными системами теплоснабжения [13]. B России эта проблема стоит особенно остро в связи с более суровыми (по сравнению со странами, внедряю­щими CCT) климатическими условиями и относитель­ной дешевизной органического топлива.

B ряде работ [13,15,16] приведены расчетные показа­тели CCT (удельная выработка энергии, коэффициент замещения нагрузки) для климатических условий Рос­сии, однако вопросам экономической конкурентоспо­собности уделено недостаточное внимание. Цель на­стоящей работы — оценка экономической и экологиче­ской эффективности CCT в условиях конкуренпии с традиционными энергоисточниками в широком ин­тервале изменения наиболее важных параметров: кли­матических условий и цен на органическое топливо. Поскольку эффективность CCT часто весьма сущест­венно зависит от местной специфики, сделана попытка установить лишь наиболее общие закономерности и выявить условия, при которых CCT, хотя бы в прин­ципе, могут найти применение в настоящее время и в перспективе. Поэтому рассмотрены лучшие солнеч­ные коллекторы (максимальная тепловая эффектив­ность и минимальная цена), варианты тепловой схемы с минимальными потерями, а также перспективные (на период до 2010 г.) цены на органическое топливо.

Основной энергетической характеристикой солнеч­ного коллектора является его КПД, равный отношению вырабатываемой (полезной) энергии к приходящей на его поверхность энергии солнечного излучения [17]

где F_R — коэффициент отвода тепла из коллектора;  - поглощательная способность пластины коллектора; - пропускная способность прозрачных покрытий; U_L - полный коэффициент тепловых потерь коллекто­ра, Вт/(м²•⁰C); T₁ , - температура жидкости на входе в коллектор, ⁰C; T_a - температура окружающей среды, ⁰C; I - плотность потока суммарной солнечной радиа­ции в плоскости коллектора, Вт/м² .показывает, что удельная теплопроизводительность q для лучшего коллектора находится в интервале 650...900 кВт•ч/м² в год (Санкт-Петербург - Сочи; Якутск - юг Забайка­лья) и зависит в основном от годового прихода солнеч­ной радиации в данной местности на горизонтальную поверхность Q и в меньшей степени — от распределения интенсивности радиации и температуры воздуха по ме­сяцам, которые обусловливают лишь небольшой разброс точек относительно аппроксимирующих зависимостей q(Q). B дальнейших расчетах применялась зависимость для лучшего коллектора (тип 2). Следует отметить, что полученные значения q примерно на 20 % превышают теплопроизводительность [15], определенную с учетом потерь CCT из-за неполного использования тепла.

 Основной экономической характеристикой CCT, как и любого энергоисточника, является стоимость вы­рабатываемой энергии (отношение суммарных дискон­тированных затрат к суммарному дисконтированному отпуску энергии) [18]

 ,

где k — удельные капиталовложения, дол/м²;  - ко­эффициент дисконтирования; - отношение годовых эксплуатационных затрат к капиталовложению; T_L - срок службы.

Стоимость энергии представляет собой минималь­ную цену энергии CCT, при которой проект окупается к концу срока службы T_L, который составляет 10—15 лет. Такой срок окупаемости достаточно велик, особенно для частного инвестора.

Следует отметить, что поскольку CCT вырабатыва­ет энергию существенно неравномерно во времени, то для надежного и бесперебойного энергоснабжения по­требителя практически всегда должны применяться дублирующие энергоисточники, например, на органи­ческом топливе. Поэтому при сопоставлении конкури­рующих вариантов (система теплоснабжения с исполь­зованием солнечной энергии и без нее) стоимость выра­батываемой энергии нужно сравнивать с топливной составляющей Sf стоимости энергии энергоисточника на органическом топливе, т.е. критерий экономической эффективности CCT имеет следующий вид: S < Sp

Анализ удельной стоимости разрабатываемых и про­изводимых в настоящее время коллекторов [13] пока­зывает, что для зарубежных изделий она находится в ин­тервале 290...500, а отечественных — 100...250 дол/м² . Для всей системы солнечного теплоснабжения (с учетом затрат в другие ее элементы — трубопроводы, насосы, теплоноситель, теплообменники, бак-аккумулятор) удельные капиталовложения, приведенные к единице площади коллектора, увеличиваются, как правило, в 1,5-2раза.

 Принимая достаточно оптимистическую оценку стоимости CCT k = l50 дол/м2 , а также долю эксплуата­ционных затрат δ = 0,05, коэффициент дисконтирова­ния σ = 0,07 1/год (для перспективных условий, предпо­лагающих экономическую стабилизацию и доступ­ность финансовых средств для инвестирования проек­та), можно определить стоимость тепловой энергии CCT, которая для климатических условий Рос­сии при сроке окупаемости проекта T0 = 3-15 лет на­ходится в диапазоне S = 2,6...9,8 цент/(кВт• ч).

При сопоставлении стоимости энергии S с топлив­ной составляющей стоимости энергии альтернативных энергоисточников SF нецелесообразно пользоваться фактическими российскими данными по стоимости то­плива вследствие их недостаточной стабильности в на­стоящее время. Более надежной и объективной их оценкой являются значения, полученные на основе оп­тимизации перспективных топливно-энергетических балансов страны для различных сценариев развития энергетики. B настоящей работе использован широкий интервал изменения цен (от цен самофинансирования до мировых) по регионам России для периода 2006- 2010гг.[19].

 Достаточно распространенный способ учета эколо­гического эффекта НВИЭ — включение в стоимость энергии, производимой альтернативным энергоисточ­ником на органическом топливе, составляющих, учи­тывающих ее «внешнюю» стоимость (ущерб, наноси­мый окружающей среде, здоровью людей, отраслям экономики и т.п.). Получаемые таким образом оценки, лежат, как правило, в очень широком интерва­ле, что затрудняет получение на их основе конкретных выводов. Другой способ - учет затрат, требуемых для обеспечения определенного уровня выбросов вредных веществ в окружающую среду. Расчеты, выпол­ненные с применением десятирегиональной модели мировой энергетической системы GEM-IOR [14], пока­зывают, что для стабилизации выбросов тепличных га­зов на уровне 1990 г. необходимы дополнительные за­траты, которые в 2025 г. изменятся (в зависимости от сценариев внешних условий развития энергетики) от 60 до 200 дол/т углерода, выбрасываемого в окру­жающую среду в виде CO2. Ориентируясь на эти значе­ния, можно приближенно оценить изменение эффек­тивности CCT при введении соответствующего налога на органическое топливо для стабилизации выбросо­тепличных газов.

B таблице представлены результаты сопоставления стоимости тепловой энергии, вырабатываемой CCT, (срок окупаемости 3-15 лет) в пяти регионах России (для последних трех рассмотрена только их южна» часть) и конкурирующими энергоисточниками — мелкими и средними котельными или индивидуальными отопительными установками на угле, газе или мазуте, а также системами электроотопления (электроэнергию вырабатывает крупная ТЭС на угле). Цены на топливо [19] увеличены на 20 % для учета затрат на внутрире­гиональный транспорт. Интервал стоимости тепловой энергии определен без учета налога на выбросы, кроме этого установлен минимальный налог на эмиссию дву­окиси углерода, при котором CCT становятся конку­рентоспособными.

 B таблице представлены результаты сопоставления стоимости тепловой энергии, вырабатываемой CCT, (срок окупаемости 3-15 лет) в пяти регионах России (для последних трех рассмотрена только их южная часть) и конкурирующими энергоисточниками — мелкими и средними котельными или индивидуальными отопительными установками на угле, газе или мазуте, а также системами электроотопления (электроэнергию вырабатывает крупная ТЭС на угле). Цены на топливо [19] увеличены на 20 % для учета затрат на внутрире­гиональный транспорт. Интервал стоимости тепловой энергии определен без учета налога на выбросы, кроме этого установлен минимальный налог на эмиссию дву­окиси углерода, при котором CCT становятся конку­рентоспособными.

5.2.Разработка и внедрение первой в районе Сочи солнечно-топливной котельной.

B децент­рализованных системах теплоснабжения НВИЭ уже сейчас при наличии благоприятных условий (к ним можно отнести и повышенные экологиче­ские требования для рекреационных регионов) могут составить реальную конкуренцию традици­онным котельным на органическом топливе, при­чем самым выгодным представляется применение комбинированных установок. K числу наиболее экономически и экологически эффективных устройств НВИЭ относятся прежде всего солнеч­но-коллекторные и теплонаносные установки [8-10]. При этом среди энергоустановок, в кото­рых выгодно использование энергии солнца, сле­дует выделить комплексы, создаваемые на базе отопительных котельных, работающих на органи­ческом топливе. B этом случае гелиоустановка представляет собой пристройку к котельной, обес­печивающую покрытие большей части нагрузки горячего водоснабжения в теплое время года.

Как известно, первая на территории бывшего CCCP солнечно-топливная котельная, разработан­ная ЭНИН им. Кржижановского, была построена для гостиницы "Спортивная" в Симферополе. Она была оборудована отопительными котлами на при­родном газе и солнечными коллекторами площа­дью 204 м². Эта гелиоустановка обеспечила эконо­мию 20 % годового расхода природного газа и покрытие до 80 % нагрузки горячего водоснабже­ния [10]. Гелиосистема была выполнена в виде солнечной приставки к имевшейся котельной. B Краснодарском крае в доперестроечный период под руководством B. A. Бутузова [9] было постро­ено пять подобных установок. Анализ работы солнечно-топливных котельных на современном этапе показывает их достаточно высокую эффек­тивность как в части экономии топлива и обеспе­чения экологической безопасности, так и по капи­тальным затратам. B таких системах достигаются наибольшие к. п. д. солнечных коллекторов, боль­шая продолжительность сезона работы и повы­шенная эксплуатационная надежность. Одним из наиболее существенных достоинств этих устано­вок является частичное использование существую­щего оборудования, а также возможность их об­служивания штатным персоналом котельной. Для комбинированного подогрева подпиточной воды солнечно-котельные установки в южных регионах могут работать в круглогодичном режиме.

B Краснодарском крае, обладающем большим потенциалом солнечной энергии, эксплуатируются 36 гелиоустановок общей площадью 2700 м² [11]. B сочинском санатории "Лазаревское" функциони­рует крупнейшая на побережье гелиосистема пло­щадью 400 м².

Котельная в пос. Солоники Лазаревского райо­на Сочи мощностью 1 МВт предназначена для ото­пления и горячего водоснабжения четырех жилых трехэтажных домов. B котельной установлено че­тыре котла типа "Универсал-5М", работающих на каменном угле, тепловой мощностью 0,259 МВт с площадью поверхности нагрева 33.1 M^ каждый без систем газоочистки и утилизации теплоты уходящих газов. Имеется также бак-аккумулятор вместимостью 25 м³. B конце 1995 г. администра­цией района было принято решение о реконструк­ции котельной с преобразованием ее в солнечно-топливную. Это мотивировалось высокой стоимо­стью и трудностью доставки органического топли­ва, а также необходимостью улучшения экологи­ческой обстановки в речной долине поселка на фоне благоприятных для работы солнечно-коллек­торных установок климатических условий.

Первая очередь гелиосистемы котельной пло­щадью 250 м² предусматривает покрытие около 35 % расчетной годовой нагрузки горячего водо­снабжения поселка. Котельная имеет два независи­мых контура циркуляции - отопления и горячего водоснабжения по закрытой схеме. Принципиаль­ная схема солнечно-топливной котельной преду­сматривает сооружение дополнительного контура циркуляции, включающего в себя блоки солнеч­ных коллекторов, циркуляционные насосы и ба­ки-аккумуляторы с дополнительным баком вмести­мостью 20 м³.

Установка может работать в сезонном и круг­логодичном режимах эксплуатации. Температура нагретой воды - - 55 ⁰C, время аккумулирования энергии в баке-аккумуляторе краткосрочное (l-2cут). Дублирующим источником энергии служат существующие водогрейные котлы. Гелио­установка представляет собой систему солнечных коллекторов, состоящую из пяти модулей, которые в свою очередь разделены на блоки по 10 кол­лекторов в каждом. Система обвязки трубопрово­дов - попутная, каждый блок может быть от­ключен индивидуально.

Солнечные коллекторы располагаются па плос­кой крыше котельной и специальной эстакаде. При проектировании учитывалась возможность ча-грязнения коллекторов уносом из дымовой трубы, для предотвращения последствий которого выпол­нена система водяного смыва с поверхности кол­лекторов. Проектом предусмотрено использование солнечных коллекторов "Радуга" производства НПП "Конкурент" (г. Жуковский Московской обл.). Поглощающая панель коллектора - - штампосвар-ная из листовой нержавеющей стали, покрытие панели - - селективное, выполненное напылением в вакуумной камере. Корпус изготовлен из специ­ального анодированного алюминиевого профиля, тепловая изоляция - - комбинированная (из база­льтового волокна в алюминиевой фольге и пено­полиуретана). Прогнозируемый срок службы кол­лектора - 15 - 20 лет.

Значения к. п. д. установки зависят от годового изменения климатических условий и температуры подаваемого теплоносителя, поэтому моделирова­ние изменения K.II.Д. в годовом и суточном циклах - достаточно сложная задача. B данном слу­чае были рассчитаны месячные суммы солнечной радиации на наклонную поверхность коллекторов, при этом усредненные значения к. п. д. принимались равными 0,35 - 0,6 в зависимости от режима работы гелиоустановки и расчетного месяца. Рас­четное годовое удельное количество суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность гелиоустановки составляет 1860кВт•ч/м², а за се­зон с апреля по октябрь - 1350кВт•ч/м². Рас­четное количество тепла, вырабатываемое гелио­системой при сезонной работе, равно 175МВт•ч, при круглогодичной работе - 227,3 МВт•ч.

Как показали технико-экономические расчеты, срок окупаемости гелиосистемы котельной в пос. Солоники (с учетом инфляции) составляет 3 - 6 лет в зависимости от режима работы уста­новки, что является очень хорошим показателем для энергетического оборудования. При этом уме­ньшается количество вредных выбросов в окружа­ющую среду: золы - на 3,4; окислов серы, азота и углерода - на 10; углекислоты - на 156т в год.

B настоящее время должны быть возобновле­ны прекращенные из-за недостатка финансирова­ния из местного бюджета работы по монтажу первой очереди солнечно-топливной котельной. Сооружение второй очереди намечено после запу­ска, испытаний и проверки принятых конструк­тивных решений гелиосистемы первой очереди.

Можно констатировать, что внедрение комби­нированных солнечно-топливных котельных один из наиболее перспективных путей повыше­ния эффективности и экологической безопасности существующих коммунальных котельных. Ha тер­ритории России эксплуатируется более 75 тыс. отопительных котельных жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) с суммарной тепловой мощно­стью 690,5 тыс. Гкал/ч. Потребление топлива (в пересчете на 1 т условного топлива) составляет 217,4 млн. т, из них только 41 % - • природный газ, около 47 % твердое топливо, 12 % жидкое и прочие виды топлива (торф, дрова) [8]. B 1997 r. валовые выбросы вредных веществ в атмосферу предприятиями ЖКХ в целом по Рос­сии составили 677,68 тыс.т, что на 3,1% больше, чем в предыдущем году [12]. При этом существен­но возросли выбросы жидких и газообразных ве­ществ, в том числе оксида углерода (на 7,2 %), оксидов азота (на 3,8 %), сернистого ангидрида (на 2,1 %). Это прежде всего связано с продолже­нием эксплуатации маломощных котельных, не имеющих установок для очистки дымовых газов.

B Краснодарском крае в 1999 г. валовой вы­брос загрязняющих веществ в атмосферу пред­приятиями энергетики составил 15,71тыс.т, или 15,3% общего выброса предприятиями края, что также осложняет экологическую ситуацию в курор­тном регионе. Ha предприятиях теплоэнергетики не сооружают установки очистки отходящих дымовых газов, на котлоагрегатах отсутствуют конт­рольно-измерительные приборы для поддержания оптимального режима горения, эксплуатируется устаревшее котельное оборудование.

Поэтому работы по проектированию и внедре­нию комбинированных солнечно-топливных коте­льных, использующих наиболее экологически бе­зопасное топливо и оборудованных системами очистки дымовых газов, что способствует улучше­нию экологической обстановки в регионе, должны получить широкую поддержку со стороны власт­ных структур и муниципальных предприятий, обеспечивающих централизованное теплоснабжение потребителей. Это особенно важно для региона Сочи, характеризующегося высокими требованиями к экологической безопасности рекреационной зоны, на фоне благоприятных для внедрения энергоуста­новок на базе НВИЭ природно-климатических условий. B этом плане опыт, полученный при разработке солнечно-топливной котельной в пос. Солоники Лазаревского района Сочи, представля­ется весьма полезным и должен учитываться при формировании региональных программ энерго­снабжения и устойчивого развития территории.

Похожие работы

Развитие солнечной энергетики

Скачать

44807

2

2

... . Солнечные электростанции. Солнечные батареи. Широкий спектр применения солнечных батарей. Энергопассивные дома. Город «Солнца». Ограничение масштабов использования фотоэлектрических солнечных батарей. Главная помеха для развития солнечной энергетики – земная атмосфера. Идея космической СЭС. Перспективы развития солнечной энергетики в России. 2.2. Ветровая энергия Ветер служит человеку. ...

Преобразование солнечной энергии

Скачать

20456

1

0

... материалов, специфическая планировка помещения, размещение окон. 3) Непосредственные или «прямым» - системы, преобразовывающие солнечную энергию в ходе одного уровня или этапа. 4) «Непрямые» технологии - системы, процесс функционирования которых включает в себя многоуровневые преобразования и трансформации для получений требуемой формы энергии. Исходя из выше представленной классификации групп ...

Альтернативная водородная энергетика как элемент школьного раздела химии: "Физико-химические свойства водорода"

Скачать

87142

4

4

... период многие страны приняли решение о полном или постепенном отказе от развития атомной энергетики. 1.3 Особенности альтернативной водородной энергетики Водородная энергетика включает следующие основные направления: Разработка эффективных методов и процессов крупномасштабного получения дешевого водорода из метана и сероводородсодержащего природного газа, а также на базе разложения воды; ...

Проблемы развития экологических мероприятий в энергетике России

Скачать

55087

0

4

... варианте при максимальном потреблении энергоресурсов в 2020 г. составят 99% от уровня соответствующих выбросов в 1990 г., а в 2030 г. превысят их на 3…4%.   Экологические проблемы развития электроэнергетики в РАО «ЕЭС России» Основными факторами, определяющими экологическую нагрузку при производстве электрической энергии, являются: Наличие высокого уровня валовых выбросов вредных веществ в ...