Сегодня никто не знает ответа на вопрос, каким будет облик энергетики будущего. Территория России огромна, а заселена неравномерно. Исходя из этого, централизованно обеспечить теплом и электроэнергией отдельные анклавы проживания населения и производств непросто и дорого. Затраты на энергообеспечение повысились. Минэнерго оценило потребность в инвестициях в ветхие теплосети в 300 млрд руб. в год, а доля ветхих теплопроводов, представляющих реальную угрозу разрушения в отопительный период, составляет 21,5 %.

В нашей стране, являющейся газовой державой мирового масштаба, газифицировано лишь около 50 % городских и около 35 % сельских населённых пунктов. Это также связано с масштабами нашей страны и невозможностью прокладки распределительных газовых сетей до всех потребителей. Поэтому для отдельных мест рассредоточенного проживания и работы населения, где отсутствует и не предвидится централизованное теплои электроснабжение, целесообразно иметь автономное энергоснабжение с использованием местного топлива. Уже сегодня необходимы инновационные разработки, направленные на совершенствование топливно-энергетического баланса отдалённых регионов, на повышение эффективности использования энергетических ресурсов за счёт использования местных возобновляемых источников энергии, и тем самым на укрепление энергетической безопасности страны. При этом оказалось, что организовывать автономное энергоснабжение будет дешевле.

Альтернативой централизованному производству тепла и электроэнергии становится автономное энергоснабжение, основой которого являются теплоэлектрогенераторы малой и средней мощности, работающие на твёрдом топливе.

Эжекторно-турбинный теплоэлектрогенератор на твёрдом топливе. 3/2019. Фото 1

Для регионов, не имеющих каких-либо природных источников углеводородов, но имеющих огромные лесные массивы, развитие региональной энергетики на базе имеющихся запасов древесного топлива открывает широкие перспективы экономического роста и обеспечения региональной энергетической независимости. Поэтому технологии получения энергии из древесных отходов в последние годы развиваются и совершенствуются. Теперь появляется возможность автономного получения энергии из наиболее экологически чистого твёрдого топлива (пеллет). Уже серийно выпускаются автономные пеллетные водогрейные котлы (рис. 1) с автоматическими горелками (рис. 2) и пеллетные камины (рис. 3) для воздушного отопления.

Эжекторно-турбинный теплоэлектрогенератор на твёрдом топливе. 3/2019. Фото 2

Но наиболее привлекательными являются установки для одновременного воздушного отопления и получения электрической энергии. Безусловно, заманчиво иметь у себя в доме воздушное отопление и свою электростанцию, работающую на местном топливе.

В 2018 году ФНАЦ ВИМ получены патент РФ №2654265 на изобретение «Когенератор на твёрдом биотопливе» [1] и патент РФ №2660226 «Теплоэлектрогенератор на твёрдом топливе» [2].

Практическое освоение и внедрение изобретений с целью одновременного получения тепла и электроэнергии из местного топлива, производимого из отходов сельского хозяйства и лесопереработки, при огромных лесных массивах в Российской Федерации ведёт к полной независимости пользователей от подвода газа или подвоза жидкого топлива.

На территории нашей страны сосредоточено около 23 % всех лесных ресурсов планеты, а древесина является наиболее значительным из альтернативных топлив. В виде отходов лесопереработки и деревообрабатывающей промышленности ежегодно образуется древесное сырье, эквивалентное 40 млн тонн условного топлива. Эти отходы научились эффективно перерабатывать в древесные гранулы (пеллеты, рис. 4), которые считаются наиболее экологически чистым топливом и пользуются большим спросом в западноевропейских странах. При сгорании угля в атмосферу выделяется 60 % углекислого газа, что критически сказывается на тепловом балансе Земли. А при использовании пеллет выделение углекислого газа близко к нулю, то есть их сжигание не угрожает нашей планете парниковым эффектом.

Эжекторно-турбинный теплоэлектрогенератор на твёрдом топливе. 3/2019. Фото 3

В целом, не менее 80 % населения сельскохозяйственных районов России может быть обеспечено теплом и энергией за счёт местных возобновляемых биоресурсов. Реализация технологии использования местного твёрдого топлива для автономного обеспечения теплом и электроэнергией является привлекательной целью. Это в разы экономически эффективнее по сравнению с созданием новых тепловых сетей, магистральных сетей электропередач и газопроводов.

Учитывая беспрерывное получение тепловой энергии от твёрдого топлива при меняющейся электрической нагрузке, целесообразно иметь накопитель электроэнергии, чтобы получать от него электроэнергию периодически, но с повышенной мощностью нагрузки. Наличие аккумулятора позволит в тёплый период года временно отключать источник тепла (пеллетную горелку) и таким образом экономить топливо, а также не создавать шума от работы генератора ночью. А в электрическом бойлере-накопителе можно получать тёплую воду для использования в качестве ГВС.

Россия, безусловно, лучше, чем любая другая страна в мире в целом обеспечена собственными запасами традиционных топливно-энергетических ресурсов. Но запасы относительно недорогих нефти и газа не безграничны. На разведку и освоение новых месторождений требуются всё возрастающие затраты.

С развитием технологий использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в качестве системы малой распределённой генерации вместо традиционных топливно-энергетических ресурсов в Российской Федерации и в мире ведутся разработки и создание средств автономного электрои теплоснабжения потребителей на основе использования энергии солнца и ветра. Однако при распределённой генерации такие энергоустановки сегодня могут оказаться только вспомогательными средствами и не могут в полной мере обеспечить положительный экономический, социальный и экологический эффекты.

Таким образом, распределённое энергообеспечение с гарантированной выработкой энергии на местах её потребления с использованием местных источников энергии поможет решить проблему. Таким источником становится наиболее экологически чистое топливо (пеллеты), производимое из отходов сельскохозяйственного производства, лесопереработки и других отходов.

Основой распределённой генерации ныне являются дизельные электростанции на привозном топливе (около 50 тыс. мощностью 17 ГВт). Наличие же источников локального загрязнения окружающей среды в населённых пунктах, расположенных в зонах, в которых теплоснабжение и горячее водоснабжение осуществляется с помощью местных котельных, а электроснабжение от газопоршневых и дизельных генераторов не способствует становлению экологически безопасной распределённой генерации.

Однако такие автономные источники энергии (и дизельные, и газопоршневые) в большинстве случаев ориентированы только на использование газа и в основном продуктов нефтепереработки.

Таким образом, назрела насущная необходимость развития распределённой генерации с условием одновременного решения проблем экологической безопасности энергоснабжения.

Широкое использование автономных источников энергии, работающих на местном топливе, отражает мировую тенденцию к ресурсосбережению. Данное направление интенсивно развивается в странах, имеющих значительные запасы биоресурсов (леса, торфа и т.д.). Многие регионы России обладают огромными запасами местного дешёвого биотоплива, которые могут быть использованы в энергетических целях. А использование энергии солнца и ветра в России малоэффективно и дорого.

При поиске надёжного, безопасного и дешёвого источника энергии для распределённой генерации, который бы не только не загрязнял окружающую среду, но и решал накопившиеся проблемы, далеко ходить не надо. А надо провести реанимацию такого древнего источника энергии, как дрова и древесные отходы, которые после переработки и превращения в наиболее экологически безопасное твёрдое биотопливо — древесные гранулы (пеллеты) в итоге могут сыграть ключевую роль в формировании современной распределённой энергетики. После открытия огня первобытными людьми дрова как возобновляемый источник энергии до настоящего времени не иссяк и приобретает новое качество.

За счёт твёрдого биотоплива Россия сможет не только сохранить, но и усилить своё лидерство на мировом рынке топлива в ближайшие годы. В некоторых странах (например, Бразилия) довольно широко в целях получения жидкого биотоплива традиционно применяется биомасса, вклад которой в суммарный мировой энергетический баланс сегодня оценивается примерно в 9,3 %.

Пеллеты — один из самых энергоёмких видов топлива. Теплотворная способность пеллет сравнима с углем и составляет от 4,3 до 5,0 кВт/кг. При сжигании тонны пеллет выделяется столько же энергии, сколько при сжигании 1,6 тонн древесины, 480 м3 газа, 500 л дизельного топлива или 700 л мазута. Сравнительные характеристики приведены в табл. 1 и 2.

Эжекторно-турбинный теплоэлектрогенератор на твёрдом топливе. 3/2019. Фото 4

Пеллеты — экологически безопасное биотопливо, получаемое из отходов сельского хозяйства (лузга подсолнечника, солома, стебель кукурузы и т.п.), древесных отходов, торфа и т.д.

Теплоэлектрогенераторы на пеллетах, имеющие благоприятные массогабаритные, экологические и производственнотехнологические показатели, являются перспективными автономными энергетическими установками для освоения развивающихся и энергодефицитных районов страны и решения задач:

  • автономного энергоснабжения коттеджных посёлков и деревень, во многих из которых до сих пор не решён вопрос централизованного снабжения тепловой и электрической энергией;
  • очищения лесов от накопившихся отходов лесопереработки с получением энергии из этих отходов;
  • уничтожения производственных отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности с получением энергии из отходов.

В качестве одного из вариантов одновременного получения тепла и электроэнергии предлагается эжекторно-турбинный теплоэлектрогенератор (ЭТЭГ), который согласно рис. 5 содержит: пеллетную горелку с автоматической подачей топлива как источник тепловой энергии, воздушный эжектор с камерой смешения, центробежный турбокомпрессор, силовуют Рис. 5. Схема эжекторно-турбинного теплоэлектрогенератора урбину, генератор, воздуховоды.

Эжекторно-турбинный теплоэлектрогенератор на твёрдом топливе. 3/2019. Фото 5

Центробежный воздушный компрессор расположен на общем валу с турбиной первой ступени, которая является приводом воздушного компрессора. Силовая турбина второй ступени является приводом генератора.

Основным элементом автономного теплоэлектрогенератора является воздушный эжектор, который создаёт разрежение в пеллетной горелке для поступления воздуха в горелку без применения дымососа. Эжектор также служит для получения горячей смеси продуктов сгорания топлива и излишков воздуха, отходящего от горелки, с воздухом, нагнетаемым компрессором и поступающим через сопло в камеру смешения эжектора. Получаемая горячая газовоздушная смесь служит рабочим телом для турбины первой ступени.

Перед розжигом пеллетной горелки запускается вентилятор горелки воздух проходит через горелку и поступает на турбину первой ступени, которая раскручивается вместе с компрессором. Воздух от компрессора пропускается через сопло эжектора, который создаёт разрежение в горелке и увеличивает поток воздуха через горелку. Затем поджигается топливо (пеллеты) и начинается процесс горения пеллет в воздушной среде. Продукты сгорания топлива и излишки воздуха под действием разрежения от эжектора выходят из горелки и с высокой температурой поступают в камеру смешения эжектора, где смешиваются с воздухом, который немного охлаждает высокотемпературные продукты сгорания твёрдого топлива.

После смешивания продуктов сгорания топлива с воздухом рабочая газовоздушная смесь с высоким теплосодержанием (с достаточно высокой температурой и скоростью) от тепла сгораемого топлива проходит через диффузор эжектора и с повышенным давлением поступает в компрессорную турбину первой ступени. На валу турбины происходит получение механической работы, которая полностью затрачивается на привод воздушного компрессора, расположенного с ней на общем валу, мощность турбины и соответственно частота вращения турбокомпрессора и расход воздуха через сопло эжектора увеличиваются. Разрежение в горелке возрастает и поступающего воздуха становится достаточно для полного сгорания и обеспечения автономного горения топлива в горелке, и электрический вентилятор отключается. Турбокомпрессор выходят на рабочий режим.

Отходящая после компрессорной турбины первой ступени рабочая газовоздушная смесь с большим содержанием чистого воздуха и пониженной температурой поступает в силовую турбину второй ступени. Энергии рабочей смеси достаточно для получения в силовой турбине механической работы для привода электрического генератора небольшой мощности. В силовой турбине рабочая смесь расширяется, её температура ещё понижается, и отходящая смесь при умеренной температуре и минимальном содержании СО2 поступает в теплицы, фермы, сушильные и другие отапливаемые объекты. Учитывая небольшое содержание СО2 в продуктах сгорания пеллет и повышенное содержание в рабочей смеси воздуха, смесь может также нагнетаться в жилые помещения.

Этот вариант эжекторно-турбинного теплоэлектрогенератора с прямым использованием продуктов сгорания твёрдого топлива, смешиваемых с воздухом с помощью эжектора, предназначен для отвода горячей газовоздушной смеси в отапливаемые помещения и получения электрической энергии, то есть является когенератором.

Применение электрического вентилятора для нагнетания газовой смеси в отапливаемые помещения не требуется, роль нагнетателя смеси выполняет центробежный компрессор. ЭТЭГ можно отнести к новому автономному источнику энергии, работающему на возобновляемом твёрдом биотопливе (ВТБ).

Для автономной работы ЭТЭГ не требуется подводить энергию от внешнего источника, то есть агрегат может начать работу в местах, не имеющих никакой энергии, кроме пеллет, которые надо поджечь. Отсутствие воды в ЭТЭГ нового типа важно при работе в арктических условиях эксплуатации.

Важнейшим заказчиком рынка малой энергетики в настоящее время является жилищно-коммунальное хозяйство, обладающее огромными потребностями в обновлении имеющихся энергетических мощностей. Немалая часть потребителей при этом расположена в районах децентрализованного энергоснабжения на Крайнем Севере, Западной и Восточной Сибири, Дальнем Востоке. Для этих районов автономные ЭТЭГ, работающие на возобновляемом местном биотопливе, с набором высокооборотных электрогенераторов, расположенных в непосредственной близости к потребителям и источникам топлива, должны играть важную роль уже на современном этапе использования, как резервные или аварийные источники энергоснабжения.

А в будущем — как основные источники распределённого энергоснабжения. Широкий диапазон отраслей хозяйства, где ряд задач энергоснабжения будут решать автономные ЭТЭГ, основан на функциональном разнообразии таких генераторов по их назначению и по мощности.

Предлагаемая технология выводит Россию в передовые производители энергии с использованием возобновляемого твёрдого биотоплива для распределённого энергообеспечения отдалённых мест проживания и работы с изобильными запасами леса и отходов его переработки. Это относится к районам, где имеются свободная земля и условия для ведения сельского хозяйства, но куда ещё не подведён газ и дорого подвозить дизельное топливо.

Касаясь реализации разработки ЭТЭГ в ФНАЦ ВИМ, необходимо заметить, что по итогам четвёртого Восточного экономического форума глава государства дал поручение о подготовке и разработке до 1 сентября 2019 года «Национальной программы развития Дальнего Востока России на период до 2025 года с перспективой до 2035 года». Программа должна объединить мероприятия национальных проектов и госпрограмм, долгосрочные отраслевые планы ведомств и инфраструктурных компаний, стратегии развития всех дальневосточных регионов. Желательно стать участником реализации этой программы от Минобрнауки.

Испытания, последующая демонстрация и реклама новой энергетической установки позволят привлечь средства инвесторов-заказчиков на разработку более эффективных когенераторов различного назначения и мощности.

Твёрдое топливо для ЭТЭГ — пеллеты позволяют достичь высокой степени экологичности, и иметь пониженную температуру рабочего тела на выходе из ЭТЭГ.

Более полное использование энергии продуктов горения позволит уменьшить выброс тепла в атмосферу по сравнению с современными бензиновыми, газовыми и дизельными двигателями.

ЭТЭГ на ВТБ можно сравнить с газовой тепловой пушкой. Газовые нагреватели воздуха работают на природном или сжиженном газе. Их используют преимущественно в хозяйственных и промышленных помещениях большой площади, а также на открытых и полуоткрытых площадках. Немаловажно, что эти устройства абсолютно безопасны, количество выделяемых ими вредных веществ примерно такое же, как и у обычной газовой плиты. У ЭТЭГ на ВТБ количество выделяемых вредных веществ ожидается меньше, чем у газовой тепловой пушки.

Распространение малой распределённой генерации, связанной с началом применения автономных источников энергии на базе компактных автоматизированных установок когенерационного типа на твёрдом топливе, имеющих высокий общий КПД (около 90 %), знаменует будущий закат эры гигантских ТЭЦ. А расположение их вблизи мест потребления энергии важно для России при отсутствии электрических сетей на огромных неосвоенных территориях.

Ожидается подлинный переворот в энергетике с внедрением персональных теплоэлектрогенераторов, способных обеспечить теплом и электроэнергией особняк, загородный дом, небольшую компанию или малое предприятие. Такие генераторы в высшей степени эффективны, надёжны и экологически безопасны. Их внедрение по воздействию на общество можно сравнить с началом эксплуатации персональных компьютеров.

У России сегодня сильные позиции в ряде энергетических направлений и мы в перспективе также должны оставаться в лидерской группе стран, создающих инновационные технологии энергогенерации. Будущее за экологически чистой генерацией, и Россия здесь может сыграть ключевую мировую роль, если будет произведён переход на древесные гранулы как наиболее экологически безопасное возобновляемое твёрдое топливо, источником которого является древесина, в изобилии имеющаяся в России и пока не уничтоженная лесными пожарами.

Важно создать спрос на автономные твердотопливные теплоэлектрогенераторы на внутреннем рынке. Когда в России будет спрос на ЭТЭГ со стороны предприятий и частных лиц, то появится потребность в строительстве в России заводов, производящих эту продукцию. Например, спрос на пеллеты, заменяющие дрова и уголь, в России пока не высокий, поэтому около 80 % российских пеллет поставляется на западный рынок.

Известно, что в лесопильном производстве России 50 % древесины превращается в отходы, к которым добавляются соизмеримые по величине отходы деревообрабатывающих и мебельных предприятий. Кроме того, в сельском хозяйстве ежегодно накапливается значительное количество отходов биомассы. Возврат к биоресурсам — это разумный подход в экономике и экологии.

По мнению экспертов, необходимо развивать «зелёную» мировую генерацию, поскольку сейчас на производство энергии приходится две трети глобальных выбросов парниковых газов. Таким образом, будущее за экологически безопасной генерацией, и Россия здесь может сыграть ключевую мировую роль.