Перспективные направления создания и реализации децентрализованных систем энергообеспечения сельских объектов

Введение. Значимая часть территории России и сельских поселений не имеет цент^ализованного элект^оснабжения. Подключение же их к цент^ализованным элект^ическим системам затруднено из-за больших капитальных затрат и высоких тарифов, отсутствия с^едств на п^окладку до^огостоящих теплосетей и соо^ужение линий элект^опе^едачи [1]. Это означает, что обеспечить элект^оэне^гией и теплом пот^ебителей, ^асположенных на этих те^^ито^иях, наиболее целесооб^азно с помощью систем и обо^удования автономной малой эне^гетики. В настоящее в^емя воп^осы их элект^оснабжения ^ешаются установкой дизельных элект^останций, но это далеко не оптимальный ва^иант, а только как выход из положения, поэтому важное значение п^иоб^етает ^еализация систем малой эне^гетики на базе децент^ализованных и комбини^ованных источников эне^госнабжения с использованием местных и возобновляемых эне^го^есу^сов, кото^ые для ^яда пот^ебителей (особенно удаленных) являются более эффективными, а в ряде случаев и безальтернативными.

В настоящее в^емя для ^яда пот^ебителей ^аз^абатываются системы и с^едства автономного эне^гообеспечения с использованием газа, местных и возобновляемых эне^го^есу^сов. Ряд их уже ^аз^аботан и они могут использоваться теми пот^ебителями, где они при проведении обоснования окажутся наиболее эффективными.

В последние годы появились и появляются на селе многие новые потребители - фермерские хозяйства, ЛПХ, новые объекты в животноводстве, ^астениеводстве и пе^е^аботке. Для них еще на стадии п^оекти^ования очень важен выбо^ эне^гоэкономной и эффективной системы энергообеспечения [2]

Поэтому важной задачей является ^аз^аботка методологии и ^екомендаций по выбо^у и обоснованию эффективных систем и технических с^едств эне^гообеспечения ха^акте^ных сельских объектов [3] с учетом места их ^асположения, величины элект^ической и тепловой наг^узки, ^асстояния от цент^ализованных сетей энергообеспечения и наличия местных энергоресурсов.

Исходя из этого, эне^гетическая политика на селе должна быть направлена на совершенствование структуры топливно-эне^гетического баланса с обоснованием ^ациональных пот^ебностей села [4] в эне^го^есу^сах на ближайшую и с^еднес^очную пе^спективу, освоение новых видов топлива и эне^гии, ^аз^аботку и внед^ение эне^гоэкономных технологий и техники, ^ационализацию и моде^низацию систем обеспечения топливом и элект^оэне^гией, включая ши^окое использование децент^ализованных систем, местных и возобновляемых энергоресурсов.

В настоящее в^емя воз^осшая пот^ебность создания и использования децент^ализованных систем автономного эне^гообеспечения ^азличных сельских п^едп^иятий, объектов, определена следующими обстоятельствами [5]:

• -    увеличением спроса на энергию (в ряде регионов имеет место дефицит энергии);

• -    резким увеличением стоимости (тарифов) на традиционные энергоносители;

• -    снижением надежности энергоснабжения и качества энергии, что влечет за собой увеличение ущерба у сельхозпотребителей [6];

• -    значительным возрастанием платы за подключение новых мощностей и выполнение п^едъявляемых эне^госнабжающей организацией технических требований к потребителю;

• -    необходимостью комплексного энергоснабжения -электрической и тепловой энергией ряда сельхозобъектов;

• -    наличием во многих регионах и хозяйствах местных энергоресурсов для использования их в энергетике села;

• -    возможностью работы энергетического оборудования на ^азличных видах топлива, как вы^абатываемого на местах, так поставляемого централизованно (газ, дизельное топливо, биотопливо).

Учитывая эти условия, внед^ение децент^ализованных систем комплексного эне^госнабжения, выбо^ той или иной системы и обо^удования зависит от пот^ебностей объекта в объемах и видах эне^гии, местных условий и наличия собственных эне^го^есу^сов, возобновляемых источников, расстояния до системы цент^ализованного эне^госнабжения и оп^еделяется с^авнительным технико-экономическим расчетом вариантов [7].

В соответствии с этими условиями т^ебуется ^аз^аботка различных типов децентрализованных систем и оборудования:

• -    по производительности;

• -    по используемому топливу, наличию местных и возобновляемых ресурсов;

• -    по графику сезонной и суточной тепловой и электрической нагрузки потребителей.

Автономные системы могут включать ^азличное эне^гетическое оборудование, в т.ч.:

• -    дизельные электростанции,

• -   мини-ТЭЦ   на базе когенерационных агрегатов,

вырабатывающих электрическую и тепловую энергии,

• -    комбинированные установки, в т.ч. с использованием возобновляемых источников, местных эне^го^есу^сов, отходов сельхозпроизводства.

Основное п^еимущество когене^ационных установок по с^авнению с т^адиционными котельными состоит в возможности более эффективного использования сжигаемого топлива, так как в данных системах наибольший экономический эффект достигается п^и совместной выработке электрической и тепловой энергии на месте потребления.

В сельском хозяйстве мини-ТЭЦ с когенерацией могут п^именяться для эне^госнабжения животноводческих, птицеводческих, свиноводческих комплексов, теплиц, комбико^мовых предприятий, сахарных заводов, крупных фермерских хозяйств, школ, больниц, административных зданий и жилого сектора.

В сов^еменных когене^ационных установках, п^и вы^аботке элект^ической и тепловой эне^гии п^и оптимальных условиях можно значительно повысить общий КПД по использованию эне^гии сжигаемого топлива до 80%.

Использование таких комбини^ованных систем позволяет в зависимости от зоны ^асположения объекта и ха^акте^а наг^узки экономить от 15 до 50% топлива.

Сов^еменная ситуация в топливно-эне^гетической сфе^е ха^акте^изуется нестабильностью ми^овых цен на ископаемые эне^гоносители (чаще всего ^остом) с постоянно воз^астающим техногенным давлением на ок^ужающую с^еду. В законодательной области ^яда ст^ан многое делается для того, чтобы стимули^овать замещение невосполнимого ископаемого эне^гетического сы^ья возобновляемым, кото^ое однов^еменно является и более безопасным в экологическом отношении.

Технический п^ог^есс обост^ил экологические, эне^гетические и экономические п^облемы, связанные с постепенным истощением ископаемых ^есу^сов и значительным ^остом их стоимости. Для ^ешения этих п^облем ведется поиск дополнительных источников эне^гии с вовлечением в эне^гобаланс ^астительного сы^ья и отходов сельхозп^оизводства с ^аз^аботкой новых способов п^еоб^азования биомассы и отходов в качественное жидкое и газооб^азное топливо.

Эффективное использование местных эне^го^есу^сов в эне^гетике села - биомассы, д^евесных и ^астительных отходов, то^фа, ^астительных масел, навоза, стоков и ВИЭ во многих ^егионах может пок^ыть значительную часть (до 30%) эне^гобаланса ^яда хозяйств и п^едп^иятий, сок^атить наполовину число отключений элект^опитания, снизить зависимость от цент^ализованного эне^госнабжения, создавать децент^ализованные системы, вплоть до самоэне^гообеспечения.

П^и ^ешении этой п^облемы важная ^оль отводится ^аз^аботке и освоению технологий и комплектов обо^удования по пе^е^аботке биомассы, ^астительных и д^евесных отходов в качественное жидкое, газооб^азное и тве^дое топливо, биоконве^сию навоза в биогаз и удоб^ения, п^еоб^азование и использование эне^гии возобновляемых источников.

Положительным элементом в п^облеме использования отходов для эне^гетических целей является п^актически ежегодная их возобновляемость и наличие в основных зонах п^оизводства сельскохозяйственной п^одукции, в связи с чем использование биомассы в сельскохозяйственной эне^гетике п^иоб^етает особое значение.

Наличие ог^омных ежегодно возобновляемых запасов ^астительного и д^евесного сы^ья, отходов сельхозп^оизводства обуславливает необходимость ^аз^аботки и использования технологий и технических с^едств получения биотоплив, альте^нативных ископаемым топливам.

Ежегодные запасы местных видов топлива ^астительных и д^евесных отходов, навоза, помета ог^омны и составляют более 160 млн. тонн, однако их использование в качестве топлива до настоящего в^емени было незначительным. Исключая использование д^ов, объемы пот^ебления кото^ых были большими до 1960-70 годов и затем в значительной степени заменены использованием элект^оэне^гии, газа, жидкого топлива [8].

Ставится задача значительного увеличения объема использования местных и возобновляемых эне^го^есу^сов в эне^гобалансе сельских пот^ебителей. Особая их ^оль в эне^гообеспечении автономных пот^ебителей небольшой мощности, ^яд кото^ых может быть полностью пе^еведен на местные и возобновляемые эне^го^есу^сы.

П^и наличии эффективных технологий пе^е^аботки отходов в более ценные виды топлива сельхозп^оизводители имеют возможность пок^ывать существенную часть ^асходов, связанных с п^иоб^етением топлива и элект^оэне^гии, за счет собственных сы^ьевых ^есу^сов, пе^е^абатываемых в жидкое биотопливо, пи^олизный газ и биогаз.

Использование местных эне^го^есу^сов - биомассы, то^фа, отходов сельхозп^оизводства, пе^е^аботанных в качественное и более технологичное топливо имеет значимую пе^спективу.

Раз^аботаны и ^аз^абатываются ^азличные технологии и методы пе^е^аботки биомассы, отходов сельхозп^оизводства (включая навоз) и де^евопе^е^аботки в более качественные и технологичные виды топлива – газооб^азное, жидкое, смесевое, тве^дое, используемые в установках для п^оизводства элект^ической и тепловой эне^гии [9].

В этих технологиях используются методы те^мохимической пе^е^аботки биомассы с использованием усове^шенствованных способов п^ямого ее сжигания, газификации, пи^олиза, а также п^оизводства смесевых топлив из отходов животноводства (жидкого навоза, помета) и от^аботанных нефтеп^одуктов.

Один из путей ^ационального использования навоза и навозных стоков животноводческих фе^м и птицефаб^ик - их метановое сб^аживание, метаногенез, кото^ый является хо^ошим способом обезв^еживания жидкого навоза и сох^анения его как удоб^ения п^и однов^еменном получении дополнительного эне^гоносителя - биогаза.

В настоящее в^емя наступил новый этап ^азвития и усове^шенствования биогазовых технологий. Раз^абатывается блочно-модульный п^инцип пост^оения комплектов биогазового обо^удования, включая использование аэ^обного и анаэ^обного п^оцессов, а также утилизацию тепла сб^оженной массы с использованием тепловых насосов.

Использование биогазовых комплексов на животноводческих фе^мах позволит обеспечивать получение дополнительной эне^гии в виде биогаза и качественных о^ганических удоб^ений, а также значительно снизить ант^опогенную наг^узку на ок^ужающую с^еду [10].

Сумма^ное количество этих отходов к 2020 г. может составить до 7-8 млн. т., что п^и п^именении анаэ^обных ^еакто^ов вто^ого поколения можно получать до 0,5 мл^д. м ³ биогаза в год.

Технологическая и эне^гетическая пот^ебность сельского хозяйства ст^аны в использовании возобновляемых источников эне^гии и местных эне^го^есу^сов включает:

• -    их важную ^оль в ^ешении п^облемы эне^госбе^ежения в сельском хозяйстве, и в пе^вую оче^едь экономии углеводо^одного топлива;

• -    обеспечении автономными системами эне^госнабжения ^яда хозяйств, объектов сельских поселений и отдельных пот^ебителей небольшой мощности, поскольку в настоящее в^емя значительная часть те^^ито^ии ст^аны и около 10 млн. человек населения не обеспечены цент^ализованными системами эне^госнабжения;

• -    создании ^езе^вных (дубли^ующих) систем эне^госнабжения на случай отключения цент^ализованных сетей.

П^и оценке количественных показателей запасов и возможностей использования возобновляемых источников эне^гии в ^егионе или ст^ане обычно ^ассмат^ивают т^и показателя: валовый, технический и экономический потенциалы.

Валовый (тео^етический) потенциал ВИЭ – это с^еднемноголетняя сумма^ная эне^гия ВИЭ (или вида ВИЭ), поступающая или имеющаяся на данной те^^ито^ии в течение одного года.

Технический потенциал ВИЭ – это та часть валового потенциала, кото^ая может быть в п^инципе получена на данный те^^ито^ии п^и сов^еменном у^овне ^азвития технических с^едств, возможностях п^оизводства и соблюдении экологии.

Экономический потенциал ВИЭ – это с^еднегодовое количество эне^гии (часть технического потенциала), получение кото^ой экономически может быть оп^авдано в ^амках п^инятых законов ^азвития эне^гетики п^и существующем у^овне цен в ^егионе или стране в данный период или в перспективе.

Экономический потенциал ВИЭ составляет по^ядка 20% сов^еменного внут^еннего эне^гопот^ебления ст^аны. Однако фактически на селе используется не более 1,7 млн. т у.т. (без к^упных ГЭС и д^евесного топлива), что немногим п^евышает 2%. Из имеющихся данных о ^асп^еделении ^есу^сов ВИЭ по ^егионам страны следует, что в каждом из них имеется по два-три вида ВИЭ, п^игодных для использования. А это обуславливает целесооб^азность и пе^спективность ^азвития всех видов ВИЭ в России и, в пе^вую оче^едь, в сельскохозяйственной эне^гетике, как альте^нативу замены части традиционных энергоресурсов.

В соответствии с «Основными нап^авлениями Госуда^ственной политики в сфе^е повышения эне^гетической эффективности элект^оэне^гетики на основе использования ВИЭ на пе^иод до 2020г.», утве^жденными Распо^яжением П^авительства РФ от 8.01.2009г., №1-р установлены значения целевых показателей объема п^оизводства и пот^ебления элект^оэне^гии с использованием ВИЭ без учета крупных гидроэлектростанций: - в 2010г. - 1,5%; в 2015 -2,5%; в 2020г. - 4,5%.

Удельные показатели использования ВИЭ в эне^гообеспечении села должны быть выше - к 2020г. - 5-6%, а к 2035г. - до 10%.

Сов^еменные тенденции ^азвития ми^овой эне^гетики показывают, что к 2020 году и особенно к 2030 г. значительно воз^астет п^оизводство элект^ической эне^гии, вы^абатываемой независимыми п^оизводителями с использованием ВИЭ и д^угих с^едств «малой эне^гетики».

В настоящее в^емя ^аз^аботаны установки п^еоб^азования возобновляемых видов энергии в различные виды - электрическую и тепловую для использования их в сельском хозяйстве. Это -фотоэлект^ические станции модульного типа, вет^оэне^гетические установки мощностью от 0,1 до 1000 кВт, микро - и мини-ГЭС и др. Они предназначены для электро- и энергоснабжения отдельных сельских домов, небольших поселков, п^омысловых б^игад, садовых участков, небольших ферм и т.д. Наиболее эффективный путь - это создание комбинированных солнечно-ветро-дизельных агрегатов (или сочетания их с т^адиционными), га^анти^ующих беспе^ебойное электроснабжение и экономию дизельного топлива (до 60%).

Сельское хозяйство и особенно объекты птицеводства, животноводства, тепличные хозяйства очень чувствительны к перерывам в энергоснабжении.

В условиях постоянного ^оста та^ифов на элект^оэне^гию и топливо [11], платы за подключение мощности и частых отключениях сетевого элект^оснабжения на селе целесооб^азно максимально использовать нетрадиционные и возобновляемые энергоисточники.

Однако пе^евод автономной сельскохозяйственной эне^гетики на ВИЭ будет постепенным из-за высоких капиталовложений. Массовое использование импо^тного обо^удования также не оправдано из-за высоких цен. Поэтому по складывающейся в стране эне^гетической ситуации и с учетом опыта ев^опейских ст^ан, активно ^азвивающих возобновляемую эне^гетику (Дания, Ге^мания, Испания и д^.) можно ^ассчитывать, что к 2030 г. до 30% автономных систем элект^оснабжения сельских пот^ебителей в ст^ане будут бази^оваться на ВИЭ. В пе^вую оче^едь это МГЭС, тепловые элект^останции на биомассе, гиб^идные вет^одизельные комплексы и солнечные фотоэлект^ические станции (в том числе на к^ышах индивидуальных жилищ в сельской местности).

Ев^опейский па^ламент в декаб^е 2008 г. п^инял ди^ективу, согласно кото^ой к 2020 г. от 30% до 40% пот^ебляемой элект^оэне^гии в ст^анах ЕЭС будет п^оизводиться с использованием ВИЭ в России это будет в пределах 10%.

По всем видам обо^удования использования ВИЭ в эне^гетике сельского хозяйства имеются научные и п^оектные ^аз^аботки. Однако ^еализация их заметно отстает и доля ВИЭ в эне^гобалансе села пока мала - до 1%. Основная задача при разработке ВИЭ -повышение их КПД и снижение стоимости.

П^инцип децент^ализации эне^госнабжения фе^м и д^угих объектов подтвердил свою эффективность - это когда энергетические установки вст^аиваются в отдельные помещения, непос^едственно обеспечивая эне^гией технологический п^оцесс. ^аще всего для этого используются элект^ифици^ованные или газифици^ованные установки [12]. Это позволяет избавляться от п^отяженных элект^ических, тепловых и газовых сетей, что значительно уменьшает поте^и эне^гии [13]. Для таких систем ^аз^аботано и ^аз^абатывается энергетическое оборудование - инфракрасные электрические [14] и газовые обог^еватели, емкостные и п^оточные элект^оводонаг^еватели, конвекто^ы, элект^опа^оводонаг^еватели, ИК-пастеризаторы [15], утилизаторы теплоты [16] и другое эне^гоэффективное элект^ообо^удование [17], включенное в систему машин [18].

Для эне^гообеспечения тепловых п^оцессов в п^оизводстве и быту получат более ши^окое ^азвитие децент^ализованные системы эне^готеплоснабжения [19], т.к. эти системы на газе и элект^оэне^гии, био- и смесевом топливе эффективнее централизованного теплоснабжения от низкотемпе^ату^ных котельных, соп^овождаемого большими поте^ями эне^гии в сетях [20].

К 2030 г. и далее значительно воз^астет п^оизводство элект^ической, тепловой эне^гии и биотоплива (до 10-15%), вы^абатываемых на местах независимыми п^оизводителями с использованием с^едств и обо^удования "малой эне^гетики" [21], местных и возобновляемых эне^го^есу^сов, отходов.

В таблице 1 дана п^огнозная количественная оценка пе^спектив использования нет^адиционных источников эне^гии в децент^ализованном эне^гообеспечении села.

Таблица 1 – Оценочные п^огнозные показатели использования местных и возобновляемых эне^го^есу^сов в децент^ализованных системах эне^гообеспечении села (на пе^иод до 2030 г.)

Эне^гопот^ебление, млн. т у.т./%	Годы
	1990	2015	2016	2020	2030
Сумма^ное эне^гопот^ебление	121,3	69,5	70,0	75,0	80,0
в том числе: - нет^адиционные эне^го^есу^сы	0,2/0,2	2,4/3,4	2,6/3,7	6,6/9	10,5/13
в том числе - местные эне^го^есу^сы, отходы	0,1/0,1	0,8/1,1	0,9/1,3	3,3/4,5	5,0/6.0
- возобновляемые источники (солнце, вете^, малые ГЭС, Геоте^м, низкопотенциальное тепло)	0,1/0,1	1,6/2,3	1,7/2,4	3,3/4,5	5,5/7,0

Сов^еменные тенденции ^азвития ми^овой эне^гетики показывают, что к 2020 году и особенно к 2030 г. значительно воз^астет п^оизводство элект^ической эне^гии, вы^абатываемой независимыми п^оизводителями с использованием ВИЭ и д^угих с^едств «малой эне^гетики».

В настоящее в^емя ^аз^аботаны установки п^еоб^азования возобновляемых видов эне^гии в ^азличные виды - элект^ическую и тепловую для использования их в сельском хозяйстве. Это – фотоэлект^ические станции модульного типа, вет^оэне^гетические установки мощностью от 0,1 до 1000 кВт, мик^о - и мини-ГЭС и д^. Они п^едназначены для элект^о- и эне^госнабжения отдельных сельских домов, небольших поселков, п^омысловых б^игад, садовых участков, небольших фе^м и т.д. Наиболее эффективный путь - это создание комбини^ованных солнечно-вет^о-дизельных аг^егатов (или сочетания их с т^адиционными), га^анти^ующих беспе^ебойное эне^госнабжение и экономию дизельного топлива (до 60%).

Сельское хозяйство и особенно объекты птицеводства, животноводства, тепличные хозяйства очень чувствительны к пе^е^ывам в эне^госнабжении, для снижения кото^ых целесооб^азно использовать ^езе^вные автономные эне^гоисточники.

Заключение . Ши^окое использование автономных систем эне^гообеспечения, особенно на базе местных и возобновляемых эне^го^есу^сах в сельской эне^гетике позволит [22]:

• -    снизить зависимость от цент^ализованного эне^госнабжения;

• -    экономить ископаемое топливо (к 2030г. – до 13% в сельском эне^гобалансе;

• -    для удаленных сельских пот^ебителей значительно сок^атить объемы завозимого топлива (в большинстве своем дизельного);

• -    повысить надежность эне^госнабжения (особенно ответственных пот^ебителей), снизить тем самым уще^б от пе^е^ывов элект^оснабжения;

• -    п^и использовании ВИЭ - улучшить экологию, особенно в зоне ^азмещения животноводческих п^едп^иятий.

FSBSE "Federal research center of agricultural engineering VIM", Moscow (Russia)

Tikhomirov Anatoly Vasilyevich, candidate of technical Sciences, senior researcher, head of the laboratory "Prediction of energy supply of agroindustrial complex"

FSBI "Federal research center of agricultural engineering VIM", Moscow (Russia)