Солнечная энергетика как ресурс развития сельских поселений Красноярского края

В рамках реализации Государственной программы Красноярского края «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия» рассматривается реализация подпрограмм «Устойчивое развитие сельских территорий» и «Поддержание садоводства, огородничества и дачного хозяйства». Проведены исследования использования систем солнечного горячего водо- снабжения (ССГВ) для горячего водоснабжения с целью создания комфортных условий населения. Рассмотрены различные типы установок, предлагаемых на рынке, рассчитаны основные экономические показатели и определены области их применения.

Объектом исследования являются системы солнечного горячего водоснабжения сельских бытовых потребителей и их применение для горячего водоснабжения сельских поселений, их экономическая эффективность и области применения для сельских поселений Красноярского края. При выполнении вышеперечисленных работ были использованы методы математического моделирования, аппараты алгебры и линейного программирования, система компьютерной математики Maple и методика экономической оценки инвестиций.

В настоящее время актуальной задачей в АПК является обеспечение импортозамещения сельскохозяйственной продукции и сельскохозяйственного сырья с требованием повышения эффективности производства. Без привлечения квалифицированных кадров на село проблематично достигнуть этих целей. В сельских поселениях возникает необходимость улучшить условия проживания населения.

В Государственной программе Красноярского края «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия» предусмотрена реализация подпрограммы «Устойчивое развитие сельских территорий» [4], целью которой является создание комфортных условий жизнедеятельности в сельской местности для «укрепления кадрового потенциала сельских территорий и активизации инвестиционной деятельности в АПК».

В России значительная доля овощей и фруктов производится в садоводческих товариществах граждан. В Государственной программе также предусмотрена реализация подпрограммы «Поддержание садоводства, огородничества и дачного хозяйства» целью которой является «стимулирование ведения на территории Красноярского края садоводства, огородничества и дачного хозяйства», задачей в реализации данной подпрограммы является «поддержка развития и содержания инфраструктуры территорий садоводческих, огороднических и дачных некоммерческих объединений граждан» [4].

В рамках реализации подпрограмм целесообразно рассматривать для сельских жилых и дачных домов использование возобновляемых источников энергии, в том числе солнечного горячего водоснабжения [1, 5]. Это позволит обеспечить повышение комфортных условий проживания, а также снизить расходы на оплату энергоносителей и улучшить экологические показатели за счет снижения использования твердого топлива.

Автономные источники энергии могут обеспечивать освещение, работу бытовых приборов, подачу и подогрев воды, отопление как в сельских поселениях, так и в садоводческих товариществах.

Для определения областей применения ССГВ предложена методика и выполнены экономические расчеты себестоимости производства тепловой энергии при использовании различных типов установок, доступных на рынке [5]. В таблице 1 представлены их характеристики.

Исходные данные по ССГВ для возможности использования в сельских жилых домах

Таблица 1

Показатель	Тип установки
	НМ-16х18/58	НМ-16х21/58	НМ-20х21/58	НМ-36х21/58
Эффективная площадь, м2	2	2,5	3,1	4,8
Объем бака, л	127	160	200	340
Мощность ТЭНа, кВт	1,5	1,5	1,5	3
Характеристика потребителя: – кол-во жителей, чел.	4	4	4	4
– норма расхода, л/(сут ·чел.)	140	140	140	140
ЛПХ, л/сут	138	138	138	138
Месячная потребность в энергии для нагрева горячей воды, кВт.ч	495,7	495,7	495,7	495,7

Результаты моделирования количества тепловой энергии, вырабатываемой в течение года разными по производительности ССГВ сельских бытовых потребителей, и количества дополнительной электроэнергии, необходимой для энергообеспечения от внешнего источника электроснабжения на базе НМ-16х18/58, представлены в таблице 2.

Таблица 2

Выработка тепловой энергии ССГВ на базе НМ-16х18/58

Месяц	Суммарная солнечная радиация, МДж/м2	Выработка тепловой энергии ССГВ, МДж/кВт.ч	Необходимое кол-во дополнительной энергии, кВт.ч
1	2	3	4
Январь	75	112,50/31,24	464,46
Февраль	163	244,50/67,90	427,80
Март	360	540,00/149,96	345,74
Апрель	469	703,50/195,36	300,34
Май	562	843,00/234,10	261,60

Окончание табл. 2

1	2	3	4
Июнь	654	981,00/272,42	223,28
Июль	628	942,00/261,59	234,11
Август	494	741,00/205,78	289,92
Сентябрь	302	453,00/125,80	369,90
Октябрь	180	270,00/74,98	420,72
Ноябрь	84	126,00/34,99	460,71
Декабрь	50	75,00/20,83	474,87
Всего за год	4021	6031,5/1674,95	4273,45

Аналогичные расчеты были произведены и для других типов установок.

Для эффективного горячего водоснабжения сельского жилого дома необходимо обосновать оптимальную структуру системы горячего водоснабжения, обеспечивающую минимальную стоимость тепловой энергии для потребителя.

Использование возобновляемого источника энергии характеризуется большей экономической эффективностью и конкурентоспособностью по сравнению с традиционной системой горячего водоснабжения. Поскольку возобновляемая энергия используется совместно с традиционным источником, эффективность системы солнечного горячего водоснабжения характеризуется стоимостью энергии, получаемой от совместного использования солнечной энергии и традиционного источника энергии (электрической энергии, угля, газа, дров и т. п.).

Наиболее объективным энергетическим критерием эффективного использования солнечной энергии в ССГВ в течение года является коэффициент замещения К зам , который определяется выражением [2]

ССГВ зам “ ГВсвс -

ССГВ

W ССГВ-f-Waa ’

где W ССГВ – количество тепловой энергии, выработанной за месяц ССГВ, МДж/(кВт^.ч); W ГВС – суммарная тепловая энергия, потраченная на приготовление горячей воды в течение месяца ССГВ, полученная за счет СР и источника электрической энергии, МДж (кВт^.ч); W ЭЭ – недостающее количество тепловой энергии, потребленное из электрической сети для нагрева воды ТЭНом, МДж (кВт^.ч).

Как показало моделирование, коэффициент замещения К зам изменяется не только в течение года, но и в зависимости от типа (производительности) ССГВ (рис. 1). В нашем случае для ГВС сельских бытовых потребителей (сельского жилого дома с ЛПХ) рациональным следует считать использование ССГВ на базе НМ-20х21/58 (рис., кривая 3), так как в июне К зам < 1.

Изменение коэффициента замещения Кзам в течение года в зависимости от типа ССГВ: 1 - НМ-16Х18/58; 2 - НМ-16Х21/58;

3 - НМ-20Х21/58; 4 - НМ-36Х21/58

Использование следующего типоразмера ССГВ на базе НМ-36х21/58 приведет к производству излишков горячей воды (К зам > 1) (рис., кривая 4) в мае, июне, июле. В данном случае либо необходимо найти сезонное применение горячей воде (подогрев воды в бассейне, летний душ и т. д.), либо, как показывает опыт ООО «СВС-Красноярск», придется сливать кипящую горячую воду в канализацию.

Доля потребной энергии, замещаемой возобновляемым источником, зависит от стоимости потребляемой энергии от возобновляемых (С в ) и традиционных (С т ) источников. В свою очередь, целесообразность использования возобновляемой энергии зависит от стоимости энергии, получаемой традиционным путем:

С в < С т .                                 (2)

Цены на энергоносители зависят от наличия энергоносителя в данной местности. Поэтому условия использования ССГВ зависят как от местных климатических условий, так и от социально-экономических условий развития региона.

Экономический эффект в системе солнечного горячего водоснабжения с резервированием от традиционного источника энергоснабжения ожидается за счет снижения стоимости энергии:

ССГВ год. внеш. год , (3)

где ЭК — величина годового экономического эффекта, руб.; Игод.внеш. – затраты на энергоснабжение от внешнего источника, руб.;

ССГВ год

— за-

траты при использовании системы солнечного горячего водоснабжения с резервированием от традиционного источника энергоснабжения, руб.

Для достижения ожидаемого экономического эффекта необходимо, чтобы дополнительные капиталовложения в ССГВ окупились в установленные сроки. Тогда в качестве экономической характеристики следует рассматривать и срок окупаемости дополнительных капиталовложений на использование ССГВ [3]:

Т ок

К ССГВ

ЭК ’

где К ссгв — капиталовложения в ССГВ, руб.

Экономический эффект подсистемы ВИЭ может быть определен как выручка от сэкономленного топлива или как экономия в оплате за теплоноситель за год работы ССГВ, за вычетом издержек на их эксплуатацию.

Экономический эффект зависит от вида ССГВ и площади солнечных коллекторов (СК).

Установки горячего водоснабжения сельских жилых домов с использованием солнечной энергии не претендуют на полное замещение энергозатрат на горячее водоснабжение, поэтому, как правило, применяются совместно с установками на традиционном топливе. Несмотря на множество методик оценки эффективного использования солнечной энергии, до сих пор отсутствует единый подход к определению эффективности таких систем.

Для системы комбинированного горячего водоснабжения необходимо определить стоимость энергии, вырабатываемой ССГВ. Она зависит от эксплуатационных затрат на установку горячего водоснабжения, которые складываются в основном из отчислений на реновацию, текущий ремонт и обслуживание:

И ССГВ = И ам. + И тр.обсл. + И зп. + И сн. + И пр. , (б)

где И ам. — амортизационные отчисления на реновацию, руб.; И тр.обсл. — затраты на текущий ремонт и обслуживание, руб.; И зп. — составляющая затрат на заработную плату, руб.; И сн. — составляющая затрат на энергию на собственные нужды, руб.; И пр. — прочие затраты, необходимые на содержание обслуживающего персонала, охрану труда, технику безопасности и прочее, руб.

В действительности затраты на использование солнечной энергии будут меньше. Во-первых, можно не учитывать затраты на заработную плату. Во-вторых, при использовании солнечной энергии снижается экологический ущерб, наносимый традиционными источниками. Учет экологического ущерба ведет к снижению затрат на энергоснабжение потребителей. Удельный экологический ущерб приведен в таблице 3.

Таблица 3

Удельный экологический ущерб от использования органического топлива

Теплогенерирующая установка	Ущерб окружающей среде, руб/кВт.ч
Котельная на угле	3,94
Котельная на мазуте	1,5
Котельная на дровах	1,07

Амортизационные отчисления на реновацию обычно выражают в процентах от суммарных капиталовложений и в общем случае определяют по формуле

И ам = α ам ∙К ССГВ ,                           (6)

где α ам – норма амортизации, %.

Долю амортизационных отчислений на реновацию определяют исходя из срока службы энергоустановок. При отсутствии точных данных срок службы для ССГВ рекомендуется принимать 15–20 лет.

Затраты на текущий ремонт определяются так:

И тр.обсл. = α тр ∙К ССГВ ,                          (7)

где α тр – доля отчислений на текущий ремонт.

Эти затраты возможно рассчитывать как И тр = (0,20...0,25) И ам .

Капиталовложения К ССГВ на использование солнечной энергии в общем случае складываются из затрат на приобретение оборудования и строительно-монтажные работы. Для ССГВ капиталовложения можно определить по формуле

K ССГВ = К стр + К сн + К ск + К б + К тр + К кип ,           (8)

где К стр – стоимость строительно-монтажных работ, руб.; К сн – стоимость сантехнических работ, руб.; К ск – стоимость солнечных коллекторов, руб.; K б – стоимость баков-аккумуляторов и теплообменников, руб.;

К тр – транспортные расходы, руб.; К кип – стоимость контрольноизмерительных приборов, руб.

В таблице 4 представлена структура затрат на ССГВ, предназначенную для горячего водоснабжения жилых домов, которые говорят о значительных резервах снижения капитальных затрат на стадии проектирования ССГВ.

Структура затрат на систему солнечного горячего водоснабжения, %

Таблица 4

Показатель	Значение
Строительные работы	30–40
Сантехнические работы	5–7
Солнечные коллекторы	30–50
Баки-аккумуляторы, теплообменники	15–18
Контрольно-измерительная аппаратура	1–3

Для проведения сравнительных расчетов величину К ССГВ удобнее всего выразить через удельную стоимость солнечных коллекторов:

К ССГВ = К уд ^. А ск ^. γ ГУ ,                           (9)

где К уд – удельная стоимость солнечного коллектора, руб/м²; А ск – площадь солнечных коллекторов, м²; γ ГУ – коэффициент, учитывающий стоимость строительно-монтажных работ и дополнительного оборудования ССГВ ( γ ГУ = 1,6 для ГУ с баком из обычной стали, γ ГЭУ = 2 для ССГВ с баком из нержавеющей стали).

Расчет количества тепловой энергии, вырабатываемой ССГВ по месяцам года, ведется по формуле

T = Q _мес ⋅ А _ск ⋅ η ,                             (10)

где Т – количество тепловой энергии, МДж; Q мес – суммарная радиация, МДж/м²; А ск – площадь солнечных коллекторов, м²; η – коэффициент полезного действия ССГВ.

Эквивалентное количество замещаемой ССГВ энергии рассчитывается по формуле

^ЭССГВ ^{= Т ⋅ κ} пер ^,                                  (¹¹)

где к пер – коэффициент перевода (1 ГДж = 277,7 кВт^.ч).

Годовая потребность сельского жилого дома в электрической энергии на горячее водоснабжение определяется исходя из количества человек, проживающих в нем, и норм расхода на одного человека.

Дополнительная потребность в электроэнергии на горячее водоснабжение определяется формулой

Э = Э -Э доп  пОтт  в'СВГВ , где Эпот – годовая потребность в электроэнергии на горячее водоснаб- жение, кВт.ч.

Капиталовложения в ССГВ определяются как

Кссгв = Коб + Км + Кпроч, где Коб – стоимость оборудования ССГВ; Км – затраты на монтаж; Кпроч. – прочие затраты, связанные с приобретением ССГВ (Км = 0,2 Коб, Кпр = 0,1 Коб).

Годовые затраты на эксплуатацию ССГВ определяются по формуле

ИССГВ = Иам + Ит.р.обсл. + Ипроч., где Иам – амортизационные отчисления, руб/год; Ит.р.обсл. – затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание ССГВ.

ТЛ — аам ^ССГВ_

ам                ’ Ит.р.обсл. = 0,2 Иам, где аам - норма амортизации, %.

а = ам(16)

сл где Тсл – срок службы ССГВ. Тсл =15 лет, αам = 6,7 %.

Себестоимость тепловой энергии, получаемой от ССГВ, следующая:

^И ССГВ

С = ә ,                          (17)

ЭССГВ где С – себестоимость тепловой энергии, руб/кВт.ч; ЭССГВ – годовая выработка тепловой энергии ССГВ, кВт.ч.

Затраты на дополнительное приобретение электроэнергии по месяцам

И доп.мес. = Э доп. ∙ Тар,

где Э доп. – дополнительная потребность в электроэнергии, кВт^.ч; Тар – тариф на электроэнергию, руб/кВт^.ч.

Годовые затраты по сельскому жилому дому на горячее водоснабжение при комбинированной системе

И _г ^С _о ^С _д ^ГВ = С ССГВ ∙Э ССГВ + Тар∙Э доп ,

где Тар – действующий тариф на электроэнергию, руб/кВт^.ч.

Годовые затраты по сельскому жилому дому на горячее водоснабжение от внешнего источника

И год.внеш. = Тар∙Э год.

Годовая экономия затрат на теплоснабжение при различных значениях тарифа на электроэнергию

ССГВ год.внеш.        год

Срок окупаемости затрат на ССГВ сельского жилого дома

Т ок

К ССГВ

ЭК ^.

Себестоимость производства тепловой энергии ССГВ и сроки окупаемости единовременных затрат при различных значениях тарифов представлены в таблице 5. Основные экономические показатели ССГВ показаны в таблице 6.

Таблица 5

Себестоимость производства тепловой энергии ССГВ и сроки окупаемости единовременных затрат при различных значениях тарифов

Показатель	Усл. обозначения	HM-16x18/58	НМ-16х21/58	НМ-20х21/58	НМ-36х21/58
1	2	3	4	5	6
Суммарная потребность в тепловой энергии, кВт.ч	Э год	5948,4	5948,4	5948,4	5948,4
В т.ч. выработка ССГВ	Э ССГВ	1674,9	2093,6	2596,1	4019,8

Окончание табл. 5

Дополнительная потребность в электроэнергии, кВт·ч	Э доп	4273,4	3854,7	3352,2	1928,5
Себестоимость тепловой энергии, вырабатываемой ССГВ, руб/кВт·ч	С	1,6	1,9	1,8	2,1
Затраты по сельскому жилому дому на комбинированное горячее водоснабжение при тарифе, руб.: 1,50 руб/кВт.ч	И ССГВ	9138,6	9703,9	9816,1	11456,7
2 руб/кВт.ч		11360,8	11708,3	11559,3	12459,5
3 руб/кВт.ч		15634,2	15563,0	14911,5	14388,1
5 руб/кВт.ч		24181,1	23272,5	21615,9	18245,1
Затраты по сельскому жилому дому на централизованное горячее водоснабжение при тарифе, руб.: 1,50 руб/кВт.ч	И внеш.	8803,6	8803,6	8803,6	8803,6
2 руб/кВт.ч		11896,8	11896,8	11896,8	11896,8
3 руб/кВт.ч		17845,2	17845,2	17845,2	17845,2
5 руб/кВт.ч		29742	29742	29742	29742
Годовая   экономия за трат при тарифе, руб.: 1,50 руб/кВт.ч	ЭК	–	–	–	–
2 руб/кВт.ч		535,9	188,4	337,5	–
3 руб/кВт.ч		2210,9	2282,1	2933,6	3457,0
5 руб/кВт.ч		5560,8	6469,4	8126,0	11496,8
Суммарные капиталовложения, руб.	К ССГВ	31200	44200	53820	95290
Срок окупаемости при тарифе, лет: 1,50 руб/кВт.ч	Т ок	–	–	–	–
2 руб/кВт.ч	–	58,2	234,5	159,4	–
3 руб/кВт.ч	–	14,1	19,3	18,3	27,5
5 руб/кВт.ч	–	5,61	6,83	6,62	8,29

Таблица 6

Показатель	Усл. обозначения	HM-16x18/58	НМ-16х21/58	НМ-20х21/58	НМ-36х21/58
Цена ССГВ, тыс. руб.	К об	24	34	41,4	73,3
Затраты на монтаж, тыс. руб.	К м	4,8	6,8	8,28	14,66
Прочие затраты, тыс. руб.	К пр	2,4	3,4	4,14	7,33
Суммарные капиталовложения, тыс. руб.	К ССГВ	31,2	44,2	53,82	95,29
Срок службы, лет	Т сл	15	15	15	15
Норма амортизации, %	a ам	6,7	6,7	6,7	6,7
Затраты на амортизацию, тыс. руб/год	И ам	2,09	2,96	3,61	6,38
Затраты на ремонт и обслуживание, тыс. руб/год	И т.р.обсл.	0,42	0,59	0,72	1,28
Прочие затраты, тыс. руб/год	И проч.	0,31	0,44	0,54	0,95
Годовые эксплуатационные расходы по ССГВ, тыс. руб.	И ССГВ	2,82	4,00	4,87	8,61
Годовая выработка тепловой энергии ССГВ, кВт.ч	Э ССГВ	1674,95	2093,68	2596,17	4019,87
Себестоимость тепловой энергии, вырабатываемой ССГВ, руб/кВт.ч	С	1,68	1,91	1,87	2,14

Основные экономические показатели ССГВ

Выводы. Результаты моделирования, выполненного для четырех ССГВ с вакуумированными СК, различающимися эффективной площадью СК, объемом бака и, соответственно, количеством получаемой тепловой энергии, а также различными значениями тарифов на электроэнергию, показали:

• 1.    При существующей величине тарифа на электроэнергию для населения, проживающего в сельских населенных пунктах Красноярского края (1,74 руб./кВт^.ч – по социальной норме и 2,77 руб/кВт^.ч – сверх социальной нормы), использование ССГВ для горячего водоснабжения сельских бытовых потребителей с централизованным электроснабжением может быть оправдано.

• 2.    В перспективе, при прогнозируемом росте тарифов на электроэнергию, система комбинированного ГВС дает определенный экономический эффект, значение которого зависит от типа ССГВ. Величина годового экономического эффекта будет зависеть не только от тарифа на электроэнергию от внешнего источника, но и от затрат на эксплуатацию ССГВ, которые, в свою очередь, зависят от ее стоимости. С учетом тенденции снижения стоимости ССГВ и увеличения тарифов в перспективе комбинированное ГВС сельских жилых домов будет конкурентоспособно по сравнению с электроводонагревателями.

• 3.    Себестоимость производства тепловой энергии ССГВ лежит в пределах 1,5–1,9 руб/кВт^.ч, что при использовании автономных систем электроснабжения, удаленных от электрических сетей сельских бытовых потребителей, обеспечит приемлемые сроки окупаемости затрат на создание системы комбинированного горячего водоснабжения.

• 4.    Использование ССГВ для горячего водоснабжения в сельских поселениях Красноярского края может обеспечить комфортное проживание населения в условиях отсутствия централизованного электроснабжения, низкой его надежности, а также обеспечить частичную замену твердого топлива и газа.