Если мы не хотим остаться за "бортом" цивилизации В стране в очередной раз на неопределенный срок замораживаются реформы долгосрочного развития энергетики и энергообеспечения жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). Если быть более точными, это происходит в большой и малой энергетике, т.к. 70 % наших платежей за жилищно-коммунальные услуги - это расчеты за отопление, горячую и холодную воду, электроэнергию и газ, т.е. те виды услуг, которые произведены (генерированы) за пределами сферы ответственности ЖКХ. Это связано в первую очередь с тем, что системы жизнеобеспечения жилья при эксплуатации стационарных энергогенерирующих установок базируются в основном на технологиях первой половины прошлого века, на технологиях интенсивного производства средств производства, что только увеличивает дефицит энергоресурсов в стране и ставит на повестку дня вопрос государственной безопасности [1]. Устанавливаемые счетчики холодной и горячей воды, газа, электроэнергии и тепла - это приборы учета для оплаты потребленных услуг, а не энергосбережения. Они не могут повысить качество энергообеспечения граждан. Поэтому этим приборам, из-за их дороговизны и невозможности хоть сколько-нибудь улучшить комфортность жилья и экологическую обстановку, некорректно отдавать приоритет при проведении реформы ЖКХ. Также никакая административная (структурная) реформа в энергетике, базирующаяся на использовании преимущественно органического топлива, не даст кардинального улучшения гарантированного энергообеспечения россиян. Ведь существующие технологии обеспечивают только надлежащее производство огромного количества теплоты и электроэнергии. При этом они не в состоянии надежно, без шокирующих потерь, доставить их каждому потребителю, находящемуся порой на расстоянии всего лишь нескольких десятков километров. Использование, например, для отопления зимой только органического топлива (угля, мазута, газа) недопустимо, т.к. его запасы ограничены, а цена добычи, доставки на место сжигания и утилизации отходов из года в год возрастает. Новые энергогенерирующие технологии должны приближаться по своей эффективности к природным процессам. Например, к процессам растительного царства, в котором вода, являясь необходимой, но не достаточной питательной средой, вовлекает в созидательный процесс строительства органической жизни имеющиеся в почве минеральные ингредиенты, доставляя их к местам преобразования в стебли, ветки, листья, плоды. Нам же необходимо уже сейчас, при наших зимах, если мы не хотим остаться за "бортом" цивилизации, применять новые энергогенерирующие технологии, в которых энергия органического топлива используется как первичное средство, рычаг для извлечения еще большего количества энергии из окружающей нас природной среды, например, воды, земли, а также "бросовой" низкопотенциальной теплоты промышленных, бытовых стоков и воздуха. Исходя из результатов работ, ведущихся нами с 1994 г., считаем, что реформы в сфере обеспечения населения теплом (ЖКХ) должны начинаться с применения новых технологий, которые необратимо приведут к декларируемой структурной реформе, к появлению на этом рынке предложений, превышающих спрос, т.е. к конкуренции. Истинное энергосбережение становится возможным только при использовании нетрадиционных вариантов энергосбережения, в основу которых положено: ? изменение принципов, последовательности и ограничение количества технологических переделов, которым подвергается преобразуемая энергия на пути к потребителю; ? использование тепловых приводов; ? использование перепада температур (как существующего в природе, так и созданного искусственно); ? резкое ограничение рассеивания в окружающую среду низкопотенциальной теплоты. Приоритетное направление - генерирование солнечной энергии Технологические переделы, гарантирующие высокую эффективность преобразования органического топлива,- приоритетное направление в сфере энергосбережения. Наиболее наглядным примером в этой области является технология генерирования солнечной энергии летом - в искусственный холод и теплоту, и зимой- в теплоту. В испарителе за счет талой воды 9 происходит парообразование хладагента, пар далее подогревается от теплоты грунта 12 и рассола пруда 13. Образующийся пар сжимается в хладомете с повышением температуры, затем горячий пар поступает в конденсатор, в котором он отдает теплоту фазового перехода на обогрев помещений. Конденсат хладагента поступает в вентиль, где его давление понижается, а затем в испаритель. Цикл повторяется. В процессе работы насоса температура воды в котловане понижается, образуется лед (котлован "готовится" к приему теплоты летом), а также снижается температура грунта 12 и рассола пруда 13, обеспечивая обогрев помещений аккумулированной солнечной энергией и сбросным теплом гелиохолодильника. Для замедления остывания зимой котлована и пруда они изолированы покрытиями (6 и 2). В условиях длительных зим и для объектов с малым объемом котлована пополнять его теплотой можно за счет отвода "отработавшего" воздуха из здания по воздуховоду 8. "Подогревать" поступающий в помещения свежий воздух можно в воздуховоде 7, соединенном с системой вентиляции. Организация проветривания по такой схеме при своевременном удалении конденсата из воздуховода 8 значительно уменьшает как капитальные затраты на сооружение котлована, так и расход топлива, необходимый для приведения в работу хладомета. Обогрев помещений зимой осуществляется тепловым насосом, а также за счет прямого солнечного излучения, поступающего через окна, и за счет отраженного покрытием 2 солнечного излучения. Преимущество метода - в самоэнергообеспечении По данной технологии основной "поставщик" энергии на отопление - это замерзающая вода. Так, при разовом промерзании котлована глубиной 2 м количество выделяемой энергии составляет 668 ТДж/м2. Если эту энергию фазового перехода равномерно использовать в течение 150 суток на отопление, то установленная мощность "водяной топки" будет равна 51,5 МВт/км2. Это сопоставимо с плотностью энергии залежей угля в районах его добычи- 30 МВт/км2. При этом надо учитывать, что к конечному потребителю в виде топлоты "доходит" 1/7-1/10 часть энергии залежей угля, а при использовании энергии воды, возобновляемого источника, по предлагаемой технологии будет "доходить" 7/10-9/10 теплоты фазового перехода. Средняя плотность искусственной энергии, обусловленная хозяйственной деятельностью, равна всего 0,02 МВт/км2, т.е. в 10 тыс. раз меньше плотности солнечной энергии (200 МВт/км2). И только в отдельных местах земного шара этот показатель выше: в Японии - 2 МВт/км2, в Рурском районе Германии - 20 МВт/м2. Преимущество предлагаемого варианта теплохладоснабжения высоких географических широт заключается в том, что за счет южной отражающей поверхности здания, направляющей в акваторию солнечного пруда десятки тысяч кВт•ч солнечной энергии, можно обеспечить эффективное самоэнергообеспечение. Отражение солнечной энергии от вертикальной поверхности, ориентированной на юг, летом максимально в высоких широтах, а с продвижением на юг оно уменьшается, и на широтах северный тропик-экватор достигает нуля и даже отрицательного значения. Солнце в это время находится над северным полушарием, отражать лучи будет освещаемая северная сторона. В высоких широтах только за счет оптимальной формы южной ограждающей конструкции здания можно добиться максимального энергообеспечения как в летний период, так и зимой при минимальных площадях пруда и котлована. Запас солнечной энергии на переходный период осень-зима будет обеспечен в безоблачные периоды бабьего лета и бархатного сезона. Ниже приводятся технические характеристики систем с учетом одновременного круглогодичного использования солнечной энергии и существующего в природе (котловане) градиента температур. Технические характеристики В табл. 1 приведена выработка гелиохолодильником и теплогенератором (водопровод/воздуховод поз. 14 на рис. 1) соответствующих видов энергии для условий Омской (Московской) области (примерно 55° северной широты) с учетом 100 %-го преобразования солнечной энергии, аккумулируемой прудом площадью 50 м2. В табл. 2 приведены данные по выработке хладогенератором (воздуховод 7 на рис. 1) прохладного воздуха (0-10°С) для охлаждения помещений исходя из объема льда в котловане 300 м3. В табл. 3 показаны данные по производству теплоты на отопление тепловым насосом и подогрев поступающего по воздуховоду 7 (рис. 2) воздуха в помещения, без учета пополнения котлована теплотой из воздуховода 8. При этом исходят из количества теплоты, аккумулированной летом талой водой котлована (за счет фазового перехода льда в воду), и остывающего рассола в придонном слое солнечного соляного пруда, при объеме котлована 300 м3 (без учета теплоты, поступающей от грунта и грунтовых вод) при площади солнечного соляного пруда 100 м2 без учета поступления теплоты, неиспользованной в термодинамическом цикле хладомета теплового насоса, теплоты отходящих газов и теплоты, использованной на сжатие хладагента. Об экономической эффективности системы Проведенные в КБАЭ "ВоДОмет" расчеты показывают, что удельные капитальные затраты (на 1 кВт установленной мощности) при сооружении системы, работающей летом в режиме гелиохолодильника, а зимой - теплового насоса, в среднем в 2-3 раза выше, чем удельные капитальные затраты, рассчитываемые по принятым методикам для традиционных электроприводных холодильных установок и малых котельных. Однако в методиках почему-то не учитываются соизмеримые удельные капитальные затраты, которые несут другие смежные отрасли и сферы народного хозяйства - дорожные и железнодорожные службы, угольные разрезы и т.д., "обслуживающие" эти ТЭЦ и котельные. Кроме того, мировое сообщество значительно ужесточило требование к эмиссии вредных веществ при сжигании органического топлива, а по оценкам американских ученых, использование в энергетическом секторе технологий и оборудования, способных на 80-90 % обеспечить предотвращение эмиссии в атмосферу диоксида углерода и других загрязняющих веществ, повышает издержки производимой на органическом топливе энергии как минимум в 2-3 раза. Рассмотренные варианты могут эксплуатироваться по всей территории СНГ, вплоть до 60° северной широты. Высокая надежность генерирования холода и теплоты обеспечивается за счет того, что все элементы работают с высоким моторесурсом, при относительно низких температурах, исключая применение дорогих и дефицитных сталей и сплавов. Кроме того, системы герметичны, как и их прообразы - традиционные холодильные установки, но в отличие от них они не нуждаются в высоколиквидной электрической энергии. Предлагаемые альтернативные источники энергоснабжения для любых зданий могут гарантировать бесперебойное энергообеспечение в небольших объемах. Результаты семилетней работы КБАЭ показали, что гарантированный минимум удобной для потребителя энергии - потока воды, теплоносителя, теплоты, искусственного холода, механической и электрической энергии - надо вырабатывать, используя возобновляемые источники энергии за один, максимум два-три, технологических передела без многократногопреобразования на месте потребления, тем более что в качестве преобразователей тепловой энергии в установках и системах используются водометы, хладометы со сверхвысоким КПД термодинамического цикла. На данном этапе, когда механизация процессов связана с преобразованием тепловой энергии, эффективность энергогенерирующих установок и систем прямо зависит от КПД. Чем выше КПД и чем меньше технологических переделов при производстве необходимого вида энергии, тем меньше топлива для выработки одного и того же вида и объема энергии потребуется, в т.ч. при изготовлении самих установок и систем, тем меньше стоимость конечного вырабатываемого продукта или услуги и наоборот. Если же в качестве первичного источника энергии используются возобновляемые, то чем выше КПД преобразования, тем меньше размеры элементов, воспринимающих эту энергию, и следовательно, при изготовлении производители будут нести меньшие затраты. Новое направление в малой энергетике позволяет найти решения по преобразованию тепловой энергии, обеспечивающие высокую эффективность производства дифференцированных видов энергии от возобновляемых источников и на низкосортном органическом топливе, вне зависимости от деятельности РАО "ЕЭС России" и национальных энергосистем других государств СНГ. Предлагаемая философия самоэнергообеспечения и энергосбережения за счет энергий низкой плотности, по существу, скопирована с поведения хищных птиц (орлов, ястребов), которые за счет своей мускульной силы достигают восходящего низкой энергетической плотности потока воздуха и, используя его энергию, парят в небе при помощи большой площади крыльев, периодически взмахивая ими лишь для того, чтобы остаться в нем (восходящем потоке воздуха), экономя при этом энергию в многочасовом поиске добычи. В предлагаемых вариантах солнечное излучение, солнечный соляной пруд и котлован со льдом (талой водой) - это своеобразный восходящий поток и крылья системы хладотеплоснабжения, а энергия органического топлива, обогревающая тепловую трубу (поз. 11, см. рис. 2) - это мышечная энергия птицы. Государственная поддержка развития возобновляемой (альтернативной) энергетики данного типа может быть связана не с увеличением расходов бюджетных средств, а с созданием благоприятных условий производителям и потребителям энергии. Льготными условиями могут стать, например, освобождение от налога на землю, используемую для генерации энергии от возобновляемых источников и находящуюся под зданиями, потребляющими эту экологически чистую энергию, в т.ч. вне зоны ее производства. В порядке обсуждения Развитие экономики страны в большой степени зависит от того, какой будет долгосрочная (на ближайшие 20-50 лет) стратегия развития энергетики, одной из главных жизнеобеспечивающих отраслей. В энергетической стратегии страны до 2020 г., разработанной Правительством РФ, выбор пути развития энергетики далеко не бесспорен. Вопрос состоит в том, насколько сегодняшняя энергетическая стратегия адекватна прогнозируемому развитию экономики страны на ближайшие 20 лет. Если сравнить самые благоприятные темпы роста объема ВВП (до 7-8 %) с темпами роста тарифов на электроэнергию, то получим, что к 2020 г. рост тарифов опередит рост ВВП минимум в 5,5-7 раз, что негативно отразится на всей экономике и социальной сфере. Вместе с тем при традиционном развитии энергетики рост тарифов неизбежен, поскольку он связан не только с ростом цен на топливо, но и с необходимостью инвестиций в обновление и модернизацию основных фондов энергетической отрасли (учитывая их сегодняшний 70%-й износ, требуемая сумма инвестиций составляет порядка $ 5 млрд в год). Интенсификация потребления угля в стране связана с серьезными проблемами: техническими, экономическими, социальными и экологическими. Достаточно сказать, что для покрытия дефицита топлива пришлось бы увеличивать в 3 раза объемы добычи и перевозок угля, в то время как основные мощности угольной отрасли изношены и требуют существенной реконструкции. Выбросы вредных веществ при этом возрастут в 10 раз по сравнению с использованием газа. Развитие атомной энергетики нецелесообразно в силу огромной потенциальной и реальной угрозы для всей биосферы, а также в конечном счете ее низкой рентабельности. Введение новых топливопотребляюших мощностей возможно только в пределах реального энергосбережения - в соответствии с выделенной для России нулевой квотой на выбросы углекислого газа. Ключевой вопрос долгосрочной стратегии состоит в том, куда целесообразнее направлять инвестиции: в развитие традиционных технологий или все-таки на поиск альтернативного пути? В энергетике, видимо, один путь: необходимо, и как можно быстрее, наряду с активным энергосбережениемразвивать альтернативную (сегодня нетрадиционную) энергетику на базе огромного потенциала возобновляемых источников энергии. Преимущества этого направления: их запасы способны обеспечить устойчивое развитие отечественной энергетики на сколь угодно длительный срок (на тысячелетия); удельная стоимость энергии для многих альтернативных энерготехнологий уже сравнялась с аналогичными характеристиками традиционных, и прогнозируется их существенное снижение; тарифы на энергию при этом не растут, а наоборот, могут снижаться со временем; сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций в большинстве случаев меньше благодаря отсутствию затрат на топливо и транспорт; экономический эффект только от замещения 1% потребляемого сегодня топлива составит минимум $ 1 млрд (вот где резерв для бюджета). Недостаток у альтернативных энерготехнологий практически один - малая освоенность. Отправной точкой при разработке энергетической стратегии должны стать не только темпы энергопотребления, но и прогнозируемые сроки исчерпания ресурсов нефти и газа. Темпы развития альтернативной энергетики должны быть такими, чтобы обеспечить до 80-90 % энергоснабжения уже к середине наступившего века (если мы действительно хотим сохранить часть остатков нефти и газа, а также условия обитания для потомков). Поэтому стратегия энергетики должна исходить из того, что уже к 2020 г. необходимо заместить около 30-40 % используемого топлива. Это вопрос не только внутренней, но и внешней политики, так как страна, которая первой освоит в полной мере альтернативную энергетику, способна фактически диктовать цены на остатки топливных ресурсов на мировом рынке. Следовательно, темпы освоения альтернативной энергетики - это вопрос государственной безопасности. Многие из ведущих стран мира уже в первом десятилетии нового века планируют довести долю альтернативных энергопреобразователей в собственных энергобалансах до 20 %. А в отечественной энергетической стратегии на 2020 г. запланировано всего около 2 %. Иначе как легкомыслием это не назовешь. Мы сегодня не имеем развитой полномасштабной альтернативной энергетики, потому что не занимались этим всерьез вчера, но мы и завтра ничего не будем иметь, если не займемся этим немедленно. Из статьи "Альтернативные источники энергии. Проблемы долгосрочного развития энергетики". Ю.М. Беляев, к.т.н., Южный институт менеджмента, г. Краснодар. "Промышленная энергетика'BB, №4, 2003 г., стр. 50.


Литература 1. Ю.М. Беляев. Проблемы долгосрочного развития энергетики. "Промышленная энергетика", 2003, №4. 2. Г.Б. Осадчий. Комплексное использование солнечной энергии. "Экология и промышленность России", 1999, Июль. ТАБЛИЦЫ: 1~1~; 2~2~; 3~3~; РИСУНКИ: 1~4~; 2~5~;