|
СКОЛЬКО НУЖНО ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОЛНОГО СЧАСТЬЯ?
ООО "НПК АТЭК":
Владимир Семенович Ломазов,
В шестом номере журнала "Двигатель" за 2008 год была опубликована проблемная статья "Как открыть нефтяную скважину на лесопилке" с подзаголовком "Перспективы производства и применения в энергетике гранулированных топлив на основе растительного сырья". Статья носила общеописательный характер, но в качестве иллюстраций мы использовали фотографии оборудования, производимого фирмой "НПК АТЭК". Разработка этой фирмой комплекса оборудования финансируется Министерством образования и науки РФ. Редакция обратилась к специалистам "НПК АТЭК" с просьбой прояснить основные принципы, которым они руководствовались в своей работе. Вниманию читателя предлагается первая из статей, написанных сотрудниками этой фирмы.
Все мы платим за пользование энергией: кто-то меньше, кто-то больше. В современной городской квартире электричество - основной вид энергии. Мы им пользуемся каждый день. Из обычного анализа расходов за электроэнергию выясняется, что семья из четырех-пяти человек тратит ежемесячно в городской квартире в среднем от 400 (летом) до 600 (зимой) киловатт-часов. Ощутимо влияет на структуру наших взаимоотношений с электричеством тенденция последних лет: снижение потребления электроэнергии на бытовые нужды. Стали более экономичными бытовые приборы - телевизоры, пылесосы, холодильники. Появились новые типы энергосберегающих осветительных ламп. Но, с другой стороны, в квартирах прочно заняли свое место микроволновые печи и компьютеры, тоже потребляющие электричество.
Из этого простого наблюдения, учитывая, что в среднем в месяце от 720 до 744 часов (за исключением февраля - в нем 672 часа в обычный год), следует логичный вывод: средняя часовая потребляемая мощность электроприборов городской семьи не превышает 1 кВт. Запомним это число.
Получается, что в среднем на сутки жизни городского жителя (без учета затрат на подачу воды, потребления в целом по дому и освещению прилегающей к подъезду территории) необходимо не более 200 Вт электрической мощности. На селе статистика дает несколько иные цифры. В современном сельском доме со всеми городскими удобствами расходуется электроэнергии на 25...30 % больше, чем в городе, а если используется дровяное отопление, то наоборот - на 15...20 % меньше. Итак, мощность 200 Вт в сутки на человека в среднем в течение года в качестве исходного пункта - вполне корректное обобщенное статистическое значение.
Выводы, которые следуют из приведенных выше прикидок ошарашивают как специалистов-энергетиков, так и неспециалистов. Получается, что для электроснабжения квартиры или жилого дома, имеющего все современные блага цивилизации, достаточно… маленького генератора в 1 кВт электрической мощности (вот для чего мы просили запомнить эту цифру)! Но это только в том случае, если потребление энергии "равномерно размазывается" по дню. Чего, как известно, не бывает. Утро и вечер - моменты повышенного потребления энергии, а середина дня и, особенно, ночь - пониженного. Наши выкладки будут верны, если имеется техническая возможность отделить генератор от потребителя, организовав между источником и потреблением некую "буферную зону", в которой во время отсутствия потребления энергия будет аккумулироваться и откуда она будет расходоваться в момент его роста. Прикидывая параметры такой "зоны", необходимо учитывать, что потребление электроэнергии в часы пиковых нагрузок может в 10 раз превышать среднестатистическое потребление.
Обсуждаемая проблема неравномерности потребления хорошо известна в "большой энергетике" (что, впрочем, выходит за рамки настоящей статьи). Стоит, пожалуй, только упомянуть, что в середине 1960-х годов под Киевом была сдана в эксплуатацию Киевская гидроаккумуляторная электростанция на Днепре - Киевская ГАЭС. Используя рельеф местности, проектировщики станции устроили на высоком берегу Днепра большой искусственный водоем, в который насосами закачивалась вода в дневные и ночные часы. На закачку воды расходовалась избыточная и ненужная в это время электрическая мощность. А в утренние и в вечерние часы эта вода сбрасывалась на турбины станции. Суммарная вырабатываемая мощность станции перекрывала те самые пиковые потребности в электроэнергии. Система, выполняющая аналогичные функции, может и должна обеспечивать энергоснабжение квартиры или отдельного дома, на котором устанавливается автономная система электроснабжения.
Таким образом, техническое задание на систему электроснабжения отдельных жилых помещений можно сформулировать так:
- генерирующая мощность определяется из расчета не более 200…250 Вт на одного человека или по существующим строительным нормам (9…14 м2 - в зависимости от региона, стоимости жилья и т.д.) - 1…1,2 кВт на 75 м2 жилого помещения;
- пиковая электрическая мощность принимается равной той, на которую рассчитываются современные сети - до 8 кВт установленной электрической мощности на жилое помещение;
- время, на которое необходимо рассчитывать аккумулирующую систему, должно быть в пределах 2…3 часов. Это те вечерние часы, когда все члены семьи одновременно находятся в доме, готовится ужин, производятся хозяйственные работы, включено максимальное количество осветительных и электробытовых приборов. Время, на протяжении которого система должна возобновить потраченную в пиковое время энергию, не должно превышать 8 часов;
- качество энергии должно соответствовать ГОСТ РФ - частота 50 Гц не должна колебаться более чем на 0,2 %, напряжение также должно оставаться в заданных пределах.
Опуская статистические данные, можно привести следующий приближенный график изменения нагрузок в предлагаемой системе.
В настоящее время подобные системы не являются новинкой для специалистов. Это - серийные системы бесперебойного питания, широко применяемые как в промышленности, так и в быту, например, для обеспечения безопасности работы компьютерных сетей. Однако до сегодняшнего дня никто не предлагал их широкое применение в сфере бытового электроснабжения.
Между тем выгода от установки в каждой квартире системы бесперебойного питания, доработанной под особенности жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), огромна. Для самого потребителя она незаметна, но для поставщика электроэнергии выгоды от внедрения источников бесперебойного питания (далее ИБП) весьма существенны.
Первым и очевидным преимуществом массового применения ИБП станет резкое уменьшения установочных генерирующих мощностей, в особенности там, где стоят малые ТЭЦ, снабжающие энергией жилые микрорайоны. Уменьшение установочной мощности на 1 кВт дает экономию от 30 до 60 тыс. руб. Речь идет о том, что на малых газотурбинных или дизельных ТЭЦ установочная мощность может быть уменьшена в 2...3 раза, а это при 10 МВт мощности (действующие нормы) даст экономию в капитальных затратах от 150 до 300 млн. руб. на одну ТЭЦ.
Но экономия этим не исчерпывается. Равномерность нагрузок самым положительным образом влияет на статистику отказов и ресурс самих генерирующих установок. Таким образом, возникает существенный выигрыш в эксплуатационных расходах.
Но главный резерв экономии возникает в самом чувствительном для всех генерирующих компаний месте - в расходе топлива.
Существующие станции, даже самые современные, использующие парогазовый цикл получения электроэнергии, имеют электрический к.п.д. около 50 %. Это означает, что 50 % энергии уходит в тепло. Однако, большая часть станций работает с куда более низким к.п.д. - 30 % и менее. И если зимой это тепло можно реализовать потребителям, то в летние месяцы вся энергия выбрасывается в атмосферу, нарушая тем самым естественный тепловой баланс и вместе с ним - Киотский протокол. Что недопустимо.
Возрастание потребления электроэнергии в пиковые часы не сопровождается ростом необходимости в тепловой энергии. Однако электростанции, увеличивая выработку электрической энергии, вынужденно еще больше увеличивают и производство тепла. При этом расход топлива резко возрастает, а с ним и невозвратные тепловые потери. После того, как пиковые часы миновали, станции переходят в режим пониженной мощности. Но при этом к.п.д. станций падает, поскольку наиболее эффективно они работают именно в пиковых режимах. Кроме того, в ночные часы потребление падает до таких пределов, что возможны остановки генераторов, поскольку образуется избыток энергии. Все эти переходные процессы резко снижают суммарный электрический к.п.д. генерирующих систем и, как следствие, увеличивают тепловые потери и расход топлива. А с ними растут издержки самих производителей энергии, а также суммарные нагрузки на окружающую среду.
Большая энергетика - не единственная область применения системы электроснабжения, включающей в себя ИБП. Наиболее интересной сферой применения связки “генератор - ИБП - потребитель” является область "распределенной энергетики", энергетики малых генерирующих мощностей. В том случае, когда генерирующие мощности находятся в том же месте, где и потребители (в индивидуальном доме или малом поселке), возникает возможность создания энергетически сбалансированной системы энергоснабжения замкнутого цикла, максимально использующей избытки тепловой энергии. Работы по созданию такой установки, финансируемые Министерством образования и науки РФ, - тема следующей статьи.