Энергия тысячи солнц

div>

Три года понадобилось красноярским академикам на то, чтобы перевернуть с ног на голову Второе и Нулевое начало термодинамики. Результат их труда — не известное пока широкому рынку направление «термоэлектротрансформация», но подлежащее научному пониманию и признанию. А это, говорят учёные, дело времени.

В 1995 году в корпусе экологии красноярского Академгородка — а это четырёхэтажное здание площадью 25 000 м³ — не подключили отопление.

«Совместно с Владимиром Накоряковым, ведущим учёным в области теплофизики и автором теории тепловых насосов, мы поставили там тепловой насос, в качестве теплоисточника использовали холодную воду с температурой 6–10 °C. Из оборудования — экспериментальный термотрансформатор ТН-500 с тепловой мощностью 0,5 Гкал/час и потребляемой мощностью в 160 кВт. Таким образом мы отапливали здание корпуса экологии, провели множество экспериментов и нашли уникальное решение. Сегодня там работает наша лаборатория.

С момента изобретения теплового насоса прошло не меньше века, но сегодня мы только-только подходим к пониманию его новых возможностей и механизмов, готовимся к техническому воплощению и применению этих идей в жизни. Три года проб и ошибок позволили понять, какие теплоэнергетические процессы происходят в этом аппарате. Охлаждали воду в трубах всего на один градус: иногда она даже замерзала, но благодаря теплонасосу корпус экологии отапливался. Подтверждён даже экономический эффект — не менее 400%. Рассчитать его очень просто: мы учли предполагаемые расходы по теплу от центральной тепловой сети и реальные затраты на электричество на текущий момент», — делится опытом сотрудник ФИЦ «КНЦ СО РАН», к. т. н., академик Международной академии экологии Сергей Баякин.

Этот эксперимент и его анализ подсказал учёным обратиться к истории. В своё время, когда незыблемым было Второе начало термодинамики, Джеймс Максвелл был первым, кто осмелился его оспорить. Его демон подверг сомнению коренной постулат о том, что энергия холодного тела не может передаваться нагретому. Но тогда технически осуществить это было невозможно. До сих пор научный мир экспериментирует и ищет технические средства, чтобы это сделать — но близкие результаты получены лишь в пределах микроуровня крайне сложным и дорогим образом.

«Мы это сделали на уровне применения в нашей жизни. Итак, мы внимательно посчитали температурный и энергетический баланс системы, которая работала у нас в Академгородке. И пришли к выводу, что энергии холодного тела — в данном случае проходящей воды — вполне хватит, чтобы получить из неё электрическую. А она могла бы крутить компрессор, который передаёт энергию от низкотемпературного источника к высокотемпературному. При этом рассчитали, что система может работать без внешнего источника энергии. Система действительно заработала, и «Демон Максвелла» переродился в ангела. Таким образом мир может реально двигаться в сторону совершенно чистой безуглеродной энергетики», — констатирует Сергей Геннадьевич.

Реальный термодинамический цикл можно увидеть в любом учебнике по термодинамике. Вот как описывает схему академик Баякин.

«Красная маленькая стрелка в нижней части — это то количество энергии, которое требуется для передачи энергии от холодного тела к более нагретому. Синяя стрелка, где демон вместе с ангелом от «А» до «Е», показывает, сколько энергии можно превратить в электричество. Так называемый COP (сокр. от coefficient of performance) составляет в настоящее время 4. Это значит, достаточно КПД 25%, чтобы преобразовывать тепловую энергию в электрическую, и система сможет работать автономно. Это реальный термодинамический цикл хладагента R134 А, который мы использовали в экспериментальном виде», — объясняет эксперт. (рис. 1)

Теперь представим себе сам теплонасос. Состоит он из четырёх компонентов: испаритель, конденсатор, компрессор и дроссель. Последний — и есть ключевая точка той самой идеи, в которой находится демон, а теперь уже и ангел. Дроссель — элемент пассивный, он препятствует передаче тепла сверху вниз, от горячего источника к холодному, объясняет Сергей Геннадьевич. Но если его сделать активным — в виде турбины — он начинает преобразовывать тепловую энергию в механическую или электрическую и передавать её на компрессор.

Авторы называют своё детище новым словом в термоэнергетике: ещё 20–30 лет назад такое было технически невозможно. Решение пришло из авиации: газовые подшипники. Когда изучили, эксперты МЭИ и ЦАГИ развели руками, что сами не догадались. Сегодня это совершенно реально именно в нашей стране: COP в современных насосах — от 4 до 7, КПД турбогенераторов в отдельных случаях достигает 30–60%. Для автономной работы системы достаточно 25%. Хладагенты позволяют работать всей этой системе непрерывно десятки лет, поскольку фреон выступает в том числе как смазка. Что и подтверждает практика использования кондиционеров, а, например, холодильники «Бирюса» эксплуатируют до 30 лет.

Как всё это связано с энергией Солнца? По словам учёных, солнечная погода здесь совершенно ни при чём: эта энергия геотермальная. В сибирских широтах средняя температура грунта +4…+7 градусов. И если грамотно расположить теплосъём, то солнечная энергия будет постоянно поддерживать эту температуру.

Сергей Баякин привёл ещё один пример масштабного применения — многоэтажное домостроение. Сейчас уже проектируют объекты с полным автономным энергообеспечением: остаётся только подвести воду и отвести канализацию. А электрическую и тепловую энергию объекты будут получать за счёт той же солнечной постоянной. Команда проекта подготовила и утвердила министерством энергетики ТЭО для Дивногорска: подразумевается подогрев воды на входной части. Срок окупаемости составит 1 год 4 месяца. Следующий объект — сам Красноярск, расчёт прост.

В «Электрическая мощность Красноярской ГЭС — 6 ГВт. А тот объём воды, который Енисей сбрасывает, — это наш местный «Гольфстрим». Охлаждение воды всего на 2 градуса позволит реке замерзать в районе города, при этом снимаемая тепловая мощность составит 8,37 ГВт — а это больше, чем вырабатывает гидроэлектростанция. Необходимая тепловая мощность для города Дивногорска — это 200 Гкал/час, а для Красноярска 2 ГВт хватает за глаза.

С 1993 года, когда эти цифры были просчитаны, ещё никто не подверг их сомнению. Вот это подарок красноярских учёных Красноярска юбилейному городу, все решения имеют международную патентную защиту», — заключил в своём выступлении г-н Баякин.

Так красноярские учёные разработали техническую основу безуглеродной энергетики. Высокоскоростные современные турбогенераторы позволяют повысить коэффициент СОР теплонасосов до бесконечности и вырабатывать электрическую энергию из любых низкотемпературных источников. Масштабное применение, по мнению экспертов, технология может найти в непрерывном преобразовании энергии Солнца в электрическую как на жилых и производственных объектах, так и на электротранспорте любого вида: рельсовом, колёсном и индивидуальном.

К слову об экологии: термоэлектротрансформация позволяет решить важнейшую задачу абсолютно чистой безуглеродной генерации тепловой и электрической энергий любой мощности в любых широтах земного шара, включая Арктику и прибрежную часть Антарктиды.

Какой из источников энергии можно назвать самым «грязным»? Мы уже не раз писали: угольные ТЭЦ как главный источник «грязного воздуха» в городах не более чем миф. Наши эксперты этот миф многократно опровергали, в том числе представители АО «СУЭК-Красноярск».

Так, краевой центр стал вторым российским городом после Улан-Удэ, где пару лет назад провели очередную корректировку тома ПДВ (предельно допустимых выбросов): в документ включили автономные источники теплоснабжения — частный сектор. Тогда-то парадигма и сдвинулась с места.

«Раньше просто никто не представлял, что 20 тысяч частных домовладений внутри миллионного города могут выбрасывать столько вредных веществ. Разработчик — СЗМ НПЦ ИПЭГ провёл важное параметрическое исследование. Специалисты определили источники загрязнения по отдельным группам: промышленные предприятия, энергетика, частный сектор.

Выводы предстали весьма неожиданные: главным источником загрязнения в городе оказался бензапирен. Это значит, гигиенические нормативы нарушены более чем на 50% территории. Оказалось, что алюминиевый завод не единственный источник бензапирена, как считали раньше, не меньше производит частный сектор. Хотя выбросы алюминиевого гиганта — 1400 кг/год, в то время как АИТ — всего 70 кг/год, то есть в 20 раз меньше. Через низкие трубы он выбрасывает яд прямо в селитебную зону — в отличие от РУСАЛА, у которого высокие трубы», — приводит цифры заместитель технического директора АО «СУЭК-Красноярск», д. т. н. Сергей Степанов.

Выходит, что безусловный загрязнитель номер один — частный сектор, и его доля в анализе тома ПДВ — 82,8%. Испытания «СУЭК-Красноярск» эти цифры подтвердили.

«Для термообработки угля, добытого на Берёзовском разрезе, мы применяем технологию «термококс». За основу испытательного стенда мы взяли типичный котёл в модели обычной печи с колосником. Так мы отбираем дымовые газы на анализ и определяем эмиссию вредных веществ на килограмм условного топлива.

Что в результате получилось? По бензапирену мы определили снижение эмиссии в десятки раз, при разных режимах от 40 до 200, по оксиду углерода в 1,5–2 раза, по оксиду серы, азота и взвешенным веществам — на порядок. Вредное воздействие бензапирена в общих выбросах мы определили в пределах от 85 до 90% — это весьма активно коррелирует с томом ПДВ», — подтверждает Сергей Григорьевич.

Что говорит мировой опыт борьбы с угольным смогом? Впервые закон о чистом воздухе был принят в Англии в 1956 году. Сегодня страны Евросоюза принимают меры, которые ставят чёрный дым из труб вне закона. Топливо обязательно должно пройти сертификацию, прежде чем его начнут применять в населённых пунктах. Так, сегодня в Англии 115 марок бездымного топлива предлагают 40 производителей, 27 из которых — импортные, получившие сертификат департамента экологии. Красноярский СУЭК в этом смысле вовсе не изобрёл велосипед. Про бездымный уголь подробно мы писали ровно год назад (ПСС №3 (137) март 2019).

Круглый стол, посвящённый чистой энергетике и прошедший в рамках Х Сибирского энергетического форума, не первая площадка, где учёные умы, промышленники и представители власти говорили об эффективности термококса.

«Считается, что дрова, в отличие от угля, — топливо экологически чистое, но это ещё один миф. Данные из руководства ЕМЕП/ЕАОС по инвентаризации выбросов Евросоюза говорят о том, что объёмы бензапирена при сжигании различных топлив на колосниковой печи соизмеримы. В отличие от пеллет, которым нужны котлы с обращённым процессом горения, бездымное топливо можно сжигать в какой угодно буржуйке», — обратил внимание г-н Степанов.

Сегодня бездымные брикеты на базе «Красноярского гортопа» стоят 7500 рублей за тонну. Калорийность балахтинского угля марки 2Б-3800 доходит до 5000 ккал/кг, у брикетов — 6300, что в полтора раза выше, чем у бурого. Но что эти цифры значат для представителей самого частного сектора? Как «населению» конвертировать эти цифры, чтобы подсчитать свои затраты на тепло в доме? Насколько доступен бездымный уголь и может ли конкурировать с углём и дровами?

«Нужно сформировать программу замещения традиционного топлива бездымным в частных домовладениях и локальных котельных малой мощности. При этом нужно обеспечить меры социальной поддержки и субсидий малоимущим слоям населения и пенсионерам.

По аналогии с зарубежным опытом необходимо разработать систему испытаний и сертификации топлив и принять нормативные акты, которые поставят дымящие трубы частных домовладений и мелких котельных вне закона», — заключил Сергей Степанов.

«Красноярску нужно не менее 150 тысяч тонн бездымного топлива. В любом случае это большой инвестиционный проект, объём вложений должен быть несколько сотен, если не миллионов рублей. Рынок также сформируется под миллиард рублей, и до прихода газа в Красноярье бездымное топливо однозначно будет востребовано. Не без поддержки и субсидий со стороны администрации города и правительства региона.

За счёт масштабов можно снизить себестоимость тонны до 4 000 рублей. Но даже при таком раскладе традиционный уголь дешевле — от 1800 до 2500 рублей за тонну. Населению нужно предложить конкурентный вид топлива — не только экологически более безопасного, но и доступного по цене», — разъяснил заместитель главы Красноярска, руководитель департамента экономической политики и инвестиционного развития Вячеслав Полищук.

Как показывает статистика с 2000 по 2019 годы, ежегодно тарифы дорожают в среднем на 10%. Снизить стоимость киловатта не меньше чем в 5 раз, по словам директора ООО «Экоклимат-Енисей» Романа Цыгулина, поможет геотермальный тепловой насос — благодаря коэффициенту преобразования.

«Пример объекта, который постоянно потребляет большие мощности, — база отдыха, которая круглогодично требует 41 кВт на отопление и 20 кВт на горячую воду, причём горячая нужна и для сауны, и для бани, и на подогрев бассейна. Так, если сравнивать затраты, потребляемая мощность с учётом стоимости гигакалорий ТЭЦ составит 300 тысяч кВт, при использовании электрокотла — почти 400 тысяч, котла со сжиженным газом — не менее 700 тысяч. Тепловой насос израсходует 126 000 кВт», — подсчитал Роман Николаевич.

Немало противоречий и в вопросах комплексного освоения территорий. С одной стороны — нацпроекты и федеральные программы по вводу жилья и потребность обеспечить их «сетями», с другой — градостроительные ограничения, которые накладывают объекты генерации. Это либо ТЭЦ, либо газгольдеры. Речь идёт о санитарных разрывах и охранных зонах, которые препятствуют хозяйственному освоению территорий. Экологичным инструментом эксперты называют технологическое решение с использованием тепловых насосов.

«На примере трёх детских садов могу сказать, что в среднем технологическое комплексное присоединение типового экономически эффективного социального объекта к сетям стоит от 2,5 до 5 млн рублей. Это в городе, а о чём говорить, если территория удалённая? Очевидно, сетей там нет, а такой тип генерации позволил бы решать эти вопросы автономно. Не говоря уже про стратегию пространственного развития.

Оптимальный вариант — осваивать территории не интенсивно, концентрируя плотность застройки, а экстенсивно, расширяя площадь и уменьшая плотность.

Тепловой насос использует тот же самый геотермальный внешний контур, который будет использовать устройство, иными словами, он работает автономно. Более того, его всегда можно заменить, модернизировать», — отмечает заместитель директора по взаимодействию с органами государственной власти и местного самоуправления, начальник мастерской градостроительного проектирования АО «Красноярскгражданпроект» Антон Пагурец.

В завершении круглого стола Сибирского энергофорума участники сошлись во мнении: собирается экспертное сообщество регулярно, разработки предлагают интересные. Есть готовое конкретное решение — бездымное топливо. Почему же воз и ныне там? Неужели на то нужен указ сверху?

Пример прямой поддержки высших эшелонов власти — инициатива 2018 года, результатом которой стало соглашение, которое подписали на КЭФ весной 2019. В центре внимания — Лесосибирск с ежегодным объёмом отходов лесопиления в 6 миллионов условных кубов. Всю эту массу теперь будут превращать в экологически безопасное топливо. До сей поры масштабы переработки этого продукта ограничивались десятками тысяч тонн. Это, конечно, не бездымный уголь, но в каком-то смысле альтернатива и конкурирующий продукт.

Зарождению новой отрасли промышленности — экологического машиностроения — мы посвятили большое интервью в номере ПСС № 12 (145). Сегодня экспертам есть, что добавить. Мы накопили отходов столько, что «разгребать» их придётся нескольким поколениям, уверен Александр Багин, заместитель председателя комитета по природопользованию и экологии ТПП РФ. Он предложил более широкий подход, который подразумевает формирование нового сектора экономики — экологического, в перспективе самого крупного по оборотам и занятости населения.

«Европейцы даже без объединения ОКВЭД получили первое место по количеству занятых — 3,4 млн рабочих мест. В то время как авиастроение с оборотом 300 млрд евро — 2,7. Американский рынок чистых технологий приближается к 1 трлн долларов. Согласно 44-ФЗ, на содержание, эксплуатацию зданий и сооружений государство тратит — вы не поверите — больше 1 трлн рублей ежегодно. При том что основные фонды составляют всего 18%. В документе 172-ФЗ «О стратегическом планировании в РФ» слова «экология» нет вообще — речь только о социально-экономическом развитии. Уже сейчас нужно вносить поправки в систему планирования как корпоративного, так и государственного. Первое ключевое направление — это система государственных закупок. Статья 44-ФЗ устанавливает качественные, функциональные и экологические характеристики объекта закупки, а не только ценовые. Берём любое техническое задание — там этот раздел есть, но он пуст. А во сколько обходится государству закупка тех же самых люминесцентных ламп по критерию цены, если их утилизация не предусмотрена? Это значит «до ближайшего оврага» и последующий вред здоровью и окружающей среде. Либо нужно добавлять на каждую лампу условные 2 рубля, чтобы предусмотреть последующую утилизацию.

И так по каждому виду продукции», — считает Александр Михайлович.

Не менее важно и то, как эта работа будет организована. Например, множество вертикальных экспертных советов, созданных при ведомствах, по мнению Александра Багина, в большинстве случаев работают неэффективно, а сами эксперты субъективны по определению. Технологическая платформа как рабочий механизм тоже работает плохо, потому что в её основе — та же система — «сверху вниз».

«Назрела необходимость формирования межрегиональных научно-технологических, деловых и образовательных партнёрств без юридического лица. Технологии — это вчерашний день, сами по себе они не работают. Важно, чтобы комплексные технологические решения под ключ были обеспечены как со стороны заказчика, так и со стороны исполнителя. Все, которые отвечают нормативам, можно тиражировать в регионах», — подытожил г-н Багин.

Что касается исполнителей, сегодня, в эпоху колоссальной разобщённости, многие представители малого и среднего бизнеса не имеют достаточно компетенций, финансовых возможностей и доступа к административным ресурсам, поэтому обречены если не на полное исчезновение, то на весьма скромное существование. Поэтому эксперты обсудили возможность создания «Центра компетенций по малой распределённой энергетике и предпринимательству» и подписали соглашение о начале создания проекта этого института.

«Я не имею в виду объединение участников рынка просто по формальным признакам — этого у нас хватает. Я говорю о внутриотраслевой кооперации и создании «Центра компетенций». Его регулярная деятельность позволит комплексно решать проблемы, препятствующие развитию малого и среднего бизнеса в сфере малой энергетики. Предполагается, что работа Центра обеспечит эффективную многоуровневую поддержку предпринимателям и систематизирует работу разрозненных участников рынка», — предлагает президент общественной организации «Российский Центр деловых переговоров», советник председателя совета Центросоюза РФ Андрей Шоколо.

1 кг угля, сожжённый в бытовой печи, выбрасывает бензапирена в 370 раз больше, чем сожжённый на ТЭЦ

Как такового КПД у теплового насоса не существует — есть коэффициент трансформации COP, который составляет от 4 до 7.

Так называется мысленный эксперимент 1867 года, главный персонаж которого — гипотетически разумное существо микроскопического размера, придуманное Джеймсом Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики.

«В 2019 году была принята долгосрочная стратегия социально-экономического развития города Красноярска до 2030 года. Один из приоритетов — реализация всех проектов, которые должны учитывать и экологические аспекты. Экологическая картина города имеет следующую структуру: неблагоприятное воздействие оказывает примерно 30% промышленности, 30% — транспорт и не менее 30% — частный сектор в черте города. Условно это около 20 000 домохозяйств, которые сжигают по меньшей мере 150 000 тонн бурого угля. Центр города плюс пригород — это уже 300 000 тонн. Чтобы исправить эту ситуацию, необходимы системные плановые мероприятия».