DOI 10.57112/22022-11

УДК 620.97 (075.8)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЁВ ЗЕМЛИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В АЛТАЙСКОМ КРАЕ

Федянин Виктор Яковлевич

Родт Сергей Александрович

Крюков Дмитрий Николаевич

В соответствии с Приказом Минэнерго России от 29.10.2021 № 1169 «Об утверждении Порядка составления топливно-энергетических балансов субъектов Российской Федерации, муниципальных образований» топливно-энергетические балансы субъекта Российской Федерации содержат взаимосвязанные показатели количественного соответствия поставок топливно-энергетических ресурсов (далее – ТЭР) и их потребления на территории субъекта Российской Федерации, устанавливают распределение ТЭР между системами снабжения ТЭР (электроснабжения, теплоснабжения, газоснабжения и иными системами снабжения ТЭР), потребителями (группами потребителей) ТЭР и определяют эффективность использования ТЭР. Топливно-энергетический баланс экономического объекта или некоторой территории (далее ТЭБ) – соотношение объемов топливно-энергетических ресурсов, поступающих вследствие добычи или ввоза и убывающих вследствие потребления на месте или вывоза. Для расчета топливно-энергетического баланса разные виды топлива переводят в условное топливо [2, 6].

Анализируя ТЭБ, рассмотрим реальное использование энергетических ресурсов в Алтайском крае.

В 2021 году (рисунок 1) 96,4 % первичных топливно-энергетических ресурсов на территорию Алтайского края ввезено, а именно:

7857,7 тыс. т у. т. (тонн условного топлива) – уголь, в том числе для топливных нужд – 4413,8 тыс. т у. т. (для производства электроэнергии на угольных ТЭЦ края, производства тепловой энергии на угольных ТЭЦ и котельных края), нетопливных нужд (сырье для производства кокса АО «Алтай-Кокс») – 3443,9 тыс. т у. т.;

738,7 тыс. т у. т. – электрическая энергия (перетоки из Новосибирской и Кемеровской областей);

1210,2 тыс. т у. т. – природный газ;

1248,6 тыс. т у. т. – сырая нефть и нефтепродукты.

Конечное потребление топливно-энергетических ресурсов в 2021 году составило 10896,2 тыс. т у. т., в том числе:

- населением – 3 437,5 тыс. т у. т. (32 % от общего потребления);

- предприятиями промышленности, организациями и прочими потребителями – 3285,7 тыс. т у. т. (30 %), в том числе:

промышленность – 1772,8 тыс. т у. т.;

сфера услуг – 767,8 тыс. т у. т.;

транспорт и связь – 376,4 тыс. т у. т.;

сельское хозяйство, рыболовство и рыбоводство – 325,5 тыс. т у. т.;

строительство – 43,3 тыс. т у. т. (1 %);

- за пределы края вывезено (передано) 3639,0 тыс. т у. т. (33 %),
в том числе:

весь произведенный кокс – 3443,9 тыс. т у. т.;

электрическая энергия, переданная по межсистемным линиям электропередачи в Республику Алтай, Республику Казахстан, а также реверс в Новосибирскую и Кемеровскую области – 195,1 тыс. т у. т.;

- потери тепловой и электрической энергии на территории края составили 411,5 тыс. т у. т. и 122,5 тыс. т у. т. соответственно (5 %).

По данным Алтайкрайстата в 2017-2021 годах в крае доминировали две основные группы потребителей: население, доля которого в общем электропотреблении региона в 2021 году составила 24,2 %, и обрабатывающие производства, доля которых в общем электропотреблении – 17,5 % [1, 3, 4].

Рисунок 1 - Фактический ТЭБ Алтайского края за 2021 год

Доля сельского населения в Алтайском крае по данным Алтайкрайстата на начало 2022 года составила 42,6 %, большая часть этого населения, проживающая в малых сёлах, топит печи, используя дрова и каменный уголь.

В настоящее время потребление угля в Алтайском крае обеспечивает более 70 % конечного потребления всех энергетических ресурсов. Энергетика Алтайского края зависит от поставок угля из других регионов.

Удаленность потребителей угля от угледобывающих предприятий предопределяет риски, связанные со своевременной доставкой необходимых объемов топлива, а также его относительно высокую стоимость за счет транспортной составляющей. С учетом того, что почти весь уголь, нефтепродукты и природный газ в Алтайский край поступают из других регионов Российской Федерации, можно сделать вывод о зависимости энергетической отрасли края от привозного топлива.

Стратегическое направление «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности» предусматривает повышение энергетической эффективности экономики ТЭК Алтайского края и связано с решением следующих стратегических задач: 1) снижение удельного потребления топлива источниками тепла и электроэнергии; 2) снижение потерь электрической и тепловой энергии в передающих сетях; 3) снижение потерь ТЭР у потребителей [1].

В таблице 1 приведено несколько ПС 35/110 кВ, наименования которых легко связать с географией сельских поселений Алтайского края, фактическая нагрузка которых в 2021 году составляла менее 50 %; всего таких подстанций в 2021 году было 238, таким образом, около половины крупных центров питания в регионе имеют значительный запас (более 50 %) по росту потребления мощности, что по мнению авторов должно рассматриваться как серьезный экономический и энергетический региональный фактор.

Таблица 1 - Фактическая нагрузка ПС 35/110 кВ в 2021 году

Фактические показатели в Алтайском крае за 2021 год потерь электрической энергии при её передаче в условном топливе сопоставимы с величиной потребления угля населением, проживающим в частных домах с печным отоплением. При этом общие потери электрической энергии в регионе по отношению к величине ее потребления населением составляют 40 % [1, 4].

Населенные пункты Алтайского края полностью электрифицированы ещё с советских времён, инфраструктура электроснабжения содержится в исправном состоянии территориальными сетевыми организациями региона, при этом наблюдается системно низкая загрузка электрических сетевых мощностей.

С точки зрения повышения энергетической эффективности региональной энергетики есть все предпосылки изучить вопрос более широкого использования систем электроотопления с целью уменьшения объемов использования привозного каменного угля.

При массовом переводе сельских жителей на электроотопление, часть электрической энергии, которая сейчас теряется при транспортировании этой энергии, заместится потреблением населения на нужды отопления. Сезонная загрузка сетей позволит снизить потери холостого хода и иные технологические потери энергии. В целом рост потребления энергии на электроотопление частных жилых домов приведёт к снижению стоимости транспортирования электрической энергии, так как загрузка сетевых мощностей вырастет, и это не только снижение технологических потерь, но и снижение прямых и косвенных затрат на единицу передаваемой энергии в тарифах. Обоснованно можно утверждать, что запас мощности для роста потребления на нужды электроотопления населения имеется по всему краю, и более равномерная загрузка работы этих подстанций и распределительных сетей до определённого уровня не вызовет сжигания дополнительного топлива, а лишь приведёт к снижению потерь электрической энергии при транспортировке к местам потребления.

Логистика доставки ресурса для отопления нескольких домов в отдаленный район Алтайского края гораздо проще, если это электрическая энергия, а не газ или уголь. Не нужны трубопроводы, дороги и транспорт для перевозки топлива. Таким образом, перевод частных домовладений с угольного отопления на электрическое, особенно в местах со сложной логистикой доставки топлива, будет иметь хороший экономический и экологический эффект.

Кроме того, мы можем использовать для отопления домов низкопотенциальное тепло поверхностных слоёв Земли, и подходящее устройство для этого имеется – геотермальный тепловой насос, способный эффективно использовать этот возобновляемый источник энергии.

Технология использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли в геотермальных теплонасосных системах теплохладоснабжения (ГТСТ) зданий представляет собой одно из наиболее эффективных и динамично развивающихся направлений интеграции в мировой энергетический баланс нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Общий прирост объемов использования геотермальных ТСТ в мире составляет 10 % в год [5].

Солнечная энергия, запасенная в поверхностных слоях почвы – возобновляемый источник, который может быть использован для отопления зданий промышленного и гражданского назначения. Поглощенная поверхностными слоями почвы энергия приводит к нестационарным процессам теплообмена. Средняя годовая температура поверхности почвы в г. Барнауле составляет 2,0 ºС. Это на 0,8 ºС выше средней годовой температуры воздуха. С апреля по октябрь температура поверхности почвы положительна, а с мая по сентябрь превышает 10 ºС. Использование низкопотенциальной теплоты поверхностных слоев Земли посредством тепловых насосов возможно практически в любой местности. В настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Низкопотенциальная тепловая энергия поверхностных слоев Земли, извлекаемая с помощью тепловых насосов, может использоваться для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования в зданиях и сооружениях любого назначения. Оценки потенциала возобновляемого тепла, поступающего в поверхностные слои Земли за счет поглощения солнечной радиации, показывают, что энергии, поглощаемой поверхностью почвы площадью 3-3,5 м2, достаточно для обеспечения теплом 1 м2 отапливаемой площади. [5, 7, 8, 9].

Сравним энергетическую эффективность теплонасосной системы отопления с традиционным использованием угля. Сравним потребность существующей системы в топливе (примем среднегодовой коэффициент использования традиционного топлива с учетом затрат энергии на доставку и потери при складировании и транспортировке равным 60 %) с расходом привозного топлива при использовании теплонасосных систем отопления [9].

На выработку 1 Гкал тепла традиционной системе угольного отопления необходимо затратить угля в количестве:

.

Для выработки этой же энергии с помощью теплонасосной системы отопления будет затрачена электроэнергия в количестве:

Для выработки такого же количества электроэнергии на тепловой электростанции необходимо использовать в качестве топлива каменный уголь (с учетом 15 % потерь при передаче электроэнергии):

Экономия каменного угля:

При этом значительно повышается и экологическая эффективность использования привозного топлива благодаря снижению отрицательного влияния выбросов в атмосферу продуктов сгорания (печное отопление не предусма­тривает их очистку, а системы теплоэлектростанций улавливают примерно 80 % вредных выбросов).

Для объективности картины в таблице 2 приведены в сопоставимый вид доступные для населения Алтайского края виды топлива и энергетических ресурсов в ценах и утвержденных тарифах на начало 2022 года. Прямой ресурсный пересчёт показывает, что уже сегодня электрическая энергия, в качестве топлива, конкурирует по цене тепла с работой малых котельных, годовой объём выработки которых меньше 2000 Гкал в год. Следует также отметить, что стоимость электроэнергии, особенно для населения, хорошо прогнозируется и регулируется государством в отличие от цен на уголь.

У потребителей Алтайского края, проживающих в малых поселениях в сельской местности, нет никаких перспектив по получению более дешёвого топлива в виде угля или природного газа, так как нет никаких факторов, которые могли бы привести к удешевлению этих видов топлива.

Сравним уровень финансовых затрат на теплоснабжение. Примем максимальный рост цен кузнецких углей для населения края в 2 раза и возьмём прогнозный рост цен на электрическую энергию для населения +8 % со второго полугодия 2023 года, отопительный коэффициент теплового насоса – 3. Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что цена единицы тепловой энергии по текущим затратам, т.е. без учёта капитальных затрат, будет в этих условиях отличаться не более чем на 20 %, что делает применение тепловых насосов более выгодным не только для энергетики региона в целом, но и для конкретного потребителя.

Таблица 2 - Сопоставление видов топлива

С учётом того, что Алтайский край является территорией полностью электрифицированной, без собственных источников природного газа и без залежей углей, пригодных для потребления в частных домовладениях, в сложившихся обстоятельствах самым эффективным энергоносителем для систем отопления и горячего водоснабжения становится электрическая энергия, система доставки которой уже создана, а пропускная способность сетей Алтайского края имеет гигантский запас по росту загрузки. Самым перспективным и эффективным с точки зрения электроотопления частных жилых домов станет применение в отоплении технологии тепловых насосов с использованием низкопотенциального тепла поверхностных слоев Земли.

Эксплуатационные затраты теплонасосной системы в отопительный период ниже, чем затраты на отопление при центральном теплоснабжении или отоплении электроконвекторами, но значительно выше, чем при газовом отоплении. Выбор между теплонасосной системой и газовым отоплением зависит, в первую очередь, от стоимости подключения к газоснабжению, но в Алтайском крае это не совсем так, потому что для начала надо построить магистральные газопроводы. Если объём средств, планируемый для строительства магистральных газопроводов в Алтайском крае, направить на внедрение электроотопления с применением тепловых насосов, то энергетическая и экономическая эффективность системы теплоснабжения сельских потребителей значительно увеличится.

Преимущества ГТСТ в сравнении с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также предоставляемыми новыми возможностями в области повышения степени автономности систем жизнеобеспечения зданий. Именно эти качества в самом ближайшем будущем будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынке теплохладогенерирующего оборудования как в нашей стране, так и за рубежом. Установлено, что в отличие от традиционных аналогов, для ГТСТ характерны повышенные единовременные капитальные вложения при сравнительно низких эксплуатационных издержках. Вместе с тем их применение позволяет не только обеспечить экономию энергоресурсов, но и получить значительный экологический эффект от сокращения сжигания традиционного органического топлива.

Таким образом, эффективность ГТСТ в значительно большей степени, чем традиционное теплогенерирующее оборудование, зависит от согласованности всех элементов комплекса: здание+ ГТСТ+ окружающая среда, в связи с чем их проектирование должно базироваться на рассмотрении этого комплекса, как единой эко- энергетической системы. Установлено, что применение новой технологии выработки тепловой энергии с помощью ГТСТ эффективно с точки зрения минимума приведенных затрат, при приведенном сопротивлении теплопередаче ограждающих конструкций здания, большем 2,4 - 2,5 (м2°С)/Вт. Этот факт позволяет значительно повысить экономическую привлекательность систем с ГТСТ и обеспечить снижение приведенных затрат на строительство и эксплуатацию объекта. Проведенные многочисленные «численные эксперименты» данных и при перспективных ценах на газ подтвердили этот вывод [5].

В итоге, можно рассматривать вариант, полностью соответствующий приведенным выше стратегическим задачам развития энергетической системы Алтайского края, формирования региональной программы по массовому переводу сельского населения края на электроотопление с использованием низкопотенциального тепла поверхностных слоев Земли – технологии тепловых насосов.

Список используемой литературы

1. Постановление Правительства Алтайского края № 543 от 31.12.2019 г. с изменениями «Об утверждении государственной программы Алтайского края «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности».

2. Приказ Минэнерго России от 29.10.2021 № 1169 «Об утверждении Порядка составления топливно-энергетических балансов субъектов Российской Федерации, муниципальных образований».

3. Схема и программа «Развитие электроэнергетики Алтайского края» на 2023–2027 годы.

4. Оперативная информация Службы государственной статистики «Производство и потребление электроэнергии по Алтайскому краю 2021», Индекс публикации: 40090, дата выпуска: 26.05.2022.

5. Васильев, Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли / Г. П. Васильев. – Москва : Издательский дом «Граница», 2006. – 173 с. – ISBN 5-94691-202-X. – EDN QNMCSN.

6. Сибикин Ю. Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Ю. Д. Сибикин, М. Ю. Сибикин. – 2-е изд., стер.– М.: КНОРУС, 2012. – 232 с.

7. Федянин, В. Я. Создание эффективных систем энергоснабжения сельских потребителей в условиях юга Западной Сибири / В. Я. Федянин, Д. Н. Крюков // Достижения науки и техники АПК. – 2017. – Т. 31. – № 3. – С. 50-53. – EDN YKUTJH.

8. Федянин, В. Я. Исследование эффективности извлечения возобновляемого тепла с помощью вертикального грунтового теплообменника / В. Я. Федянин, Н. Б. Шарипов // Ползуновский вестник. – 2015. – № 3. – С. 151-155. – EDN VNZIFH.

9. Основы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии : учебное пособие / В. Я. Федянин, С. О. Хомутов, В. М. Иванов [и др.] ; Министерство образования и науки Российской Федерации, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова». – Барнаул : ООО «МЦ ЭОР», 2018. – 146 с. – ISBN 978-5-6040354-2-9. – EDN URCRFK.

Информация об авторах

Федянин В. Я. – д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», Родт С. А. – Председатель комитета Алтайской ТПП по энергетике, Крюков Д. Н. – Начальник экспертно-аналитического отдела в сфере энергетики Министерства промышленности и энергетики Алтайского края, РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

-