Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и перспективы развития ТЭК в России и зарубежом 17
1.1 Современное состояние и перспективы развития ТЭК в мире 17
1.2 Современное состояние ТЭК в России 28
1.3 Недостатки использования традиционного топлива 35
1.4 Основные выводы 37
2 Методическая, ресурсная и техническая база по ВИЭ в России 39
2.1 Обзор основных публикаций по теме работы 39
2.2 Методическое обеспечение расчетов энергокомплексов ВИЭ 41
2.3 Обзор оборудования ВИЭ, представленного в России 43
2.4 Основные выводы 47
3 Постановка задачи и исходные данные 48
3.1 Выбор объекта 48
3.2 Постановка задачи 51
3.3 Основные исходные данные 52
4 Методика обоснования структуры и параметров авто номной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК И СФЭМ 54
4.1 Алгоритм расчета прихода солнечной радиации 54
4.2 Алгоритм расчета тепловой нагрузки объекта 56
4.3 Алгоритм расчета источника низкопотенциального тепла ТНУ 59
4.4 Методика обоснования структуры и параметров ГЭК 66
4.5 Применение методики расчета дисконтированных затрат в рассматриваемые ГЭК 70
5 Методика оптимизации структуры и параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК И СФЭМ 74
5.1 Оптимизация гибридного энергокомплекса 74
5.2 Оптимизация угла наклона СК и С Ф Э М 76
5.3 Разработка новых типов ГЭК и оптимизация их параметров 79
5.4 Расчет гибридного энергокомплекса 84
5.5 Расчет экономической эффективности ГЭК 89
Заключение 91
Список использованной литературы
- Современное состояние ТЭК в России
- Методическое обеспечение расчетов энергокомплексов ВИЭ
- Постановка задачи
- Методика обоснования структуры и параметров ГЭК
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы.
Современный топливно-энергетический комплекс (ТЭК) мира развивается в особых условиях, которые определяются целым рядом объективных факторов как экономического, так и социально-экологического характера. С одной стороны – это факторы, стимулирующие развитие ТЭК: рост населения Земли и необходимость повышения уровня его жизни во всех странах мира. С другой стороны, сегодня действует целый ряд факторов, сдерживающих развитие ТЭК, которые являются основой экономики всех стран мира. В том числе: реальная ограниченность невозобновляемых энергетических ресурсов на Земле; их неравномерное распределение по странам мира; непрерывный рост стоимости этих ресурсов; резкое возрастание роли социально-экологических факторов во многом определяющих сегодня темпы и уровни развития мировой экономики в целом.
Всем известно, что основу современного ТЭК мира составляют электростанции и энергоустановки, базирующиеся на использование ископаемых невозобновляемых источников энергии – тепловые электрические станции и атомные электрические станции, а так же традиционные средние и крупные гидроэлектростанции. Все эти электростанции дошли по своим масштабам до такого уровня развития, что оно стало реально сказываться на условиях жизни человека на Земле. Понимая это, большинство стран мира и уже в течение десятков лет прилагают усилия для исследования возможностей и внедрения в ТЭК огромных ВИЭ, обладающих минимальным влиянием на окружающую среду по сравнению с традиционными источниками энергии.
В связи с этим освоение экологически чистых установок ВИЭ является стратегической задачей, определяющей перспективы устойчивого развития многих стран, а также удаленных от сетей централизованного энергоснабжения регионов в условиях постепенного истощения дешевых запасов ископаемого органического топлива и угрозы все большего антропогенного загрязнения окружающей среды. Многие технологии ВИЭ уже достигли уровня конкурентоспособности и постепенно выходят на рынок, в том числе и российский.
Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения России. Потери тепла в сетях страны значительно превосходят нормативные показатели. Данная проблема может быть решена за счет внедрения теплонасосных установок (ТНУ) в централизованную и децентрализованную системы теплоснабжения.
Увеличение экологических требований заставляет использовать альтернативные источники энергии и для производства электроэнергии. Кроме того, вступление России в августе 2012 года в ВТО серьезно скажется на энергетической отрасли страны. Ожидается, что вступление России во Всемирную торговую организацию (ВТО) приведет к переходу на международные тарифы на энергоносители и к повышению издержек на действующих предприятиях страны. Как следствие, это приведет и к сокращению численности предприятий энергетического сектора и росту безработицы. При этом 2/3 территории России с населением 20 млн. человек не имеет централизованного энергоснабжения. Солнечная энергетика может стать перспективным источником энергии в данном случае.
Все сказанное выше, а также и другие немаловажные факторы, заставляет весь мир, а в последние годы и Россию, по новому оценить возможности и перспективы использования богатейших ресурсов возобновляемых источников энергии. Поэтому весьма перспективной представляется задача энергоснабжения автономного потребителя комплексными установками на базе ВИЭ.
Цель диссертационной работы:
Систематизация и анализ существующих информации и методического обеспечения расчетов схем энергоснабжения автономного потребителя на основе теплонасосных установок (ТНУ), солнечных коллекторов (СК) и солнечных фотоэлектрических модулей (СФЭМ). Разработка алгоритма обоснования и оптимизации параметров автономной системы энергоснабжения автономного потребителя. Разработка универсального расчетной модели, предназначенной для проведения расчета основных энергетических параметров автономных потребителей, характерных для Европейской части России.
Основные задачи исследований.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
-
Провести анализ рынка потребителей и производителей ТНУ, СК и СФЭМ в России и мире;
-
Разработать методику технического обоснования параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК и СФЭМ;
-
Разработать методику технико-экономической оптимизации параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК и СФЭМ;
-
Разработать расчетную модель для расчетов параметров ГЭК;
-
Проанализировать результаты расчета на выбранном объекте.
Научная новизна работы.
-
Разработана комплексная методика технического обоснования и технико-экономической оптимизации структуры, параметров и режимов работы ГЭК для энергоснабжения автономных потребителей, включающих в свой состав ТНУ, СК, СФЭМ и классические генераторы тепловой и электрической энергии в виде алгоритмов, формул и таблиц.
-
Введена классификация рассматриваемых типов оборудования по гарантированности энергоснабжения. Разработана инновационная схема ГЭК, включающая ТНУ, СК и СФЭМ с повышенными показателями энергоэффективности.
-
Разработана комплексная расчетная модель на базе MS Office Excel, на базе которого проведены исследования для одного из перспективных к внедрению установок ВИЭ объектов. Даны рекомендации по внедрению ГЭК с установками ВИЭ на территории ЕЧР.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту автором выносятся следующие положения: 1. Разработана комплексная методика технического обоснования и технико-экономической оптимизации структуры, параметров и режимов работы ГЭК для
энергоснабжения автономных потребителей, включающих в свой состав ТНУ, СК, СФЭМ и классические генераторы тепловой и электрической энергии.
-
Введена классификация установок ВИЭ по степени гарантированности энергоснабжения.
-
Разработана схема ГЭК, включающая ТНУ, СК и СФЭМ с повышенными показателями энергоэффективности.
-
Разработана комплексная расчетная модель на базе MSOfficeExcel, на базе которой проведены исследования для одного из перспективных к внедрению установок ВИЭ объектов.
Достоверность полученных результатовобусловлена использованием известных апробированных методик моделирования отдельных элементов ГЭК.
Личный вклад автора
Автором выполнен анализ современного состояния и перспектив раз-вития ВИЭ в мире и РФ; создание актуальной для условий РФ материально-технической базы ТНУ, СК и СФЭМ; выявление критериев выбора перспективных объектов. Разработана комплексная методика обоснования универсального ГЭК с ТНУ, СК и СФЭМ, основанной на известных математических моделях расчетов отдельных составляющих ГЭК, включая техническое обоснование и технико-экономическую оптимизацию. Данная методика использована при разработке расчетной модели на базе MS Office Excel.
Был проведен сбор исходных данных для выбранного объекта, проведены расчеты, обработаны и проанализированы полученные результатов в табличном и графическом виде.
Практическая ценность работы
Данная расчетная модель была использована при проведении дипломных и выпускных работ по специальности 140202 «Нетрадиционные и Возобновляемые Источники Энергии» в весенних семестрах 2009 – 2013 гг.. Разработки были использованы при выполнении расчетного задания по курсу «Нетрадиционная Энергетика» в осенних семестрах 2009–2013 гг. специальности 140202 «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» в Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете).
Разработанная расчетная модель может быть использована для проектных и исследовательских расчетов разных компаний, связанных с НВИЭ, а также может эффективно использоваться в учебных программах различных ВУЗов.
Апробация работы.
Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на тринадцати Всероссийских и международных конференциях.
Публикации
По теме работы опубликовано 11 публикаций в сборниках тезисов и трудов конференций, 3 статьи ВАК, получено 1 авторское свидетельство.
Объём и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 57 наименований, 2 приложений.
Работа изложена на 113 странице основного текста, содержит 30 рисунков, 25 таблиц.
Современное состояние ТЭК в России
Помимо большого развития в Европе, СК очень активно внедряются в странах Северной и Латинской Америки и Азии. Крупнейший потенциальный рынок СК в мире в промышленном секторе в перспективе до 2050 года
прогнозируется в США (2500 МВт / год), Китае (6400 МВт / год), Латинской Америке (1800 МВт / год). В Китае к 2010 году были установлены солнечные коллекторы общей установленной мощностью 117,6 ГВт.
В строительном секторе лидерами по внедрению СК для отопления и охлаждения помещений является также Китай и Индия. На их долю приходится 30% от всей установленной мощности СК. Общая прогнозная установленная мощность СК к 2050 году в мире - 1000 ГВт. [20]
Большее развитие во всех вышеперечисленных странах будут иметь гибридные тепловые системы, работающие в бивалентных системах для отопления и охлаждения помещений. Один из важнейших факторов, сдерживающих глобальное развитие солнечной тепловой энергетики - переменчивость прихода солнечной радиации - в течение суток, месяца, года, а также различные климатические условия, в которых возможно эксплуатация СК - в целом зависит от широты и высоты над уровнем моря. Актуальными на данный момент развития техники и технологий решениями такой проблемы будут:
1. Использование бивалентной схемы с альтернативным теплогенератором, основным источником тепла в которой будет - газовый водонагреватель / котел, дизельный котел, электрический котел / водонагреватель, тепловой насос и т.д.
2. Использование накопителя тепловой энергии (водонагревательные емкости, буферные емкости);
3. Использование гибридной схемы с накопителем энергии (например, ТНУ с использованием водонагревателя / буферной емкости или даже грунта или грунтовых вод в качестве накопителя тепловой энергии).
Последний вариант решения проблемы перераспределения солнечной энергии видится одним из самых перспективных безопасных, экологически чистых и надежных для энергоснабжения конечного потребителя. И в действительности, в Европе солнечные системы используют водяные накопители тепловой энергии. Большая емкость тепла обычно достигается за счет увеличения объема накопителя. Большие подземные хранилища воды, искусственные бетонные резервуары, да и просто грунт - используются для сезонного перераспределения тепловой энергии. Также рассматриваются накопители с фазовым переходом материалов. [14, 20]
В качестве основного теплогенератора в бивалентные гибридные схемы внедряются геотермальные ТНУ1 - машины, переносящие тепловую энергию от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Технологическое преимущество геотермальных ТНУ перед солнечными коллекторами - стабильная работа круглый год вне зависимости от климатических условий .
Сектор ТНУ в Европе является свидетелем сложной ситуации, сложившейся на рынке тепло- и хладоснабжения в 2010 году. Она характеризуется множеством факторов, как положительных, так и отрицательных. Продолжающийся глобальный экономический и финансовый кризис продолжает сказываться на доступности кредитов, а также негативно влияет на доверие потребителей к долгосрочным инвестициям. Замедление развития строительного сектора во многих странах Европы приостановило деятельность во многих областях, которые имели значительный рост в 2006-2008 годах.
Общая неопределенность ближайшего будущего привела потребителей к учету в первую очередь стоимости продукции, или переносу принятия решений на более поздний срок. Наконец, сравнительно низкая цена на нефть и газ в течение большей части этого периода предоставила сложные условия для окупаемости ТНУ за счет более низких эксплуатационных затрат, и как следствие, их окупаемости. [21]
1 ТНУ типа "воздух-вода" не рассматриваются в данной работе вследствие их переменной мощности в зави симости от температуры окружающего воздуха, а также ограничения работоспособности при низких темпе ратурах окружающего воздуха.
2 Подразумеваются ТНУ типа "вода-вода", "рассол-вода" с условно бесконечным источником низкопотен циальной энергии. До 2006 рынок ТНУ находился, в основном, во Франции, Голландии, Германии и Финляндии - около 80% от общего европейского рынка. После 2006 года рынок ТНУ также начал развиваться и в Бельгии, Чехии, Венгрии, Италии и Великобритании, которые показали неплохой рост продаж ТНУ, хотя и с низкой базы объема продаж, мощности установок, технологичности оборудования. [22]
В целом рынок ТНУ в 2010 году показал негативную тенденцию по сравнению с 2008 годом из-за вышеперечисленных факторов: -4 % в странах ЕС. Наибольшее развитие продаж и установки ТНУ в 2008-2010 годах показали Испания, Польша и Португалия. Также наблюдается тенденция перехода от тепловых насосов "грунт-вода" к тепловым насосам "воздух-вода" . Эта тенденция отражает экономически более осознанное решение с меньшими капитальными затратами в пользу использования воздуха в качестве низкопотенциального источника энергии. Динамика роста продаж ТНУ приведена на Рисунке 1.4. [23]
Методическое обеспечение расчетов энергокомплексов ВИЭ
Методическое обеспечение расчетов делится на две составляющие части: расчетную (включая формулы, алгоритмы, последовательности расчетов) и информационную (гелиоэнергетические и климатические исходные данные, дополнительная информация об объекте).
Расчетная часть представлена достаточно глубоко в основных ведущих печатных публиwнизкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли» Г.П. Васильева и на основе рекомендаций ведущих европейских производителей. [40]
Среди особенностей информационной базы данных следует выделить ограниченность основной исходной информации (многолетних рядов наблю-41 дений за климатическими и гелиоэнергетическими характеристиками) для произвольной точки РФ. В большинстве случаев для обеспечения точных результатов моделирования энергокомплекса требуются ряда для с интервалом времени At = 1 час при расчетном периоде Т = 1 год. Такие ряды прихода СР и температур атмосферного воздуха можно получить только в программе Meteonorm. Последняя версия 7.0 была выпущена в 2013 году и включает информацию обо всех климатологических и гелиоэнергетических параметрах с более чем 8.300 станций по всему миру. Из них на территорию Азии (и России) приходится около 1.550 станций, позволяющих получить среднечасовые среднемноголетние ряды исходных данных. [41]
В качестве дополнительной исходной информации используются расчетные значения климатических параметров, характерных для территории РФ, найденные в СНиП «Строительная климатология» 23-01-99. [42]
Имея вышеперечисленные ряды наблюдений для заданной точки с выбранным объектом, можно проводить весь спектр энергетических расчетов, используя необходимую расчетную модель.
Ассортимент доступного для пользователя программного обеспечения (ПО) на российском рынке крайне мал. Все ПО можно разделить на следующие группы:
1. Полнофункциональные комплексы. ПО данного типа (например, TRN-SYS Simulation Studio) отличаются универсальностью моделирования энергокомплекса, однако они не русифицированы и являются платными программными средствами. Также такое ПО не учитывает российскую нормативно-правовую документацию.
2. Монофункциональные ПО. Программное обеспечение данного типа (например, UPONOR HSE, Stiebel Eltron Heat Pump Navigator) отличается узостью специализации: зачастую работают только с одним типом оборудования, однако чаще всего учитывают российскую нормативно-правовую документацию. 3. Онлайн-калькуляторы. Данный вид программного обеспечения распро странен на WEB-сайтах организаций, занимающихся системами энергоснабжения. Подобное программное обеспечение позволяет рассчитывать параметры энергокомплексов с принятием множества допущений. Как следствие, все выходные результаты определяются приближенно.
Для решения поставленной задачи была разработана специальная расчетная модель в среде Microsoft Excel ,позволяющий для годовых рядов прихода СР на горизонтальную приемную площадку, определять нагрузки на системы тепло-, холодо- и электроснабжения для объекта, составлять графики баланса.
Обзор оборудования ВИЭ, представленного в России Подробные технико-финансовые показатели рассматриваемого оборудования приведены в Приложении 1 в Таблицах П.1.1 - П.1.3. Все материалы были статистически обработаны. В качестве определяющих показателей были приняты удельные стоимости (в рублях за квадратный метр СК и СФЭМ и рублях за кВт для ТНУ) и показатели эффективности (КПД СК и СФЭМ). Обработанные данные приведены на рисунках 2.1 - 2.3.
В настоящее время в России представлена большая линейка тепловых насосов типа «грунт-вода» и «вода-вода» с тепловой номинальной мощностью от 5 кВт до 100 кВт. Тепловые насосы «воздух-вода» также рассматриваются; однако необходимо помнить об ограниченности их использования -минимальная температура воздуха большинства, в которой они могут использоваться - 20 С (в р е д к о м случае - 25 С). О с н о в н ы е представленные производители:
Помимо этого, в ассортименте выше приведенных компаний представлены и солнечные коллекторы: как плоские, так и вакуумные. Солнечные коллекторы позволяют работать не только на систему горячего водоснабжения, но и на систему отопления зданий за счет дополнительного оборудования, включающего гидравлическую обвязку и автоматику.
Солнечные коллекторы на российском рынке представлены достаточно широко - и в ценовом диапазоне, и в номенклатурном ряде. Это позволяет подобрать солнечные коллекторы индивидуально для любого потребителя. Обычно системы с плоскими коллекторами используются сезонно - с весны по осень. В зимнее время производительность плоских коллекторов ниже за счет больших тепловых потерь. Средняя температура в контуре в системах с плоскими коллекторами обычно составляет 45 С, а в системах с вакуумными коллекторами 70 С. Основные производители на российском рынке: Elco (Швейцария), Oilon (Финляндия), Weswen (Германия), Waterkotte (Германия), Stiebel Eltron (Германия), Viessmann (Германия), Vaillant (Германия), Wolf (Германия), Nukleon (Чехия), IVT (Швеция), N I B E (Швеция), Сокол (Россия).
Постановка задачи
Примечание. Производится расчет только параметров и структуры ГЭК. Расчет СФЭМ, аналогично СК, заключается в выборе типа, модели и количества СФЭМ, которые будут обеспечивать покрытие определенной доли годовой электрической нагрузки @эл,н., кВт-ч/год. Годовая выработка СФЭМ определяется по формуле: ІГ -д _ у8 760 q,P7 . г- . . (л оо\ Ч:сфэм "i=l \ сфэм /сфэм -сфэм? v -- / где 5сфэм - площадь СФЭМ, м2; фэм - КПД СФЭМ, %, определяемый: "сфэм = зап VAN VAU ш V, (4.3 9) где /сзап - коэффициент заполнения солнечного элемента, для прямоугольных элементов 0,98-0,99 о.е., для элементов округлой формы менее 0,9; VAN -КПД, определяющий потери мощности при последовательной коммутации СФЭМ, обычно 0,9-0,95 о.е.; VAU - КПД, определяющий потери напряжения в сети при передаче энергии от элемента к потребителю, обычно 0,95-0,97 о.е.; V - КПД СФЭМ, определяющийся материалом элемента, числом слоев и конструкцией. Для однослойных элементов из монокристаллического кремния V принимается равным 10 - 2 0%, двухслойных - 30%, трехслойных - 30 - 40%, для элементов из аморфного кремния менее 10%, для 1 слойных элементов из арсенида галлия 30 - 40%. [36] Подбор ТНУ «воздух-вода» осуществляется аналогично выбору СК и СФЭМ, ввиду отсутствия гарантированной мощности, зависящей от температуры источника НПТ - атмосферного воздуха: Лув = «у СОР (Р), (4.40)
Подбор мощности ТНУ «грунт-вода» осуществляется аналогично подбору традиционных теплогенераторов, мощность которых должна быть на 10-15% больше требуемой мощности на теплоснабжение объекта при расчетной температуре атмосферного воздуха, по требованиям СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование». [4 3]
Применение методики расчета дисконтированных затрат в рассматриваемые ГЭК Переход национальной экономики на рыночную экономику требует пересмотра ранее существующих методов экономических расчета при обосновании инвестиций. Взамен единственного критерия эффективности инве стиций (срока окупаемости, который централизованно принимался в пределах 8-12 лет, или минимума приведенных затрат) рыночные принципы предлагают несколько критериев, которые позволяют с большей глубиной подходить к решению задачи и оперируют такими понятиями, как прибыль, инфляция, проценты и кредиты. Стоимостные факторы инвестиций изменяются во времени, а значит, решение вопроса оптимизации является крайне важным. [52]
Цели расчета данной главы - оценить и проанализировать эффективность внедрения ГЭК для энергоснабжения автономного потребителя с использованием оборудования ВИЭ - ТНУ, СК и СФЭМ. При этом должны быть определены следующие показатели: капиталовложения K, издержки И = / ( i ) , дисконтированные затраты Зд = / ( i ) , срок окупаемости i0K.
Устаревший метод основан на определении приведенных затрат. Критерием экономической эффективности является минимум приведенных затрат. Приведенные затраты - это сумма издержек производства ГЭК и приведенных капиталовложений, критерием эффективности того или иного варианта инвестирования является минимум приведенных затрат. На основе данного метода проводится выбор оптимального ГЭК. Полные капиталовложения в ГЭК считаются по формуле: ir тгоб I Т/-РАБ __ тг о б I Т/Фаб I тг о б __ тграб I тг о б __ \граб (f. л \ К = Ктну + Ктну + Кск + Кск + Ксфэм + Ксфэм + Ктрад + Ктрад, (6.1) где Кбу, , Кофэм, Кбад - стоимость оборудования соответственно ТНУ, СК, СФЭМ и традиционных установок генерации тепловой и электрической энергии, Крау, Кркб, К ф , Кррабд - стоимость монтажных работ для ТНУ, СК, СФЭМ и традиционных установок генерации тепловой и электрической энергии. При отсутствии определенных элементов оборудования - например, солнечных коллекторов, соответствующие составляющие должны исключаться из расчета полных капиталовложений в ГЭК. Приведенные затраты определяются по формуле: Зприв = И + К-М, (6.2) где И - ежегодные издержки, М - нормативный коэффициент экономической эффективности, равный 1/20, где 20 лет - расчетный период работы энергокомплекса. [53]
Для проведения прогнозных исследований все финансовые показатели должны быть откорректированы с учетом снижения ценности денежных ресурсов во времени, а так же роста тарифов на электроэнергию (и газ).
Второй, более современный, критерий основан на определении дисконтированных затрат. Критерием экономической эффективности является минимум дисконтированных затрат. Интегральные критерии экономической оценки инвестиций оперируют с показателями работы проектируемых объектов по годам расчетного периода с учетом фактора времени. В интегральных критериях расходы, разнесенные по времени, приводятся к одному (базовому) моменту времени. Базовым моментом времени обычно является дата начала реализации проекта, дата начала производственной деятельности или некая условная дата. [54,55]
Приведение разновременных платежей к базовой дате (началу процесса инвестирования) называется дисконтированием (discounting - уценка), а получаемая величина - дисконтированной стоимостью.
Экономический смысл этой процедуры состоит в следующем: пусть задана некоторая ставка ссудного процента Е и денежный поток 3t, начало которого совпадает с базовым моментом времени приведения. Тогда дисконтированная величина платежа, выполненного в момент, отстоящий от базового на величину t интервалов, равна величине ЭдС, которая будучи выданной под ссудный процент Е, даст в момент времени t величину Эс. Таким образом, дисконтированная величина платежей Эс равна: V= В качестве ссудного процента принимают число, отражающее выгодность инвестиций. Это может быть ставка, рефинансирования, доходность ценных бумаг, депозитных вкладов, показатель инфляции и так далее. [52]
Является целесообразным провести сравнение не только ГЭК с традиционными тепло- и электрогенерирующими установками, но и провести ТЭО (технико-экономическую оптимизацию) всех вариантов ГЭК. Суть этой идеи заключается в нахождении некого лучшего состава и структуры ГЭК, для которого будет найдено минимальное значение срока окупаемости ок. [56]
В качестве изменяемых параметров для проведения технико-экономической оптимизации следует принимать количество СК, СФЭМ, а также мощность ТНУ. ТЭО будет возможной, если при любой изменении любого из параметров при уменьшении капитальных затрат К в ГЭК ежегодные издержки И будут увеличиваться, и наоборот.
Так как в ТЭО несколько изменяемых параметров, то ТЭО является многофакторной. Ввиду этого вводится допущение - 1) учитывается только связь капитальных затрат К и ежегодных издержек И, а учет таких факторов, как амортизационные отчисления и сервис оборудования не учитывается; 2) ТЭО проводится методом динамического программирования. [56]
Оптимизация структуры, параметров и режимов работы любого энергетического комплекса, в том числе и на основе установок ВИЭ, призвана обеспечивать увеличение эффективности использования возобновляемых ресурсов ветра, солнца, источников НПТ (грунт, вода, воздух). Это может заключаться: 1. В увеличении эффективности преобразования возобновляемой энергии; 2. В увеличении выработки тепловой и электрической энергии установками ВИЭ при сохранении параметров установок ТНУ, СК и СФЭМ; 3. В уменьшении количества установок ТНУ, СК и СФЭМ при сохранении требуемой выработки в графиках нагрузки объекта; 4. В прямом влиянии на экономику проекта - произойдет снижение эксплуатационных затрат за счет большей эффективности и выработки. Все существующие виды оптимизации структуры и параметров энергокомплексов можно разделить на два класса: оптимизация без структурных (а также режимных) изменений, и оптимизация с внедрением структурных (а также режимных) изменений. К первому классу можно отнести: 1. Оптимизация угла наклона СФЭМ //, которая приведет к увеличению вы Bv работки Э , кВт-ч. Критерий оптимизации - максимум выработки Bv СФЭМ, использованной в графике электрической нагрузки: Э — шах; 2. Оптимизация угла наклона СК //, которая приведет к увеличению выра Bv ботки , кВт-ч. Критерий оптимизации - максимум выработки СК, ис пользованной в графике тепловой нагрузки: — шах. Ко второму классу можно отнести внедрение потребителей-регуляторов
Методика обоснования структуры и параметров ГЭК
В качестве рассматриваемого объекта выберем многофункциональные автозаправочные комплексы (АЗК), которые отличаются от простых АЗС комфортом и качеством обслуживания за счет использования современных технологий, внедряемых и при строительстве, и при эксплуатации объекта. Такие комплексы предлагают комплекс услуг для автомобилистов: ресторанную зону, большое количество душевых кабин, гостиничные номера, технические помещения для сервиса и мойки автомобилей, охраняемую парковку.
В связи с этим становится очевидным, что график нагрузки АЗК является довольно сложным, и включает достаточно большие нагрузки на систему горячего водоснабжение (ГВС), мультизональную систему отопления и кондиционирования. Также отличительной чертой АЗК является их разме-84 щение либо на окраине города, либо на автотрассах вдали от городов. Ввиду этого зачастую отсутствует возможность организации системы централизованного теплоснабжения, либо газоснабжения. Поэтому чаще всего на АЗК применяются системы электрического отопления и традиционного кондиционирования. Из-за этого есть необходимость выделения большой установленной мощности, что приводит к большим капитальным и большим эксплуатационным затратам. В качестве объекта исследования принимаем АЗК со следующими характеристиками:
Экспериментальный расчет должен обеспечить оценку эффективности внедрения ГЭК для рассматриваемого объекта. В соответствии с основными расчетными формулами, а также другими рекомендациями действующих СНиП проводится расчет: нагрузки на систему ГВС, на отопление, на кондиционирование, выработки тепловой и потребление электрической энергии тепловым насосом, выработки солнечных коллекторов. В заключение проводится сравнение эффективности от внедрения энергокомплекса по сравнению с отоплением помещений с помощью электрическими котлами. Полученные результаты приведены в таблице 5.4 и на рисунках 5.6 и 5.7.
1. Расчеты даны для принятых выше исходных данных и подобранных геотермальной ТНУ мощностью 45 кВт и 30 плоских СК площадь 2,5 м
2. QO.H. _ месячные суммы нагрузок на систему отопления, Q„- нагрузка на систему кондиционирования, Э ТЛН . - потребление электрической энергии ТНУ. - потребление электрической энергии аналогичным котлом, ГВС - выработка тепловой энергии СК для системы ГВС. Q BC - сниженная нагрузка на систему ГВС за счет внедрения СК, ЭТЛН -сниженное потребление электрической ТНУ за счет внедрения СК. ЛЭлл и ЛЭ Л .к. - разница между потребление электрической энергии котлом и ТНУ до и после внедрения СК.
При рассмотрении полученных результатов в таблице 5.4 и рисунках 5.6 и 5.7 можно сделать следующие выводы: 1. Использование ТНУ позволяет в 4 раза снизить энергопотребление рассматриваемого объекта, что в абсолютных величинах составляет 127 МВт-ч/год
2. Дополнение 30 СК к рассматриваемому энергокомплексу позволяет снижать энергопотребление рассматриваемого объекта в 4,7 раза, что в абсолютных величинах составляет 140 МВт-ч/год
3. Дополнительная установка СК приведет к выработке излишков тепловой энергии в периоды с высокой СР, которые возможно использовать для подогрева геотермальных скважин ТНУ. В этом случае мы получим повышенные значения СОР теплового насоса, и, как следствие, еще большее снижение электропотребления объекта.
Помимо расчета ГЭК разработанная методика позволяет проводить исследование различных составов ГЭК (основные исходные данные остаются теми же, но производится перебор по составу или структуре ГЭК). Рассмотрим влияние количества солнечных коллекторов на рассматриваемый объект; количество СК примем в диапазоне от 0 до 30 панелей. В качестве определяемых показателей рассмотрим выработку СК, а также долю выработки установками ВИЭ в общем графике нагрузки, определяемой отношением потребления первичной энергии установками ВИЭ (привод ТНУ, циркуляция и автоматика) к потреблению первичной энергии в ГЭК без установок ВИЭ (169,9 МВт-ч/год по таблице 5.4). Все полученные результаты приведены в таблице 5.5 и на рисунке 5.8.
Расчет выработки разного количества СК и их влияние на общение потребление первичной энергии ГЭК и на долю выработки энергии установками ВИЭ..
Из диаграммы на рисунке 5.8 очевидно, что с увеличением количества СК снижается нагрузка на ТНУ, что снижает общее потребление первичной энергии ГЭК и увеличивает долю использования энергии окружающей среды (в данном случае и НПТ энергия грунта и энергия Солнца). После проведения всех расчетов необходимо экономическое обоснование эффективности того или иного ГЭК - выбор оптимального по некому критерию (например, минимума дисконтированных затрат). 5.5 Расчет экономической эффективности ГЭК
Цели проведения расчетов в данной главе - определение показателей экономической эффективности ГЭК. Очевидно, что основной показатель успешности внедрения любого энергокомплекса, в том числе и на базе оборудования ВИЭ - окупаемость реализованных мероприятий. Для проведения расчетов окупаемости рассматриваемого объекта примем к рассмотрению следующие основные допущения и утверждения (на основе российского опыта проектирования, монтажа и эксплуатации энергокомплексов): 1. Оценочная стоимость котельной с использованием геотермального ТНУ (оборудование и работы) - 7 100 000 рублей 2. Оценочная стоимость котельной с традиционным электрическим котлом и кондиционерами (оборудование и работы) - 675 000 руб. 3. Тариф на электроэнергию для объекта - 10 рублей / кВт-ч 4. Ежегодный рост тарифов на электроэнергию 6 % / год 5. Стоимость каждого СК, дополняемого в ГЭК, принимается в размере 80 000 руб. (СК, каркас, автоматика, дополнительного оборудование) 6. Ежегодные издержки энергокомплексов взяты из таблицы 5.4 Рисунок 6.1. Дисконтированные затраты для рассматриваемых энергокомплексов (ДЗт.н. - для ГЭК с ВИЭ, ДЗэл.к. - для традиционной схемы энергоснабжения). Дисконтированные затраты, руб.
Исходя из полученной точки пересечения линий дисконтированных затрат для ГЭК с оборудованием ВИЭ с традиционным оборудованием, окупаемость составит 4,5 года, что является приемлемым результатом для энергетики.
Аналогичным образом были проведено исследование эффективности внедрения СК в рассматриваемый ГЭК. Количество СК так же принимаем от 0 до 30 панелей. Результаты расчетов приведены на рисунке 6.2.
Из диаграммы на рисунке 6.2 очевидно, что с увеличением количества СК существенно увеличиваются капитальные затраты в ГЭК, при этом за счет увеличения выработки энергии установками ВИЭ (СК в данном случае) снижаются эксплуатационные затраты. Оба эта фактора в данном случае приводят к тому, что срок окупаемости ГЭК с увеличением количества СК увеличивается, несмотря на то, что и незначительно.
Для ряда аналогичных объектов, размещенных в других регионах, результаты исследований приведены в Приложении 2. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ТЭК РФ находится на важном этапе своего развития. Энергетика, неотъемлемая часть прогресса и развития мира, оказывает влияние на направления и темпы развития социально-экономической сферы. Диверсификация источников энергии увеличивает возможности человека, а размеры резерва источников энергии часто определяет уровень жизни людей.
Увеличение уровня жизни людей в развивающихся странах требует в разы увеличить добычу первичных источников энергии, что при современном состоянии технологий и добывающих заводов невозможно. Решением проблемы может быть внедрение установок ВИЭ.
В стране было принято решение о целесообразности развития экологически чистых ВИЭ. Уже сейчас в РФ есть перспективы использования энергии солнца, ветра, грунта. Прежде всего, это относится к малой распределенной энергетике.
Был проведен анализ перспективных объектов для внедрения ГЭК, в качестве которых: дачные кооперативы, удаленные поселения, АЗС и многофункциональные АЗК, метеопосты и метеостанции, военные части и некоторые другие. Для формирования универсальной структуры ГЭК были выбраны ТНУ, СК, СФЭМ и тепловые котлы и электрические генераторы с традиционными источниками энергии, для которых были предложены методики обоснования параметров и структуры ГЭК.
Предложена схемы построения ГЭК на базе ВИЭ, которая характеризуется исключительно высокой энергоэффективностью и минимумом выбросов СО2 в атмосферу и при этом является инновационной для российского рынка. Дальнейшим возможным путем совершенствования работы ГЭК является повышение энергетической эффективности составных элементов.
