IMPROVING THE EFFICIENCY OF SMALL-SCALE POWER GENERATION IN HARD-TO-REACH REGIONS OF THE ARCTIC

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.124.18
Issue: № 10 (124), 2022
Suggested:
16.08.2022
Accepted:
20.09.2022
Published:
17.10.2022
475
6
XML PDF

Abstract

General information on the structure of decentralized small-scale power generation in the Arctic zone of the Republic of Sakha (Yakutia) is given. It shows the volume of diesel fuel and coal imports to provide electricity and heat to hard-to-reach and remote settlements. A way to optimize small-scale power generation by reducing the importation of expensive diesel fuel through cogeneration of electricity and heat on the basis of local mineral coal is proposed. Cogeneration is proposed to be based on the use of steam piston engines with minimal structural changes. The example of a selected municipality shows the reduction of costs due to the replacement of diesel fuel with mineral coal.

1. Введение

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.

2. Постановка проблемы

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.

Таблица 1 - Мощности электростанций и котельных АО «Сахаэнерго»

 

Установленная мощность

Электрическая МВт

Тепловая, Гкал/ч

ДЭС

203,542

16,269

ВИЭ

2,561

-

Мини-ТЭЦ

7,5

68,9

Котельные

-

10,8

Всего:

213,603

95,969

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).

Структура энергосистемы Арктической зоны Республики Саха (Якутия)

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

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.

3. Исследовательская часть

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.

4. Заключение

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.

Article metrics

Views:475
Downloads:6
Views
Total:
Views:475