• Содержание номера
  • Рейтинг:  0 
 

Инновационная энергетика на новых физических и экономических принципах

 

Автор

Шарков Виктор, Действительный член (академик) Академии инженерных наук им. А. М. Прохорова, директор-куратор инновационных проектов НПК "Аттрактор", докт. техн. наук

 

    Времена, когда наше общество считало физиков чуть ли не богами, способными решать любые проблемы, в том числе и экономические, давно прошли. Но методы аналитических и экспериментальных исследований, взятые из точных наук, могут быть эффективно использованы и для решения экономических проблем, в частности в сфере энергетики. Надеюсь, что полученные профессиональным инженером-физиком результаты анализов, прогнозы и рекомендации по поиску оптимальных путей развития инновационной энергетики1, соображения о ее месте в экономике страны и взаимоотношениях с <большой> энергетикой будут интересны профессиональным экономистам, энергетикам и менеджерам.
    Разговоры о необходимости развивать нетрадиционные, экологически чистые источники энергии сегодня не только модны, но и совершенно обязательны как для солидных политических мероприятий и научных конференций, так и для частных бесед профессионалов. Все соглашаются, что рост потребления человечеством энергии уже в обозримом будущем может привести к катастрофическим изменениям в биосфере планеты.
    Казалось бы, решение этой проблемы очевидно: надо лишь переориентировать энергетиков на развитие более безопасных в экологическом отношении источников энергии. Поэтому политики сегодня пишут указы, ученые просят ВАК открыть новые <хлебные> научные специальности, а обыватели? привычно занимают выжидательную позицию. Но на практике, к сожалению, никаких сдвигов не происходит. И многие производства из-за огромных и быстро растущих затрат на энергопотребление очень скоро могут стать неконкурентоспособными2.
    Реальная опасность близкого энергетического коллапса заставляет мобилизоваться и физиков, и экономистов, и специалистов самого разного профиля для поиска решения этой болезненной для всех проблемы. Результаты одного из таких поисковых исследований для типичного крупного отечественного научного института приведены ниже. Полученные данные проанализированы автором, и на их основе сформулированы конструктивные рекомендации, интересные в практическом отношении не только для научных организаций, но, хотелось бы надеяться, и для промышленных предприятий и коммунально-бытовой сферы. Поиск нетрадиционных, но обязательно эффективных решений в системе энергоснабжения конкретного потребителя с учетом прогноза изменения ситуации в стране естественным путем привел автора к необходимости рассмотрения общих проблем инновационной энергетики, ибо давно известно, что нельзя <построить коммунизм в отдельно взятой деревне>. Для практики наиболее интересны прогнозы и рекомендации на ближайшую перспективу, т. е. на 5-10 лет. Эти вопросы будут рассмотрены в следующих публикациях.

    Инновационная энергетика в системах энергосбережения предприятий
    Проанализируем ситуацию с энергоснабжением и энергосбережением на примере типичного крупного ФГУП ГНЦ3, расположенного в одном из подмосковных городов.
    Выбранный для анализа ГНЦ имел в 2001 г.4 следующие характерные параметры:
    1. Электропотребление: ~5 млн кВт.ч.
    2. Потребление тепловой энергии: ~35 тыс. Гкал.
    3. Около 200 производственных корпусов и административных зданий размещены на площади ~1 кв. км. Они соединены 80 км труб горячего и холодного водоснабжения. Имеется резервная система оборотного водоснабжения, функционируют артезианские скважины.
    В настоящее время одна из наиболее острых проблем любого ГНЦ - техническая деградация быстро стареющей системы внутреннего теплоснабжения. Эта проблема самым катастрофическим образом дополняется необходимостью платить все большие и большие суммы денег за внешнее теплоснабжение. Стоимость тепла, получаемого от ТЭЦ, в период проведения анализа росла на 35% в год. Очевидно, что подобная финансовая нагрузка будет негативно сказываться на экономических, а как следствие и на научных результатах работы ГНЦ.
    Одно из научных направлений работ связано с созданием и опытной эксплуатацией мощных квазистационарных источников энергии. Это, например, индуктивные накопители энергии и магнитогидродинамические генераторы электрических импульсов со сверхпроводящими магнитами. Здесь много лет успешно работают с механическими накопителями энергии (маховиками с энергией более 109 Дж) и термоаккумуляторами, запасающими тепловую энергию ~109 Дж в фазовом переходе вещества. Многие сотрудники предприятия имеют опыт работы с мощными автономными источниками энергии различных типов. Поэтому при разработке рекомендаций по оптимизации энергоснабжения ГНЦ было решено в максимальной степени использовать его интеллектуальный потенциал.
    С целью скорейшего исправления тяжелой ситуации с теплоснабжением были рассмотрены два полярных варианта:
    1) уменьшение тепловых потерь на теплотрассах и в зданиях давно известными, традиционными способами типа изоляции труб, закрытия форточек, утепления чердаков и т. п.;
    2) немедленное привлечение в систему теплоснабжения ГНЦ новейших генераторов тепла, использующих нетрадиционные способы получения энергии, таких как вихревые теплогенераторы, тепловые насосы, радиоизотопные <вечные> источники тепла и т. п.
    Первый подход к решению проблемы энергосбережения, как показывают результаты исследований, приведенные в табл. 1, неэффективен. Широко рекламируемые еще с советских времен методы <заплаток> на трубы и уплотнение швов на стенах зданий не могут быстро исправить ситуацию. Как видно из таблицы, это, как правило, дорогостоящие операции, а некоторые из них окупятся лишь через 20 лет. Поэтому приоритетным в энергосбережении ГНЦ было принято направление, связанное с совершенствованием систем контроля и управления энергопотоками не вообще на его территории, а в каждом конкретном здании или даже в отдельном лабораторном зале. В этом случае уже за первый год можно достичь 40-50%-ного снижения затрат на теплоснабжение.

Инженерные мероприятия Стоимость работ
(Евро)
Срок окупаемости
(годы)
Управление тепловыми потоками потребителя А 1
Теплоизоляция стен 22 А 23
Изоляция чердака и кровли 15 А 9
Ремонт оконных рам и проемов 7 А 5
Изоляция труб 1,3 А 2
Оптимизация КИП в котельной (мазут, газ, ТЭН) 10 А 3
ИТОГО: 41690 (А = 740 евро) <7

    На практике реализация концепции управления тепловыми потоками привела к внедрению на рассматриваемом ГНЦ метода циклического энергоснабжения, базовая идея которого состоит во включении в существующую систему теплообеспечения предприятия дополнительных пиковых теплогенераторов. Оказалось, что использование таких установок для обеспечения пиковых потребностей в тепле в течение даже 5-10% отопительного сезона снижает затраты на отопление на 30-50%. Очень важно, что эти источники энергии рассчитаны на работу в продолжение примерно 10% срока отопительного сезона, следовательно, они не обязаны обладать высоким ресурсом. Это резко удешевляет и ускоряет их внедрение.
    В рассматриваемом случае в качестве основного типа пикового теплогенератора была выбрана комбинация <вихревой теплогенератор + тепловой аккумулятор>. Как видно из рис. 1, перспективы самостоятельного применения вихревых установок на первый взгляд нисколько не лучше, чем у вполне традиционных и менее экзотических типов теплогенераторов - микрокотельных. Автоматизированные газовые котельные при действовавших ценах на газ казались вне конкуренции. Однако были все основания полагать, что тарифы на газ и жидкое топливо в последующие годы будут расти опережающими темпами. С учетом такого прогноза газовая микрокотельная уже не является единственно возможным решением проблемы пикового теплоснабжения предприятия. Поэтому при сложившемся в последние годы графике изменения зимней температуры с циклической, импульсно-периодической формой (рис. 2) у предприятий появилась реальная возможность вдвое сократить плату за внешнее теплоснабжение за счет использования комбинаций <вихрегенератор + тепловой аккумулятор> при минимальных капитальных затратах в течение одного отопительного сезона5.
    К сожалению, практически все известные источники инновационной энергетики надежно работают только в периодическом (малоресурсном) режиме, поэтому применение установок ИЭ вместо постоянно работающих традиционных котельных пока сомнительно. Российским инженерам только предстоит построить и испытать стационарные генераторы ИЭ с тепловой мощностью 0,1-1,0 МВт. Разработка установок с тепловой мощностью более 10 МВт и вовсе дело отдаленного будущего.
    Помимо развития собственных пиковых мощностей на основе нетрадиционных источников энергии при оптимизации теплоснабжения рассматриваемого ГНЦ, были применены и другие нетрадиционные решения. Описание одного из них приводится ниже.

    Энергосбережение как искусство
    Как искусство, энергосбережение может быть любым, кроме скучного. В процессе разработки концепции оптимизации энергоснабжения ГНЦ обнаружилось немало ярких примеров творческого, живого отношения инженеров советской научной школы к сформированным по-новому проблемам энергосбережения. Опишем одно из таких технических решений, позволяющее практически без капитальных затрат обеспечить двукратное снижение потребления тепла при обогреве лабораторного зала площадью ~100 x 30 м и высотой ~30 м.
    Проведенные исследования подтвердили широко известный факт, что в данном случае основные потери тепла происходят через гигантскую площадь крыши зала. Фактически мы топим атмосферу. Тепло к крыше переносится за счет мощных конвективных потоков от основных обогревательных батарей, размещенных в нижней части зала. Противопожарные требования и заданные условия эксплуатации оборудования не позволяли построить фальшпотолок. Но никто не запрещает примерно на половине высоты зала растянуть легкую нейлоновую сетку типа волейбольной (рис. 3). Такая сетка не препятствует вентиляции вредных выбросов от работающего оборудования, но примерно на порядок снижает перенос тепла к крыше за счет ослабления конвекции воздуха. При этом, конечно, изменится эпюра распределения температуры воздуха по высоте. Вверху станет холоднее, но в нижней, жилой зоне зала гарантируется заданный уровень температурного комфорта.

    Выводы
    Применение инновационной энергетики в системах энергосбережения практически любого предприятия имеет хорошие перспективы.
    В целом работы по энергосбережению с привлечением ИЭ способствуют заметному улучшению инвестиционного климата на предприятии, что в современных рыночных условиях может стать решающим фактором в пользу развития подобных работ.
    Итоги проведенного выше анализа таковы:

  • новых специалистов в области энергосбережения уже нельзя воспитывать как отступающую армию: менеджерам на предприятиях предстоит осознать растущую роль инновационной энергетики и найти ей место в системах энергоснабжения своих предприятий, в первую очередь в энергосбережении;
  • быстрый, эффективный и адекватный ответ на кризисную ситуацию с теплоснабжением состоит в том, чтобы задействовать собственный технологический и, главное, интеллектуальный ресурс предприятия;
  • на первом этапе необходимо и достаточно внедрить на предприятиях интеллектуальную малую инновационную энергетику: речь идет об оперативном, гибком управлении графиком получения и использования заказанных и строго контролируемых вами (!) потоков тепла на своем предприятии6;
  • установить срок окупаемости оперативной системы внешне-внутреннего теплообеспечения в пределах одного отопительного сезона;
  • в качестве автономных источников энергии (тепла) российские изобретатели нетрадиционных энергетических установок уже предложили промышленности достаточно много вариантов устройств [6, 9]; особое внимание, по-видимому, следует уделить вихревым теплогенераторам.
        Развитие интеллектуальной малой энергетики в нашей стране может уже в ближайшие 10 лет существенно улучшить экономические показатели как промышленных предприятий, так и бюджетных организаций и коммунальной сферы. Более того, именно на основе новых технологий ИЭ могут быть созданы действительно работоспособные частные предприятия ЖКХ, конкурирующие с МУП и ГУП.
        И еще одно замечание: малая инновационная энергетика не является конкурентом большой энергетики (ТЭЦ, ГЭС, АЭС). Два данных направления в технике и экономике развиваются и будут еще очень долго жить в различных фазовых пространствах, дополняя друг друга: в рассмотренном выше примере потребитель, используя дешевое ночное электричество, с помощью вихревого теплогенератора, где для раскрутки потоков воды применяется электромотор, закачивает тепло в тепловой аккумулятор (соляной раствор, аккумулятор с фазовым переходом вещества и т. п.), а потом использует в дневное рабочее время. В таком симбиозе реализуется максимально высокая эффективность энергоснабжения и существенно снижаются денежные затраты на производство товарной продукции.

        Примечание
        1 Автор сознательно заменил распространенный термин <альтернативная энергетика> на более нейтральный <инновационная> (далее - ИЭ), подчеркивая тем самым отсутствие конфронтации между традиционной, <большой>, и нетрадиционной энергетикой.
        2 Достаточно вспомнить в этом контексте проблемы отечественной алюминиевой отрасли.
        3 Государственный научный центр.
        4 Анализ проводился в 2002 г. в рамках программы TACIS-СИНЕРЖИ.
        5 В перспективе тепловые аккумуляторы можно будет закупать в заряженном состоянии у тех предприятий, где имеется избыток тепла (металлургические заво-ды и т. п.).
        6 Больших капитальных затрат в этом случае не потребуется. Установить у себя квазистационарный источник тепла (энергии) и создать измерительно-управляющий комплекс для комбинированного внешне-внутреннего теплоснабжения предприятия - дело одного месяца.

        Литература
        1. Дейниченко П. Г. XXI век. История не кончается. - М.: Олма-Пресс, 2000.
        2. Беляев Ю. М. Концепция альтернативной экологически безопасной энергетики. - Краснодар: Сов. Кубань, 1999.
        3. Акимов А. Е. Облик физики и технологий в начале XXI века. - М.: Шарк, 1999.
        4. Канарев Ф. М. Вода - новый источник энергии. - Краснодар: КГАУ, 2000.
        5. Дмитриев К. И., Ефремов Н. М., Шарков В. Ф. и др. Исследование термодинамических характеристик генератора тепловой энергии с вихревым потоком рабочего тела // Сборник трудов конференции [24], 2002.
        6. Каталог V Московского международного салона промышленной собственности <Архимед - 2002>, 27- 31 марта 2002 г. - М.: КВЦ <Сокольники>.
        7. Кашницкий С. Оседлать вихрь // Московский комсомолец. - 22.01.2002.
        8. Заев Н. Е. Бестопливная энергетика // Новые грани физики. - М.: 1996. New Energy Technologies. S-Petersburg. 2002. № 2 (5).
        9. Материалы парламентских слушаний в ГД РФ <Альтернативная энергетика - залог устойчивого развития>, 01.06.2001.
        10. Сравнительный анализ технико-экономической целесообразности развития в ЗАО <Дункан> автономных энергетических сис-тем на основе: изотопных источников тепла, энергии ветра и солнца, тепловых насосов и вихревых теплогенераторов // Материалы московского семинара ЗАО <Дункан> <Нетрадиционная энергетика>, 2001.
        11. Шарков В. Ф. Развитие альтернативной энергетики в России на ближайшую перспективу. - М.: ИНП, 2002.
        12. Шарков В. Ф. Эссе об альтернативной энергетике в 3 частях. - Нефть России. ИК <Лукойл>. - 2002. № 11; - 2003. - № 2. - 2002. - № 5.

  •  
    Добавить комментарий
    Комментарии (1):
    Greyeqe
    30.11.-0001 00:00:00
    Требуются деньги на короткий срок?
    - карта заем

    Получение займа онлайн на карту через 25 минут. Перейти здесь: http://bit.ly/2AdmeW8
    http://bit.ly/2tUE6Es - микрозайм онлайн

    *money**