файл: низкотемпературная энергетика

Предложения Института теплофизики СО РАН
в комиссию по модернизации экономики РФ.
Направление: Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе
вопросы разработки новых видов топлива.
Название проекта: Альтернативная низкотемпературная теплоэнергетика и
низкотемпературная электроэнергетика.
Низкотемпературная теплоэнергетика – это использование тепловых насосов
для отопления и горячего водоснабжения объектов ЖКХ и промпредприятий.
Основано это теплонасосное теплоснабжение на использовании сбросного
тепла техногенного происхождения (тепло воды охлаждаемое в градирнях,
промышленные и канализационные стоки) с температурой +5÷+300С и
природное тепло такой же температуры (тепло рек, крупных озёр и морей,
термальных и хозпитьевых вод). Речь идёт о парокомпрессионных ТН,
работа которых может быть высокоэффективной даже при низкой
температуре (+5÷+100С) воды низкопотенциальных источников.
Современное теплонасосное теплоснабжение развивается весьма успешно.
Количество работающих парокомпрессионных ТН в мире довольно велико –
около 40 млн. штук различной единичной теплопроизводительности от
нескольких киловатт до сотен мегаватт. Развитию этой отрасли уделяется
большое внимание. В частности, Мировой энергетический совет (МИРЭС)
прогнозирует, что к 2020 году около 75% тепла потребного для
теплоснабжения в развитых странах будет производиться тепловыми
насосами.
К России этот прогноз, к сожалению, не относится из-за слишком большого
нашего отставания в этой отрасли от развитых стран. Нужно отметить, что
теплонасосное теплоснабжение довольно косная отрасль, что подтверждается
тем, что в ней в течение последних 50÷60 лет практически не было
прорывных разработок.
Поэтому традиционные ТН работают уже много десятилетий по
традиционному парокомпрессионному циклу. Этот цикл более-менее
позволяет получать горячую воду только для горячего водоснабжения с
температурой +70÷+750С с положительной, хотя и небольшой, порядка 20%,
эффективностью. В системе отопления работа традиционного ТН с
положительной эффективностью в сугубо автономном режиме возможна
только в регионах, где максимально низкая температура наружного воздуха в
течение всего отопительного периода не бывает ниже - 100С. (Сухуми,
Ашхабад, Ташкент и южнее). В итоге в России и странах с климатом близким
к российскому традиционный ТН в автономном режиме в системе отопления
работать не может.
В Институте теплофизики СО РАН совместно с дочерней внедренческой
организацией ЗАО «Энергия» в результате многолетних исследований
удалось создать тепловые насосы, работающие с термодинамическим циклом
максимально приближенным к наиболее совершенному треугольному циклу
Лоренца. Поскольку таких ТН в мире нет сейчас ведется его международное
патентование в связи с тем, что к этой работе уже проявляют интерес
зарубежные фирмы.
Эти тепловые насосы, названные универсальными отопительными
теплонасосами (УОТН) при работе в системе ГВС, работая круглогодично в
автономном режиме уже сейчас могут полностью обеспечивать любые
города
России,
где
имеется
достаточно
много
сбросного
низкопотенциального тепла, например, реки и моря горячим
водоснабжением. Эти УОТН позволяют получать тепло на ГВС в 2,0÷2,5 раза
более дешевое, чем тепло от газовых котельных или ТЭЦ. Но самое главное в
том, что и в системе отопления УОТН могут работать в автономном режиме
независимо от температуры наружного воздуха вырабатывая горячую воду
для отопления вплоть до +85÷+900С по цене в 1,8÷2,0 раза ниже
традиционного тепла от газовых котельных или ТЭЦ.
В настоящее время научно-технические работы завершены. Необходимо
создать стенды для проведения испытаний первых промышленных образцов
тепловой мощностью 0,2 Гкал/час, 0,3 Гкал/час, 0,5 Гкал/час, 1,0 Гкал/час, и
3,0 Гкал/час. После этих испытаний можно будет сразу, минуя создание
пилотных образцов начать серийное производство на заводах ОАО
«Пензкомпрессормаш», Казанский машиностроительный завод, завод
«Компрессор» ликвидированный в г. Москве, если он будет восстановлен –
эти заводы готовы производить компрессорные агрегаты. Теплообменную
аппаратуру готов производить ЗАО «Атомэнергомаш» (Кировский завод, г.
Санкт-Петербург).
Необходимые средства на изготовление первых промышленных образцов и
стендов составляет не менее 65,0÷70,0 млн. руб.
Низкотемпературная электроэнергетика – это электрические станции с
низкокипящими рабочими телами (озонобезопасные фреоны R-134a, C-10, R21; углеводороды бутан, изобутан и т.д.), вырабатывающие электроэнергию
используя в качестве топлива относительно низкопотенциальное тепло с
tНПТ>700С. Первая в мире фреоновая (рабочее тело фреон R-12)
геотермальная электростанция была создана в СССР на Паратунских
геотермальных источниках Камчатки. Используя геотермальную воду с
температурой всего 79±1,00С, эта электростанция вырабатывала около 1
МВт/час электрической энергии. Создана она была Сибирским отделением
АН СССР в 1971г. и входила в состав Института теплофизики.
На основе проведенных испытаний было показано, что в северных регионах
нашей страны такие электростанции могут быть достаточно эффективны
даже при использовании в качестве топлива воды с температурой всего
+50÷+600С. В этом случае высокая эффективность может достигаться
использованием отрицательных температур конденсации низкокипящих
рабочих тел, что значительно более эффективно, чем увеличение начальных
параметров цикла Ренкина. Такая отрицательная конденсация достигается за
счет использования воздушных конденсаторов при низких температурах
наружного воздуха. На этой основе возникло предложение по использованию
тепла земли для производства чистого водорода, получаемого в
электролизерах. Электроэнергию можно получать во фреоновых (или
углеводородных) энергоустановках типа Паратунской ГеоЭС. Источником
тепла (вода с температурой 50÷600С) должны быть кусты глубоких – около
3000 м нефтяных скважин полностью отработавших, через которые будет
осуществляться циркуляция воды. Таких скважин в северных районах
Западной Сибири достаточно много и срок их службы в таких водяных
циркуляционных системах не будет ограничен. Из куста, состоящего из 12
скважин, возможно получение около 3,0÷3,5 мегаватт электроэнергии во
фреоновых (или углеводородных) энергоустановках. Передавать такое
количество электроэнергии экономически не целесообразно, поэтому эта
электроэнергия должна подаваться в электролизеры, что позволит получать в
худшем случае до 600÷700 м3 в час чистого водорода для сжигания тепловых
электростанциях. По имеющимся научным данным передача водорода по
трубопроводам, по крайней мере, в 2÷3 раза более дешевый процесс по
сравнению с электропередачей. Как показал опыт работы Паратунской
фреоновой ГеоЭС такие установки довольно легко автоматизируются, а
фреоновые турбины, например, центростремительные, а именно такая
использовалась на фреоновой ГеоЭС просты в изготовлении и надежны.
Реальное состояние проблемы в настоящее время следующее.
Институт «ВНИИхолодмаш» г. Москва, разработавший и создавший первую
фреоновую турбину для Паратункой ГеоЭС имеет предварительные
наработки по трем типам турбин – центростремительной радиальной,
винтовой и радиально-осевой. Также есть потенциальный изготовитель таких
энергоустановок «под ключ» - это Кировский завод г. Санкт-Петербург.
Проблем две. Первая, это естественно отсутствие средств, а на первую такую
установку с электролизером потребуется только на конструирование,
проектирование и изготовление не менее 80 млн. руб., а «под ключ» в
блочном исполнении – не менее 120 млн. руб.
Вторая проблема заключается в том, что даже полностью отработанные и
выведенные из эксплуатации скважины (нефтяные или газовые) по прежнему
принадлежат нефтяным и газовым компаниям, поэтому требуется
законодательное решение по изъятию отработавших скважин у этих
компаний и передачи их водородопроизводящим компаниям.