Как обогреть Сибирь?

На страницах нашего журнала уже обсуждалась стратегия научно-технического развития России, в которой среди семи приоритетов в развитии науки была выделена тема перехода к экологически чистой ресурсосберегающей энергетике. Продолжая эту тему, заведующий кафедрой Тепловых электрических станций НГТУ-НЭТИ Сергей Елистратов полагает, что замещение в топливном балансе регионов ископаемых видов топлива на тепло возобновляемых и вторичных источников способно обеспечить не только энергосберегающий, но и ощутимый экологический эффект

На основании экспериментально полученных в работе количественных значений вредных выбросов для малых теплоисточников можно показать, что один угольный котел мощностью 1,0 Гкал/ч сжигает в Сибири за отопительный сезон 228 т у. т., что создает в зоне его размещения выбросы загрязняющих веществ: золы ~ 1,4 т; SO2 ~ 2,2 т; NO2 ~ 1,7 т; CO ~ 9,1 т; сажи ~ 3,7 т; ПАУ ~ 23 кг и сильного канцерогена бенз(а)пирена ~ 1,1 кг. При этом выбросы парниковых газов, напрямую связанные с эффективностью использования топлива, составят ~ 640т СО2.
Тепловые насосы в мире получили признание как реальная экологически чистая технология энергосбережения, основанная на эффективном использовании для нужд централизованного и децентрализованного теплоснабжения низкопотенциального (до 40°С) тепла QНИТ окружающей природной среды (воздуха, грунта, воды подземных источников, рек, озер, морей и другое) и техногенных стоков (системы оборотного охлаждения промышленного оборудования, промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды).
Эффективность выработки тепла для нужд теплоснабжения для двух получивших наибольшее распространение на практике типов НТ: парокомпрессионных (ПКТН) и абсорбционных бромисто-литиевых (АБТН), можно соответственно оценить по численным значениям:
коэффициента преобразования

или коэффициента термотрансформации

где Q — количество вырабатываемой ТН тепловой энергии с температурой более 40°С; Э и QГЕН — соответственно затраты электроэнергии для привода компрессора и высокопотенциального (более 100°С) тепла (водяной пар, продукты сгорания топлива и др.) для работы генератора [2,3].
Их типовые значения на практике составляют φ = 3…5 и μ =1,4…1,7. Таким образом, за счет использования QНИТ тепловой энергии, не имеющей коммерческой ценности, можно продать потребителю большое количество коммерчески ценного тепла Q для отопления, горячего водоснабжения и на технологические нужды, затратив при этом незначительное количество либо электроэнергии Э, либо высокопотенциального тепла QГЕН. На рис. 1
представлены в сравнении различные варианты получения тепловой энергии, которые подтверждают преимущество теплонасосных технологий.
Можно увидеть (см. рис. 1), что при одинаковых относительных затратах условного топлива «Топливо В =1,0» с помощью ПКТН и АБТН можно получить тепла больше, чем при традиционных теплоисточниках. Казалось бы, что переход на теплонасосный вариант теплоснабжения в России является неизбежным и должен реализовываться ударными темпами.
Однако за границей системы теплоснабжения на основе ПКТН и АБТН различной мощности — это уже норма и реальная альтернатива котлам на угле и газе и производятся они миллионами штук в год, а в России мы находимся только на уровне отдельных показательных разработок и реализованных проектов. Здесь напрашиваются извечные для России вопросы.

Кто виноват и что делать?

Нельзя сказать, что этой проблеме не уделялось внимание. Активное внедрение ПКТН для автономных систем теплоснабжения на промышленных и гражданских объектах началось с конца 80-х годов прошлого века. Основные функции разработчика этого оборудования выполнял ВНИИхолодмаш (г. Москва), а выпуск экспериментальных партий машин НТ-80 был организован на экспериментальном заводе «Красный факел».
В Институте теплофизики СО АН СССР были созданы лаборатория низкопотенциальной энергетики и сектор энергосберегающих технологий, на базе разработок которых получили развитие малое предприятие «Энергия» и ряд коммерческих фирм в Новосибирске: ЗАО «Энергия», ООО «Теплонасос», ООО «СКБ ИПИ», ООО «Теплосиб» и ООО «ОКБ Теплосибмаш», специализирующиеся на разработке, производстве и внедрении ПКТН и АБТН.
В 2014 году работа коллектива сотрудников Института теплофизики им. С.С. Ку-
тателадзе, ООО «ОКБ Теплосибмаш» и ИТМО (г. С-Петербург) была отмечена премией Правительства РФ в области науки и техники за разработку и внедрение абсорбционных термотрансформаторов.
В настоящее время практически единственной отечественной фирмой-проектировщиком отечественных АБТН гражданского назначения и технологий их применения является только ООО «ОКБ Теплосибмаш» (г. Новосибирск), объединившееся с производственной фирмой «Современные тепловые машины — Оскол» (г. Старый Оскол Белгородской области).
Недостатком АБТН во всем мире является достаточно высокий уровень температур НИТ (более 20°С), при котором возможна их эффективная работа. Поэтому областью применения крупногабаритных металлоемких АБТН мощностью в несколько МВт является промышленное производство, где они находят применение в составе устройств, обеспечивающих одновременно нагрев и охлаждение технологических потоков. Эффективная конкуренция российской техники с китайской фирмой Broad, индийской Thermax и другими в современных экономических условиях невозможна без государственной поддержки.
Относительно удачное начало по применению отечественных ПКТН в 90-е годы и в начале 21 века поддерживалось государством и местными органами власти. Высокие тарифы на электроэнергию сделали экономически невыгодным прямое электроотопление даже сравнительно небольших гражданских и промышленных объектов, а неэффективная работа морально и физически устаревших котельных на органическом топливе привела на фоне высокой степени загрязнения их выбросами окружающей среды к снижению общей надежности и экономичности коммунальных систем теплоснабжения.
В этих исторических условиях в Новосибирской области в райцентрах и поселках в рамках региональной программы предполагалось осуществить замену угольных котельных на тепловые насосы, работающие на тепле субтермальных подземных вод питьевого качества с температурой до 40°С уже действующих скважин. Объектами централизованного теплоснабжения были школы, клубы и жилые дома. Для городского хозяйства были разработаны и реализованы теплонасосные установки на базе низкопотенциального (15…25°С) тепла бытовых сточных вод.

Каковы перспективы?

С чем пришлось столкнуться при реализации программ теплонасосного теплоснабжения и в чем причины застоя в этой области в настоящее время?
Основные положения:
1. Замена электроотопления на ПКТН — это всегда выгодно по энергетическим (см. рис. 1), экономическим и экологическим причинам. Затраты на оплату 1,0 кВт электроэнергии на привод компрессора позволяют получить в среднем за отопительный сезон 3…5 кВт тепловой энергии с температурой до 65…70°С для системы децентрализованного теплоснабжения.
2. Как правило, отсутствуют проблемы с инфраструктурой электроснабжения. Проблемой может стать только технический подвод теплоносителя НИТ и затраты на его реализацию. Но если источник НИТ и система теплоснабжения локализованы в пределах одного здания, то эти затраты минимальны. Примеры:
1) Автономная система теплоснабжения Байкальского музея ИНЦ СО РАН
в п. Листвянка Иркутской области на базе тепла воды озера Байкал.
2) Автономная система теплоснабжения канализационно-насосной станции
№ 14 МУП «Горводоканал» г. Новосибирска.
Замена угольных котлов на тепловые насосы в сельской местности для создания систем централизованного теплоснабжения требует:
— усиления инфраструктуры электроснабжения (для работы ПКТН теплопроизводительностью 1,0 Гкал/ч потребуется подвести 400 кВт электроэнергии, ~ 380 В);
— прокладки водовода от источника низкопотенциального тепла (скважины подземной воды, водоем и др.) до места установки теплового насоса;
— обеспечения постоянного отвода охлажденной в ПКТН воды потребителям на хозяйственно-питьевые нужды или обратной закачки в этот же подземный водоносный горизонт (сброс воды на ландшафт или в поверхностные водоемы не является решением проблемы и преследуется законодательно как неэффективное использование природного водного ресурса);
— наличия в бюджете статьи расходов на закупку электроэнергии для ПКТН в соответствии с требованиями энергоснабжающей организации (оплата лимитов, перерасхода, потерь в сетях и другое);
— уменьшения теплопотерь в теплосетях (до 40 % теряется по причине плохой теплоизоляции трубопроводов);
— сокращения штатов угольных котельных и наличия квалифицированного персонала, знающего основы электро- и теплотехники;
— резервирования в случае отключения от энергоисточника (оставить в резерве угольные котлы с аварийным запасом угля либо повысить категорийность электроснабжения);
— индивидуального проекта привязки (отсутствуют типовые решения теплонасосных систем теплоснабжения для сел и райцентров);
— изменения взглядов представителей местной власти на необходимость перехода к энергосберегающим экологически чистым технологиям теплоснабжения (проще иметь «грязную» котельную, т. к. за экологию пока не штрафуют и уголь можно запасти плохой, но до отопительного сезона в необходимом количестве).
3. Сдерживаемые государством внутренние цены на природный газ и постоянно растущие на электроэнергию не позволяют ПКТН экономически конкурировать с газовыми котлами.
4. Российская промышленность не производит в полном объеме комплектующие для изготовления теплонасосной и холодильной техники (после приватизации заводы по их производству сменили профиль деятельности или стали объектами складирования). Сейчас рынок заполнен продукцией западных фирм.
5. Для работы используются рабочие вещества западного производства (озонобезопасные фреоны для ПКТН и водные растворы соли бромида лития для АБТН).

Как ликвидировать застой в этой сфере?

1. Изменить федеральное и местное законодательство в направлении всесторонней поддержки работ по теплонасосной технике различной мощности и ее применению в народном хозяйстве.
2. Рассмотреть возможность реализации механизма государственно-частного партнерства. Одним из вариантов может стать закупка государством современной техники и предоставление этой продукции частным фирмам в лизинг (фирмы продают тепло потребителям и рассчитываются с государством за технику).
3. Для ликвидации отставания в области новой техники провести цикл НИОКР по разработке высокотемпературных тепловых насосов, работающих на диоксиде углерода (углекислый газ). Эта технология позволяет извлекать тепло из окружающего воздуха и обеспечивать нагрев воды в двух режимах — до 65 и до 95°С. Концепция работы теплонасосно-холодильной техники и энергетических установок на углекислом газе является, по мнению экспертного сообщества «Глобальная Энергия», приоритетным направлением развития теплотехники и энергетики в 21 веке.
4. Обеспечить в технических ВУЗах обучение по направлению «Технологии низпотенциальной энергетики». Для этого задействовать возможности проектного обучения, начиная с первого года обучения.
5. Организовать выпуск рабочих веществ для тепловых насосов всех типов на российских предприятиях.
Только при соблюдении этих условий возможно реализовать имеющийся у сибирских территорий потенциал.
С. Л. Елистратов,
заведующий кафедрой Тепловых электрических станций НГТУ-НЭТИ