ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В ТРУДНОДОСТУПНЫХ РАЙОНАХ АРКТИКИ

Намечаемый в настоящее время энергетический кризис показывает доминирующую роль традиционных источников энергии и необходимость более плавного перехода к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ). В Арктической зоне Республики Саха (Якутия) энергетика децентрализована и представлена в основном дизельными электростанциями, которые снабжают отдельные поселки и горнодобывающие предприятия. Можно только представить себе себестоимость производимой электроэнергии при стоимости дизельного топлива за 75 тыс. рублей и выше за тонну. Для нивелирования высоких цен за электроэнергию применяется перекрестное субсидирование между централизованным и децентрализованным электроснабжением. Наличие перекрестного субсидирования вынуждает крупные компании уходить на оптовые энергетические рынки или создавать свою генерацию, что обуславливает все большую нестабильность в энергоснабжении. При сложившейся ситуации весьма актуальным становится поиск решений по удешевлению электроэнергии в зонах децентрализованного энергоснабжения.

Целью данного исследования является предложение доступного и простого решения по удешевлению электроэнергии в Арктической зоне. Для достижения цели поставлены следующие задачи:

- сделать обзор структуры энергопотребления в Арктической зоне Республики Саха (Якутия)

- показать на конкретном примере уровень потребление энергоресурсов;

- предложить доступное и простое решение по удешевлению электроэнергии.

Всего на обеспечение электрической и тепловой энергией труднодоступных и отдаленных населенные пунктов в составе АО «Сахаэнерго» функционируют 135 дизельных станций [1].  Общая установленная электрическая мощность энергообъектов АО «Сахаэнерго» в 2020 году составляла 213,603 МВт, из них на ДЭС приходится 203,542 (таблица 1, рисунок), или 95,3%. Более 80 процентов мощности (167,2 МВт) электростанций АО «Сахаэнерго» эксплуатируется в арктических районах республики. Для нужд энергоисточников АО «Сахаэнерго» в Арктической зоне республики ежегодно необходим завоз топливно-энергетических ресурсов, в том числе: дизельного топлива до 60 000 тонн.

В Арктической зоне Якутии 94,2% от установленной мощности децентрализованных энергосистем приходится на дизельные электростанции, 4,5% – на мини ТЭЦ и лишь 1,3% – на возобновляемые источники энергии (солнечные панели и ветровые установки).

Рисунок 1 - Структура энергосистемы Арктической зоны Республики Саха (Якутия)

DOI:10.23670/IRJ.2022.124.18.2

В это же время в Республике Саха (Якутия) продолжается программа по подключению жилфонда к централизованной системе теплоснабжения с использованием резервной мощности действующих котельных.

Объем внутреннего потребления угля в республике Саха (Якутия) составляет около 2,5 млн. т. [2]. Из них 300 тыс. т ежегодно потребляется на отопительных котельных арктических районов [3, С.25]. Для удешевления электроэнергии в Арктической зоне наряду с развитием и расширением ВИЭ необходимо рассмотреть возможности когенерации – комбинированной выработки электрической и тепловой энергии на основе местных энергетических сырьевых ресурсов.

Решение поставленных задач осуществлялось на основе применения общенаучных методов исследования в рамках сравнительного, логического и статистического анализа литературных и справочных данных.

Безусловно, совместное производство тепловой и электрической энергии представляется более эффективной. Самым надежным и простым механизмом преобразования тепловой энергии в механическую, а затем и в электрическую является паровой двигатель. Часть тепловой энергии генерируемой для централизованного отопления можно перенаправить на производство электричества.

На примере села Эбях Среднеколымского улуса рассмотрим возможный эффект от когенерации электричества и тепловой энергии. Село находится в 160-165 км к северо-западу от города Среднеколымска. Транспортное сообщение с райцентром осуществляется по автозимнику и вертолетами МИ-8 летом и во время распутицы.

Всего на 01.01.2021 года в селе проживало 453 человек составляющие 131 домохозяйств. Из них к центральному отоплению подключено 125 частных домов и несколько административных зданий. За анализируемый 2021 год для обеспечения тепло-электроэнергией села Эбях было доставлено 230 тонн дизельного топлива и 2014,46 тонн каменного угля.  Отопительный сезон имеет продолжительность, как и во всех северных районах Республики Саха (Якутия), минимум 8 месяцев в году.

При этом каменный уголь доставляется из относительно близкого Зырянского угольного бассейна.  Данное обстоятельство обуславливает относительно невысокую долю расходов на доставку и хранение в структуре стоимости угля на месте потребления. По данным работы [4, С.8] для Нижнеколымского района расходы на доставку и хранение Зырянского угля не превышают 50 % от конечной стоимости угля и делает его привлекательным видом топлива для Колымской группы районов. Для сравнения для Янской группы районов расходы на транспортировку и хранения составляют более 80-85% от конечной стоимости угля на месте потребления [4, С.9]. Дизельное топливо для электростанции (ДЭС) доставляется по сложной многоступенчатой логистической цепочке из-за пределов Республики Саха (Якутия), что негативно отражается на его себестоимости.

Для сокращения объемов доставки дорогостоящего дизельного топлива предлагается рассмотреть вариант перехода на паропоршневые двигатели для совместной выработки электроэнергии и тепла на базе угольного сырья. Так, научная группа «Промтеплоэнергетика» МАИ, предлагает оригинальное решение вопроса экономически целесообразного применения паропоршневых машин в малой и децентрализованной энергетике [5, С.86], [6, С.22].

Разработчики предлагают создавать паропоршневые двигатели (ППД) на базе серийно выпускаемых дизельных поршневых двигателей. В конструкции ДВС сохраняется почти весь механизм газораспределения, который в ППД становится механизмом парораспределения, также сохраняется кривошипно-шатунный механизм. Подобный подход обеспечивает низкую стоимость парового двигателя, благодаря тому, что в производстве используются серийные двигатели и запчасти к ним [5], [6].

Кроме того, применение ППД позволит утилизировать часть твердых коммунальных отходов путем их сжигания.

ППД могут работать в широком диапазоне давлений свежего пара – от 0,5 до 4,0 МПа при его температурах до 440 °С. По частоте вращения коленчатого вала ППД могут развивать до 3000 об/мин! [7] В ППД, соединенном с электрогенератором, пар подается от котла, а выхлоп осуществляется в пароводяной теплообменник. ППД обладают высокой надежностью, чем у исходных ДВС (30 000-100 000 ч), т. к. пар при работе двигателя, в отличие от горючей смеси, не взрывается, а расширяется и плавно давит на поршень [7]. ППД могут обслуживаться теми же специалистами, которые обслуживают ДВС, а текущий ремонт можно производить прямо на месте эксплуатации.

Таким образом, когенерация тепловой и электрической энергии на базе угольного сырья позволит уменьшить доставку дорогостоящего дизельного топлива только в рассмотренном поселке с 230 тонн до 76,7 тонн в год (4 летних месяца), что в денежном выражении составит 13,5 млн. рублей экономии при цене дизельного топлива 75 рублей за 1 литр. При этом целесообразно сохранить ДЭС для выработки электроэнергии в летнее время и как резерв при внештатных ситуациях.

Надо заметить, в Арктических районах имеется принципиальная возможность производства жидкого моторного топлива из бурого угля. В настоящее время в Арктической зоне Республики Саха (Якутия) открыты и в различной степени разведаны десятки месторождений каменного и бурого угля [4, С.4]. В отечественной и мировой практике накоплен значительный опыт получения из бурых углей жидких видов топлива [8], [9], [10]. Рост цен на нефтепродукты из-за увеличения себестоимости добычи нефти и большие расходы на транспортировку в условиях отсутствия стабильных транспортных схем могут сделать уголь перспективным сырьем для производства жидкого топлива в отдаленных районах Арктики.

В работе впервые сделана попытка упрощенной оценки эффективности когенерации энергии для конкретно взятого объекта исследования в Арктической зоне Республики Саха (Якутия).

В обозримом будущем зона автономного электроснабжения Арктической зоне Республики Саха (Якутия) сохранится в силу больших расстояний между населенными пунктами и слабой транспортной инфраструктуры. Потребители будут продолжать обеспечиваться электроэнергией от локальных энергоисточников малой мощности, в основном, дизельных электростанций. Отсутствие крупных потребителей на этих территориях не позволяет строительство энергоисточников большой установленной мощности.

Централизованное теплоснабжение также сохранится в крупных населенных пунктах Арктической зоны Якутии, а в малочисленных селениях целесообразно использовать установки, позволяющие одновременно вырабатывать тепловую и электрическую энергию. Для этих целей идеально подходят паропоршневые двигатели на основе классических двигателей внутреннего сгорания с минимальными конструктивными изменениями.

Применение паропоршневых двигателей позволит оптимизировать расходы на доставку и хранение большого объема дизельного топлива и укрепит энергобезопасность отдаленных населенных пунктов Арктической зоны.