Гибридные мультигенерационные установки «народный энергоцентр» для децентрализованного энергоснабжения сельских территорий

Введение . Развитие гибридных мультигенерационных установок на принципе использования различных видов генерирующих и преобразующих устройств для обеспечения надежного и эффективного энергоснабжения. Инновационным является выработка единых стандартов и интеграция в системы аккумулирования, рекуперации и утилизации энергии. Цель исследований - разработка методики проектирования мобильных энергетических систем на базе мультигенерации, создания нормативно-правовой базы для проектирования, строительства и эксплуатации.

«Народный энергоцентр» как концепция развития и создания потенциала для развития и укрепления агропромышленного сектора, развития сельских и удаленных территорий. Структура изменения потребления электроэнергетических ресурсов будет значительно изменяться и это связано как с развитием технологий, новых возможностей оборудования, так и смещением ориентиров на без углеродную энергетику-снижение углеродного следа CO 2 . Важным фактором является появление машин и оборудования с электрической тягой, что требует инфраструктурной перестройки энергохозяйства [1,2].

В 2024г.стоимость присоединения к электрическим сетям (на расстоянии 10 километров установленную мощность 100 кВт) составляет 40 млн. рублей. Эти цифры малого и среднего бизнеса неподъёмные инвестиции. Что определяет потребность в создании систем мультигенерации, малой мощности [3,4].

В рамках государственных программ «Демография», «Государственная программа развития сельского хозяйства», программа «Комплексное развитие сельских территорий»

одним из важных моментов является создание привлекательных условий проживания в сельской местности, создание комфортных условий ведения агробизнеса и быта. Обеспеченность энергоресурсами позволит решить многие из проблем - электроснабжение и связь, тепло- и холодоснабжение. Механизация производственных процессов очень важна для сельского жителя.

Согласно данным на 2023 год, в России 11000 крестьянско-фермерских хозяйств, тогда как в дореволюционной России их было более 16 млн. Укрепление стратегической и продовольственной безопасности требует увеличение доли Крестьянско-Фермерских Хозяйств и Личных Подсобных Хозяйств, что также способствует увеличению доли органического земледелия.

На основании данных ООН в мире к прилавку не доходит до 30 % произведённого продовольствия, а в России аналогичные данные соответствуют 17…20 %. Следует вывод, что огромные резервы в увеличении объёмов производства продуктов питания находятся в сфере развития энергетических технологий- сушильных, холодильных, перерабатывающих мощностей.

Актуальна также «Зеленая повестка» или карбоновые проекты, которые связаны с утилизацией и переработкой вторичного сырья, снижения выбросов парниковых газов, повышения КПД энергооборудования [3]. Федеральный закон от 02.07.2021 N 296-ФЗ «Об ограничении выбросов парниковых газов», Распоряжение Правительства РФ от 29.10.2021 N 3052-р «Об утверждении стратегии социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года» ещё более актуализируют необходимость в создании новых технологических решений комплексного использования энергетических ресурсов. В этой связи важным направлением является создание серийного ряда автономных энергетических установок на основе мультигенерации мощностью 10…100 кВт для использования в сфере сельского хозяйства, ЖКХ, МЧС, МО.

Цель работы заключается в исследовании рынка когенерационных и тригенерационных установок. В России малой когенерационной техники очень мало и используются преимущественно в сфере тепличного хозяйства, а установки тригенерации практически отсутствуют. В итоге стоимость установки европейского производства составляет порядка 1000 $ за 1 кВт и порядка 500 $ за 1 кВт китайского производства.

На основании проведенных совместных исследований и накопленного опыта по проектированию объектов энергетической инфраструктуры агропромышленного комплекса Белгородской области специалистами БГТУ им.В.Г. Шухова, Белгородский ГАУ и СКБ «Энерготехника-проект» проводится комплекс работы по унификации технических решений. В 90 годы Шебекинский машиностроительный завод был одним из лидеров создания линейки транспортабельных котельных, что явилось очень востребованным проектом при децентрализации теплоснабжения в России. Данный опыт дает возможность развернуть программу по разработке унифицированных транспортабельных энергоцентров-«Народный энергоцентр» с возможностью генерации и утилизации электрической и тепловой энергии.

Создания комфортной и безопасной среды для людей, которые приняли смелое решение вести хозяйство вдали от цивилизации, необходима поддержка государства и снижение стоимости автономных установок за счет серийного производства с применением нашего отечественного оборудования, которое сегодня реально существует в разрозненных вариантах- двигатели ДВС, теплообменное оборудование, холодильное оборудование [2]. Проблема существует в отсутствии нормативной базы, единых стандартов для проектирования, правил  эксплуатации. Создавая удобные в эксплуатации и унифицированные энергоцентры позволит развить автономную сельскую инфраструктуру и наращивать объёмы производства сельскохозяйственной продукции и увеличить глубину переработки. В итоге мы получим следующие результаты:

• •    решение демографических проблем за счёт улучшения условий труда и повышая привлекательность сельскохозяйственного производства;

• •    создание комфортной среды реализации своих возможностей для молодежи и людей, склонных к сельскому хозяйству, но колеблющихся в принятии решения;

• •    сокращение потерь произведенной сельскохозяйственной продукции;

• •    более глубокая переработка продукции;

• •    производство экологически чистых продуктов, конкурентных на мировом рынке.

Материалы и методы исследования . Главным достижением реализации программы станет повышение обеспеченности энергоресурсами, позволит снизить риски в хозяйственной деятельности, обеспечить более надежный механизм инвестирования технологий в отдаленных районах.

Важным этапом внедрения является выработка финансового механизма приобретения оборудования через систему Агролизинг, аренды оборудования, передача в концессию. Для сокращения сроков должен работать механизм поддержки государства и сетевых энергетических компаний, так как этап внедрения будет длительным, пока не будет налажено серийное производство, накопится достаточное количество данных установок, будут созданы территориальная инфраструктура и операторы по производству, содержанию и обслуживанию данных устройств. Учитывая низкую динамику развития производства энергоцентров, считаем, что необходима государственная комплексная программа развития малой энергетики.

Современный рынок оборудования насыщен предложениями по использованию энергии солнца, ветра, воды, биоэнергетики, высокотемпературной деструктуризации, пиролизной и водородной энергетики, СПГ, природного газа, дизеля, бензина, сетевой электроэнергии [6,7,9].

Предлагаемая концепция создания энергоцентров малой мощности базируется на создании ряда инструментариев:

• •    расчетно-алгоритмических калькуляторов;

• •    типовых заданий на проектирование;

• •    технических характеристик и параметров- энергоцентра;

• •    типовых технико-экономических обоснований проекта;

• •    каталог типовых узлов и оборудования (двигатели, генераторы, рекуператоры, тепловые насосы, аккумуляторы).

Исходными данными для разработки предлагаются:

Параметр	Значение
Электроснабжение AC	220/380 В
Электроснабжение DC	48 В
Отопление	+60…+90 °C

Параметр	Значение
ГВС	+60 °C
Низкопотенциальный холод	0…+7 °C
Высокопотенциальный холод	-18…-24 °C
Сжатый воздух	6 кгс/см²
Вакуум	50 кПа
Топливо	Дизель, СПГ

Базовое оборудование (отечественное):

• •    Дизель-генераторы (Минский/Ярославский МЗ);

• •    Инверторы/аккумуляторы (НТЦ «АКТОР»);

• •    Теплообменники («Теплообмен», Севастополь);

• •    Холодильное оборудование (российское);

• •    ВИЭ — опционально.

Системы работают параллельно сети, снижая нагрузку на изношенные ЛЭП

Важным фактором при проектировании в системном анализе является инвариантность оборудования под различные условия эксплуатации, диктуемые региональной политикой, топливными ресурсами и иными потребностями в соответствии с назначением. Применения предлагаемых решений позволит значительно сократить инвестиционные расходы на реконструкцию и строительство новых сетей.

Результаты исследований . Полученные данные станут основой для формирования правил проектирования, создания нормативно-технической базы, унификации узлов и деталей, типовых проектных решений. В этом деле ВУЗы, колледжи являются базовыми центрами накопления опыта и проведения экспериментальных разработок с учетом местных особенностей, проведения НИОКР [6].

В последние 15 лет, после принятия ФЗ РФ 261 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» в России начала складываться индустрия использования технологий сжигания, высокотемпературной переработки вторичных ресурсов и использования возобновляемых источников энергии. Созданные установки и технические решения, носят единичный характер, и не имеют универсального подхода в создании моделей энергоцентров на основе тригенерации и мультигенерации [5 ,6,10].

Одним из проблемных переделов мультигенерации является аккумулирование, рекуперация и утилизация энергии с помощью накопителей с фазовым переходом и эффективных Li-Fe-Po аккумуляторов электроэнергии [4,5], что является основой создания энергоэффективных систем гибридной мультигенерации. Значительную часть технических решений накопителей решается за счёт устройств хранения биомассы, ледников, аккумуляторных батарей, аккумуляторов условного тепла на основе материалов с фазовым переходом [5], биотоплива и биогазовых установок, ветро и фотоэлектрических преобразователей. Предлагаемая нами схема предусматривает электроснабжение внутри объекта постоянным током DC 48 вольт, с преобразованием в переменный ток с помощью инверторов[9]. В результате проводимых исследований нарабатываются технологические рекомендации по проектированию, конструированию и производству оборудования. Прототипами по своей сути является гибридный автомобиль, самолёт, трактор, в которых используется механическая, электрическая, тепловая энергия, холод (кондиционирование). Сегодня существует комплекс многообразного отечественного оборудования, которое можно использовать для решения задач энергообепечения.

Результаты исследования и их обсуждение.

Выработанные решения и технологии будут использоваться для разработки нормативно-методических документов в конструкторской документации, которые в последствии могут быть приняты заводами ВПК как конверсионная продукция[11].

Для достижения поставленных целей в обеспечении продовольственной безопасности как гарантии суверенитета государства. Развитие сельского хозяйства и создания комфортных условий проживания и ведения бизнеса в отдалённых районах требует комплекс мер:

• •    принять Государственную программу по созданию мобильных, унифицированных, мобильных энергоценров на базе мультигенерации;

• •    создать фундаментальную теоретическую основу для производства и внедрения средств малой энергетики на базе мультигенерации;

• •    создать финансовые инструменты стимулирования и развития малой энергетики;

• •    провести НИОКР;

• •    унифицировать агрегаты и узлы проектируемых комплексов на базе проведенных исследований и опытного производства;

• •    стандартизировать и унифицировать агрегаты и узлы;

• •    разработать ПО;

• •    разработать типовые решения по аккумуляции и преобразованию энергии;

• •    создать каталог проектных решений для производителей, инвесторов, заказчиков, проектировщиков[11].

Вывод. Сегодня востребованы на рынке гибридные мультигенерационные установки, малой мощности 10…100 кВт, для децентрализованного энергоснабжения сельских территорий, которые смогли бы обеспечить малые крестьянско-фермерские хозяйства электрической мощностью и обладали приемлемой стоимостью, универсальностью, простотой в эксплуатации.(Рис.1)

рекуператор тепла

Рис.1 "Народный энергоцентр"

Тиражирование данного проекта дает возможность создать новый вид высокотехнологичной продукции, даст импульс развития машиностроительным предприятиям, усилит потенциал сельхоз производителей, сделает более привлекательным сельский труд. Мобильные гибридные энергоустановки на базе мультигенерции позволят решать вопрос энергоснабжения, как в перспективных проектах, так и решении насущных вопросов энергоснабжения при чрезвычайных ситуациях, в жилищно-коммунальном хозяйстве ЖКХ, территориях с поврежденной энергетической инфраструктурой.