Технические науки / 5. Энергетика

канд. техн. наук Кулакова Е.С., Паненко Н.Н., Денисова А.В.

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова ФГБОУ ВПО ДГАУ, Россия

Экономическая эффективность и перспективы теплонасосных установок в России

После нефтяного кризиса 70-х годов прошедшего века Запад извлек соответствующие уроки и, наряду с другими нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии, обратил внимание на развитие индустрии теплонасосных установок (ТНУ) [1]. Результаты не заставили себя долго ждать. На начало XXI века в мире насчитывалось около 40 млн. штук ТНУ, из которых почти 10 млн. эксплуатировались в США. В этой стране почти половина ТНУ мощностью 3-30 кВт обеспечивают теплом коттеджи. В холодной Швеции более 350 тыс. домов (22% от общего числа) обогревается при их помощи. В Германии эксплуатируются сотни ТНУ мощностью 10 и более МВт [2]. По данным Института теплофизики СО РАН, в развитых странах к 2020 году планируется почти три четверти теплоснабжения обеспечить за счёт внедрения ТНУ различной мощности. Они стали широко применяться в групповых котельных, обеспечивающих теплом здания, расположенные на компактной территории.

Разработчики международного проекта TACIS (Technical Assistance for the Commonwealth of Independent States, Евросоюз) провели расчёт энергетического потенциала низкопотенциального тепла (источника энергии для ТНУ) как в России в целом, так и (выборочно) трех субъектах Российской Федерации: Астраханской и Нижегородской областях, а также Краснодарском крае. При этом определены потенциалы тепла водоёмов и грунтов, сточных вод и систем охлаждения тепловых электростанций [3].

В табл. 1 и 2 приведены для примера значения валового, технического, экономического энергопотенциала низкопотенциального тепла грунтов и водоёмов России и отдельных субъектов РФ.

Здесь валовый энергетический потенциал принят равным количеству теплоты, которое можно получить теоретически. Технический потенциал определялся из наличия технических возможностей преобразования низкопотенциальной теплоты с помощью ТНУ. Экономический потенциал принимался равным от около 30 до 50% от технического ресурса. Производственный потенциал определен из расчета 30% от экономического.

Таблица 1 - Потенциал сбросов сточных вод, геотермального и низкотемпературного тепла грунтов и водоемов России ([3], извлечения)

Параметр	Валовой потенциал	Технический потенциал	Экономический потенциал	Производственный потенциал
	млн. т условного топлива^*
Всего по России, в том числе: сбросы сточных вод	40,8	19,1	8,56	2,82
тепло грунтов и водоемов		26,4	13,22	4,36
системы охлаждения конденсаторов электростанций	142,4	37,4	9,50	3.14
системы оборотного водоснабжения	370,3	106,0	20,0	6,60

^* 1 кг у. т. – 29 МДж

Полученные значения экономического потенциала и оценки производственного потенциала низкотемпературного тепла грунтов, водоёмов, сбросных и сточных вод показывают, что величина указанного энергетического ресурса для замещения органического топлива в России составляет не менее 20 млн. т у.т. в год. Использование этого, по сути возобновляемого энергетического ресурса, могло бы существенно снизить ингредиентное и тепловое загрязнение обширных территорий.

Таблица 2 - Энергетический потенциал тепла водоёмов и грунтов в России и отдельных субъектах РФ [3,4]

№	Параметр	Россия в целом	Субъекты Российской Федерации
			Астраханская область	Краснодарский край	Нижегородская область
1	Технический потенциал, млн. Гкал	394,68	3,87	4,87	11,83
	Технический потенциал, млрд. кВт×ч	77,76	0,76	3,71	2,32
	Технический потенциал, млн. т у.т.	26,44	0,26	1,26	0,79
2	Экономический потенциал, млрд. кВт×ч	38,88	0,38	1,91	1,18
	Экономический потенциал, млн. т у.т.	13,22	0,13	0,65	0,40
3	Производственный потенциал, млрд. кВт×ч	19,66	0,57	2,51	0,587
	Производственный потенциал, млн. т у.т.	6,68	0,19	0,87	0,187

В Астраханской области суммарный производственный потенциал энергоносителей низкотемпературного тепла составляет около 3,9 % от прогнозируемого энергопотребления области в 2020 г., в Краснодарском крае – 3,5 % и Нижегородской области 0,9 % также от прогнозируемого энергопотребления в 2020 г.

В рамках проекта TACIS была оценена экономическая эффективность использования низкопотенциального тепла на территории вышеуказанных субъектов Российской Федерации. Полученные данные свидетельствуют о высокой экономической эффективности и инвестиционной привлекательности проектов тепловых насосов в указанных регионах. В табл. 3, для примера, приведены результаты соответствующих расчётов применительно к Краснодарскому краю, исходя из планируемой 6 %-ной нормы дисконтированной прибыли (здесь ВИЭ означает теплонасосную установку).

Таблица 3 - Зависимость интегральных показателей проекта использования тепловых насосов мощностью 10 МВт от коэффициента использования их номинальной мощности[3,4]

Коэффициент использования номинальной мощности Kинм, %	40	50	60	70	80
Суммарная номинальная мощность, МВт	10	10	10	10	10
Коэффициент использования номинальной мощности ВИЭ, %	40	50	60	70	80
Годовая выработка ВИЭ, млн. кВт×ч	35,04	43,8	52,56	61,32	70,08
Капитальные затраты на возведение ВИЭ, млн. евро	12,82	12,82	12,82	12,82	12,82
Замещение органического топлива (природного газа), тыс. т	7,0	8,76	10,51	12,26	14,02
Стоимость замещенного органического топлива в РФ, тыс. евро	566	706,9	848,3	989,7	1131
Сокращение выбросов парниковых газов, тыс. т	19,2	24,05	28,86	33,66	38,47
Стоимость предотвращенных выбросов, тыс. евро	385	481	577	673	769
Себестоимость энергии евро/кВт×ч	0,030	0,024	0,02	0,017	0,015
Срок окупаемости ВИЭ по оптовой цене рынка, лет	99,0	99,0	10,8	7,7	6,1
Срок окупаемости ВИЭ по оптовой цене + надбавки, лет	6,1	4,2	3,2	2,6	2,2
Срок окупаемости ВИЭ по оптовой цене + топливный бонус, лет	7,7	5,3	4,1	3,3	2,8
Трудоемкость реализации проекта ВИЭ, чел.×час/млн. кВт×ч	0,324	0,259	0,216	0,185	0,162

Как показывают приведённые результаты, высокой энергетической эффективности тепловых насосов соответствует низкая в сравнении с прочими энергоисточниками себестоимость (0,2 – 0,3 евро-цента/кВт×ч или 0,9 – 1,3 руб/ кВт×ч) и малые периоды окупаемости проектов установки ТНУ, составляющие от 3 до 8 лет при разных вариантах ценообразования на закупаемую от тепловых насосов энергию. Весьма высоким у них является, что позитивно и аналог производительности труда, или трудоёмкость производства электроэнергии (0,2 – 0,3 чел.×ч/млн. кВт×ч).

Использование ТНУ в условиях рассмотренных регионов экономически оправдано, как считают многие эксперты, уже при ценах на вырабатываемую ими энергию (в пересчете на электроэнергию) более 3 евро-центов/кВт×ч (чуть больше 1,3 руб./кВт×ч), если будут обеспечены достаточно большие значения коэффициента использования их номинальной мощности (K_инм более 70 %). При продолжительности работы с номинальной мощностью более 3000 ч/год использование будет экономически целесообразным даже при цене закупки энергии от ТНУ 6 евро-центов/кВт×ч (~ 2,7 руб./кВт×ч).

Уже сегодня применение ТНУ за рубежом имеет конкурентные преимущества перед традиционными способами отопления, особенно если для этого применяется нефть. Там, прежде всего, ценится их экологичность и возможность ухода от зависимости от внешних поставок углеводородов. Как следствие, продажа ТНУ растет, причем не только мелких (для индивидуальных домов), но и установок мощностью несколько сотен киловатт и более.

Следует отметить, что основные затраты при их установке относятся, главным образом, к дополнительному, а не к основному оборудованию. В большинстве случаев затраты на собственно тепловой насос и другое основное оборудование составляют 2/3, а стоимость монтажа и вспомогательного оборудования – 1/3 общих затрат. Для больших установок это соотношение может изменяться, и затраты на собственно тепловой насос не превысят 20 % полной стоимости. В результате особое внимание уделяется совершенствованию отдельных элементов ТНУ, прежде всего теплообменного оборудования. Важными направлениями здесь являются: конструкция испарителей для различных источников низкопотенциального тепла; решение проблемы размораживания испарителей, контактирующих с наружным воздухом; создание более эффективных преобразователей воздушных потоков; дальнейшее развитие конструкций определенных типов компрессоров. Примерами таких новшеств являются создание двухступенчатого компрессора, использование новых рабочих тел и применение новых холодильных циклов.

С ростом масштабов строительства зданий с пониженным энергопотреблением и более совершенной теплоизоляцией выдвигаются более жесткие требования и к самим тепловым насосам. Необходимы их более тонкая градация по мощности (лишняя мощность – лишние затраты), более тонкая регулировка нагрузки и более низкие удельные затраты на единицу установленной мощности. Здесь особенно интересны ТНУ, использующие тепло вентиляционного воздуха, предназначенные для производства горячей воды.

Для ТНУ, устанавливаемых в индивидуальных домах, нужны новые испарители, не использующие вентиляторы и при этом бесшумные и относительно дешевые.

Среди факторов, оказывающих влияние на распространение тепловых насосов, наиболее важными (согласно зарубежному опыту) являются [5]:

- климатические факторы, наличие и доступность источников низкопотенциального тепла;

- строительные стандарты и проектирование систем обслуживания зданий;

- экономические условия и предполагаемые затраты;

- отношение больших энергетических компаний (особенно монополистов в этой области) и тарифы;

- экологическая «продвинутость» правящей элиты и управленцев;

- наличие опыта и материально-технической базы.

Климатические условия – один из определяющих факторов пригодности ТНУ. В условиях холодного климата, т.е. низкой среднегодовой температуры, и отсюда значительной потребности в длительном отоплении жилых помещений, преимущества использования ТНУ очевидны, но не всегда. Континентальный климат с очень жарким летом и холодной, не слишком долгой зимой благоприятен для использования комбинации кондиционер-тепловой насос. Морской климат с умеренными температурами, но относительно длительной потребностью в отоплении (Британские острова, южная Скандинавия, северная Германия, северная Франция, у нас, например, Краснодарский край) подходят для применения теплового насоса, при этом надежным источником тепла является внешний воздух.

Успешное применение ТНУ в значительной мере зависит от характеристик системы распределения тепла, к которой он подключается. В большинстве случаев преобладающая водяная система распределения тепла с диапазоном температур 80-60 °С имеет существенный запас тепловой мощности, что позволяет снизить температуру подающей воды до уровня, приемлемого для использования тепловых насосов. При прямом электрическом отоплении и отсутствии системы распределения тепла ТНУ с воздушным теплообменником может использоваться для общего отопления [5].

Современные ТНУ обычно имеют электрический привод. Соответствующее обеспечение электрической энергией по цене, которая конкурентоспособна с другими источниками энергии, является необходимым условием широкомасштабного внедрения этих установок. В Швеции, например, это условие легко выполняется в связи с широким использованием дешевой гидроэнергии. Однако в настоящее время даже в этой стране значительное количество электрической энергии, которая могла бы быть эффективно использована ТНУ, потребляется электрическими бойлерами или другими системами отопления. А это составляет почти треть тепловой энергии от возможного производства её теплонасосными установками.

У нас, в России, как известно, проблеме энергосбережения, экономии углеводородного топлива и электричества, развитию возобновляемых источников энергии стали уделять внимание лишь в последние годы [6]. С другой стороны, экономическая целесообразность применения теплонасосных установок в значительной степени определяется отношением стоимости электроэнергии к стоимости топлива в перерасчете на его теплотворную способность. Для России сложилось завышенное почти в 3 раза по сравнению с развитыми странами Запада значение данного соотношения. Это является серьезной преградой для массового внедрения ТНУ в систему теплоснабжения и отопления.

Тем не менее, в нашей стране имеются позитивные сдвиги в этом направлении. Крупный проект по использованию ТНУ реализуется в г. Новошахтинске Ростовской области. Там с помощью этих устройств уже отапливаются комплекс городской больницы, детская больница, школа, детский сад и профессиональное училище. В проект включены 51 котельная (20 – газовых, 31 – угольная); объем инвестиций в первую очередь проекта составил 157,5 млн. рублей. После проведения модернизации общее производство тепловой энергии составит 174700 Гкал/год, из них 120100 Гкал/год пойдет на отопление и 54600 Гкал/год на горячее водоснабжение. В Краснодаре ведется сооружение опытной ТНУ теплопроизводительностью 100 кВт с использованием специальной пропан-бутановой фракции. «Роскоммунэнерго» совместно с Институтом теплофизики Сибирского отделения Академии наук РФ создан компрессионно-десорбционный водоаммиачный тепловой насос теплопроизводительностью 1 – 1,5 МВт для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения на базе низкопотенциальной теплоты 15 – 30 °С.

Эксперты отмечают, что отечественные ТНУ по достигаемому коэффициенту преобразования теплоты не уступают лучшим мировым образцам. Сообщается, что при обеспечении надлежащих условий эксплуатации ТНУ достигается экономия традиционного топлива в сравнении с прямым электрообогревом до 270 кг у.т., а в сравнении с котельными – 55 кг на 1 МВт×ч тепловой энергии.

Хотелось бы надеяться, что этот и другие проекты откроют дорогу более крупным и многочисленным. Для этого нужны четко выраженная государственная поддержка, корректировка тарифов на вырабатываемую энергию с учётом экологических достоинств теплонасосных установок, а также формирование благожелательного и заинтересованного отношения отечественных энергетических монополий. Тогда и у нас, в России, число устанавливаемых тепловых насосов будет измеряться не десятками и сотнями, а миллионами.

Литература:

1. Гибилиско С. Альтернативная энергетика без тайн / С. Гибилиско; [пер. с англ. А.В. Соловьева]. – М.: Эксмо, 2010.

2. Сибикин Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб. пособие / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. – М.: Кнорус, 2010.

3. Перспективы развития возобновляемых источников энергии в России. Результаты Проекта TACIS Europe Aid / 116951 / C / SV / RU. Николаев В.Г., Ганага С.В., Кудряшов Ю.И., Вальтар Р., Виллемс П., Санковский А.Г. / Под ред. В.Г. Николаева. – М.: Изд. «АТМОГРАФ», 2009.

4. Безруких П.П. Справочник по ресурсам ВИЭ России и местным видам топлива /П.П. Безруких, В.В. Дегтярёв, В.В. Елистратов и др. . – М.: ИАЦ «Энергия», 2007.

5. Энергосберегающие технологии в современном строительстве / Пер. с англ. Ю.А. Матросова и В.А. Овчаренко; под. ред. В.Б. Козлова. – М.: Стройиздат, 1990.

6. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (утв. распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715-р).