Два в одном: в СибАДИ усовершенствовали установку для выработки и тепла, и электроэнергии

Небольшие сёла, объекты туристической индустрии, производственные комплексы, расположенные вдали от больших городов, – всё это потенциальная целевая аудитория проекта, представленного командой СибАДИ на студенческом акселераторе. Потребительский спрос на их разработку существует уже много лет. За примерами далеко ходить не надо, ведь даже в районных центрах достаточно длительные отключения электроэнергии (особенно летом в грозу) – привычное дело. Да и теплоснабжение до сих пор оставляет желать лучшего. Что уж говорить о деревне где-то в тайге.

Решение проблемы есть, и достаточно эффективное. Об этом нам рассказал наставник студенческой команды Александр Иванов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизация и энергетическое машиностроение» СибАДИ, руководитель направления «Энергетическое машиностроение».

Без перебоев в энергоснабжении

– Александр Леонидович, судя по презентации, такая энергетическая установка – настоящая палочка-выручалочка для потребителей. Расскажите, пожалуйста, об этой технологии.

– Энергетическая установка сама по себе не нова. Когенерационная установка, которую мы взяли за основу, была создана ещё 50 лет назад и используется в первую очередь на водном транспорте, потому что именно на водном транспорте издавна существовали те проблемы, актуальные для удалённых населённых пунктов, удалённых производственных посёлков, удалённых санаториев и турбаз, которые мы хотим решить. А именно: отсутствие централизованного электро- и теплоснабжения.

Согласитесь, для нас само собой разумеется, что, как только пришла осень, батареи в наших квартирах автоматически включаются и становится тепло. И ещё более само собой разумеется то, что у нас дома в розетках есть напряжение, электрическая энергия, которая и холодильники питает, и электроплиты, и освещение, и телевизор, и так далее. Но совсем другая ситуация наблюдается в отдалённых населённых пунктах. Да, «лампочка Ильича» дошла до самых отдалённых уголков нашей страны. Но, кроме собственно лампочки, люди пользуются холодильниками, электрочайниками, электромясорубками и т. д. Многие стали использовать электрическое отопление, чтобы не топить дровами или углём. А мощностей линий электропередач стало не хватать. Это приводит к тому, что напряжение в сети падает, и те же холодильники уже не могут работать при напряжении в 150 вольт, выходят из строя так же, как и другая бытовая техника.

Соответственно, возник вопрос: где взять электричество? И не просто электричество, а качественное, в 220 вольт. А кроме того, необходимо ведь ещё как-то обеспечить своё жилище теплом. Дрова и уголь привозить, топить печи как минимум два раза в сутки – сложная задача. Протягивать новые ЛЭП – практически нерешаемая. Тем не менее задача снабжения потребителей электроэнергией и теплом достаточно просто решается с помощью энергетических установок на базе поршневых двигателей.

Максимальный КПД

Эта идея не нова, учитывая, что человечество в принципе порядка 60% энергии для своей жизнедеятельности как раз и получает с помощью тепловых двигателей, основной частью которых является поршневой двигатель внутреннего сгорания. Но, как правило, от поршневого двигателя получается только механическая энергия, которая используется на транспорте для его движения. Этот принцип может также использоваться для привода насосов и компрессоров в нефтегазодобывающей отрасли либо для привода генераторов, которые вырабатывают электрическую энергию.

На это идёт 30% энергии от сжигаемого топлива, а 70% энергии выбрасывается вместе с отработавшими газами, с теплотой охлаждающей жидкости двигателя и в том числе около 10% идёт на механические потери. То есть двигатель мощностью 100 киловатт вырабатывает энергию, которая генератором преобразуется в электрическую энергию в объёме 100 киловатт. При этом 30% энергии теряется с отработавшими газами, что также составляет 100 киловатт, и 30% энергии теряется через систему охлаждения, что ещё 100 киловатт. Выходит, что, получая 30% электрической энергии, мы попутно теряем 60%, что составляет 200 киловатт тепловой энергии, которую мы просто выбрасываем в окружающую среду.

Предлагаемая нами когенерационная установка как раз и позволяет утилизировать теплоту отработавших газов и теплоту системы охлаждения. Для этого необходимы специальные теплообменники газ-жидкость и жидкость-жидкость. В настоящее время есть предприятия, которые предлагают подобные когенерационные установки, но это, как правило, промышленные установки, мощность которых составляет 1 и более мегаватт. Они востребованы крупными предприятиями нефтегазовой отрасли либо крупными населёнными пунктами. Стоимость таких установок – от 10 миллионов рублей. Пусть у них КПД и составляет порядка 90%, но это неприемлемая стоимость для большинства потенциальных потребителей.

Энергетическая логистика

Под потенциальными потребителями наши ребята в проекте обозначили небольшие населённые посёлки, турбазы, санатории в лесных массивах, которые использую от 100 до 300 киловатт энергии. Естественно, им нерационально приобретать оборудование за 5–10 миллионов рублей, поскольку это влечёт за собой большой срок окупаемости, зачастую несоизмеримый с жизненным циклом предприятия.

Мы предлагаем когенерационную установку, которая позволяет получать несколько видов энергии – не только механическую, но и тепловую для нужд потребителей. Предварительные расчёты показали, что такая установка может стоить до миллиона рублей. И, что важно, она позволяет практически полностью исключить из системы энергоснабжения существующих предприятий котельные, которые зачастую обходятся в сто и более тысяч рублей в месяц только на получение тепла.

Наша когенерационная установка позволяет выработать 100 киловатт электроэнергии и при этом 200 киловатт тепловой энергии. Можно вспомнить, что несколько лет назад новые микрорайоны уже пытались оснастить подобными установками, их ещё называют мини-ТЭЦ, но по непонятным причинам идея не прижилась. Между тем современные ТЭЦ крупных городов нерентабельны и требуют постоянных дотаций. В результате – достаточно высокая стоимость электро- и теплоэнергии. Это связано с тем, что система доставки топлива от ТЭЦ до конечного потребителя нередко составляет несколько десятков километров. Представляете, труба, по которой идёт горячая вода или энергоноситель для систем отопления, идёт от теплоцентрали до жилого массива под землёй при температуре окружающего воздуха -20 градусов. Разница температур между теплоносителем, трубой и землёй достаточно ощутима. Как следствие – огромные тепловые потери. А мы потом думаем, почему же нерентабельны вот эти ТЭЦ? Просто огромное количество теплоты теряется в окружающую среду. И всё это входит в стоимость тепла, которое доходит до наших квартир.

– Как вы планируете добиться снижения потерь тепла и увеличить мощность ЛЭП?

– Предлагаемая нами когенерационная установка находится в непосредственной близости от конечных потребителей электро- и тепловой энергии, поэтому потери минимальны. Это отражается и на стоимости электрической и тепловой энергии. Потери минимальны, соответственно, КПД энергетической установки может достигать 90%, в результате и стоимость электрической и тепловой энергии вполне доступна для конечных потребителей.

Я ещё раз подчеркну: огромное количество теплоты от сжигания топлива теряется в процессе транспортировки. А в случае отдалённых населённых пунктов, где попросту отсутствуют сети централизованного тепло- и энергоснабжения, жителям приходится использовать частные котельные, а электричество использовать то, которое есть. Учитывая, что мощность ЛЭП недостаточна, напряжение низкого потребительского качества, электроприборы горят. И задача считается нерешённой до тех пор, пока потребитель не получит нужное напряжение 220 вольт в сети и нужное количество тепла в своём доме без необходимости выходить колоть дрова, носить уголь, топить печь.

Актуальное решение

– Сможет ли эта энергетическая установка помочь в решении проблемы теплоснабжения северных районов Омской области, пока туда не пришёл газ от магистрального газопровода?

– Естественно, такие энергетические установки помогут в решении проблемы теплоснабжения северных районов Омской области, и не только Омской области – всего Крайнего Севера, там, куда ещё не пришёл газ магистрального газопровода. А если газ от магистрального газопровода и дойдёт, то возникнет вопрос: где же брать электрическую энергию? Так вот, наша энергетическая установка просто будет адаптирована для работы на газе. Топливо будет дешёвое. Электрическая и тепловая энергии будут доступны. Это решит сразу все проблемы.

– Поступают ли вам предложения по внедрению этих разработок? И есть ли какие-то препятствия (организационные, финансовые, человеческий фактор) для запуска их в эксплуатацию?

– Да, поступают. Мы уже делаем расчёты для турбаз – две турбазы у нас уже есть, которые попросили нас посчитать, как им уйти от котельной, которую они используют для получения 100 киловатт энергии, которые им необходимы.

Пока 100 тысяч рублей в месяц они тратят только на покупку газа, чтобы только отапливаться. Отдельно они подключены к ЛЭП недостаточной эффективности, и в результате печи, которые они используют в столовых, а также холодильные камеры выходят из строя. Они вынуждены приобретать электрогенераторы для запитывания электрических мощностей, но при этом они отапливают свои помещения с помощью газовых котельных.

Предварительные расчёты показали, что то решение, которое мы предлагаем, они могут использовать уже с учётом того, что оно окупится за пять с половиной месяцев.

Генератор идей

– Над чем планируете работать дальше? Какие идеи ваших студентов считаете интересными и перспективными?

– С нашими студентами мы разрабатываем и другие перспективные научные направления. Связаны они в основном с повышением эффективности энергетических установок на базе поршневых двигателей, повышением экологической безопасности, снижением расхода топлива. И новое направление у нас – с учётом того, что специальность по нашему направлению «Энергетическое машиностроение» – «Гибридные силовые установки и электромобили».

Сейчас мы с ребятами работаем над проектом гибридных силовых установок для автотранспортных средств, которые уже используют поршневой двигатель. Но мы разрабатываем методику перехода на гибридную, в том числе электрическую, силовую установку. То есть предлагаем устанавливать электродвигатель вдобавок к существующему поршневому двигателю. Это позволит решить сразу ряд проблем. Во-первых, повысится суммарная мощность силовой установки, причём, как показывают исследования, это необходимо всего-то в 20% случаев. А в остальные 80% автомобиль будет использовать существующую энергетическую установку с мощностью и, соответственно, расходом топлива достаточно низкими.

Все эти направления актуальны, и студенты, работая над ними, видят конкретные решения многих проблем. Экстраполируют эти идеи на себя, на своих близких и могут уже в практической работе применять эти идеи. Особенно когда мы провели расчёт финансовой модели, посчитали эффективность внедрения, посчитали прибыль, они увидели, что, в принципе, если они освоят эту методику, реализуют этот проект, то смогут вести самостоятельную предпринимательскую деятельность.

Автор: Марина Неупокоева

Фото предоставлены Александром Ивановым.