Альтернативная энергетика на Алтае: возможности и перспективы

В Алтайском крае в целом и в предгорных районах в частности актуальна проблема использования местных энергетических ресурсов, которые хоть как бы компенсировали высокую (в связи с поставкой из других регионов Сибири) цену на энергию. Для крупных городов Алтая обычно речь шла в первую очередь о разработке Мунайского месторождения бурого угля, для предгорий Алтая – о потенциале возобновляемой энергетики.             

Ранее было доказано, что проект строительства каскадов плотинных ГЭС на реках предгорий Алтая опасен для здоровья и жизни местных жителей, наносит ущерб их хозяйственной деятельности – сельскому хозяйству и туризму, а также крайне вреден для экологии региона. Вероятность прорыва каменно-земляных плотин на своенравных горных реках Алтая явно выше 50%, что для большинства  стало очевидно после большого паводка 2014-го года. Поэтому и доходность ГЭС – под большим вопросом.

Но это не снимает вопроса об использовании местных энергетических ресурсов. Мы предлагаем обратиться к потенциалу альтернативной энергетики – как дополнительному элементу уже имеющейся централизованной энергетической инфраструктуры. Грамотное использование местного ресурса может пополнить в первую очередь личный бюджет и бюджет предприятий. Если же предприятия зарегистрированы в нашем регионе – они через дополнительные налоги смогут пополнить и муниципальный бюджет.

Основные черты альтернативной энергетики: это стремление к экологической чистоте производства энергии и к местному, локальному её происхождению. С точки зрения экономики это означает: стремление к снижению расходов за счёт отсутствия затрат на ликвидацию экологического ущерба от действия энергоустановки. А также – сокращение затрат на транспортировку энергии.

Основными источниками энергии выступают возобновляемые энергоресурсы и отходы производства. Что накладывает определённые ограничения на использование этих источников энергии в отличие от централизованного энергоснабжения. Во-первых, количество энергии ограничено – не всегда её может хватить (частичный выход - энергосбережение). Во-вторых, возобновляемые источники энергии зачастую дают неравномерное её количество в течение суток, года. Чтобы обеспечить равномерность её потребления, необходимы аккумуляторы. Аккумулировать тепло в большинстве случаев проще, а вот электрические аккумуляторы (ИБП – источник бесперебойного питания) становятся затратной частью электростанции в связи со своей недолговечностью.

В-третьих, требование экологической чистоты производства энергии ведёт к удорожанию его, снижает количество добытой энергии, требует большей наукоёмкости энергоустановок. Зато сельское хозяйство и туризм не несут ущерба. С другой стороны, в результате появляются порой радующие душу парадоксы: некоторые энергоустановки улучшают экологию и даже резко снижают затраты основного производства.

Являются ли альтернативные источники энергии экономически выгодными в условиях Алтая? Несомненно, да. Но подбирать их необходимо индивидуально под каждый проект предприятия или частного домовладения. Приведём основные рекомендации.

В пределах населённого пункта

В пределах населённого пункта есть централизованное энергоснабжение теплом и электричеством. Соперничать с ней альтернативной энергетике трудно, да и не нужно – она перекрывает те лакуны, которые есть в традиционной энергетике – то есть дополняет её.

Обязательным условием для эффективного использования альтернативных источников энергии является энергосбережение.

Соломенный дом. Турбаза «Млечный путь» в окрестностях села Чемал, демонстрационной площадки Алтайского краевого эколого-культурного фонда «Алтай – 21 век»

Теплосбережение – это утепление имеющихся домов и хозяйственных построек, а также строительство новых домов по теплосберегающим технологиям. В России энергопотребление в домах составляет 400—600 кВт·ч/год на квадратный метр. К 2020 году планируют снизить на 45 % (по СНиПу 23-02-2003 “Тепловая защита зданий” примерно 350 кВтч/м²год.). Для юга Западной Сибири по советским СНиПам тёплым считался дом, чьи теплопотери равнялись с кирпичной стене в 40 см. Теперь  - только в 80 см. В то же время классификация энергосберегающих домов в Европе начинается с 40 кВтч/м²год – почти в десять раз меньше.

Чтобы добиться снижения потерь тепла, утепляют стены, окна, потолок, пол, двери и другие части дома. Предложение на рынке огромно, здесь множество профессиональных секретов - и заблуждений тоже. Например, столь любимые россиянами пластиковые окна – не самые лучшие. Их полезные свойства нивелируются тем, что зачастую они вредны для здоровья (содержат соли кадмия или свинца). Качественные деревянные окна – наилучший выбор. Новый энергосберегающий дом может быть наиболее эффективным за счёт особой архитектуры (большие окна на юге, отсутствие их на севере, например) и грамотно смонтированных альтернативных энергоустановок. Но нельзя забывать, что в первую очередь это дом, и он должен быть надёжным и удобным, и потому экономить на этом не стоит.

Электросбережение в основном заключается в том, чтобы меньше терять в процессе потребления электроэнергии (медные провода вместо алюминиевых, грамотная электропроводка, энергосберегающие светодиодные лампы). А также - сознательный контроль над расходом энергии или последовательное использование приборов при недостаточной мощности энергоустановок.

Экономически выгодные технологии

Солнечные коллекторы - устройство для сбора тепловой энергии Солнца, которое нагревает материал-теплоноситель. Принцип работы хорошо всем известен на примере летнего душа: бак с водой, покрашенный в чёрный цвет, нагревается на солнце и позволяет использовать летом тёплую воду для хозяйственных нужд.

Обычно применяются для горячего водоснабжения и отопления помещений. Бывает двух типов: плоские и вакуумные. Вторые более совершенные, но и дорогие. Их можно применять даже зимой. А также – отапливать помещения, но для этого необходимо создать тепловой аккумулятор в земле для сбора излишнего летнего тепла. Солнечные коллекторы применяются не только в частном доме, но и на производстве – для отопления цехов, подогрева воды на животноводческих фермах, например.

Солнечный коллектор для горячего теплоснабжения, частный дом в окрестностях села Чемал.

Цены на коллекторы солнечного тепла начинаются с 8 тысяч рублей, система отопления гораздо дороже – свыше 100 тысяч рублей.

Биогазовые установки – используются для получения водорода или метана из биомассы. Сырьём служат отходы сельхозпроизводства животного и растительного происхождения, а также отходы сельхозперереработки – от скотобоен до молочного завода. Себестоимость биогаза составляет примерно 800 рублей за 1000 м3, в то время как цена природного газа для конечных потребителей – более 4200 рублей за 1000 м3. В нашем животноводческом регионе, куда в ближайшее время вряд ли проведут централизованный газ, это более чем перспективная технология.

Биогаз представляет из себя смесь метана и углекислого газа (примерно одна треть), но после дополнительной очистки это почти чистый метан, по свойствам аналогичный природному газу. Биогаз используется для получения электроэнергии, тепла,  топлива автомобилей и генераторов (в чистом виде), биоудобрений, (по своим свойствам намного превышают исходное сырьё и являются отдельным товаром). Стоимость биогазовой установки российского производства может варьироваться от 90 000 до 800 000 рублей в зависимости от мощности и комплектации.

Твёрдое биотопливо из отходов. Сырьём для его производства служат торф, балансовая (некачественная) древесина, опилки щепа, отходы сельского хозяйства: от лузги подсолнечника до кукурузной шелухи. Для предгорьев Алтая в первую очередь речь идёт, конечно об отходах лесного хозяйства.  Экономически выгодно топить котельные высушенной щепой и опилками. Теплоёмкость как у дров, себестоимость – гораздо меньше даже с учётом затрат на сушку. Удобство транспортировки и сжигания – намного больше, потому что это сыпучий материал.

В Крутихинском, Тюменцевском, Мамонтовском, Завьяловском, Романовском, Баевском районах и г. Камне-на-Оби, в Поспелихинском, Рубцовском, Локтевском районах и г. Рубцовске используется уже несколько лет как замена углю на котельных. Высушенная щепа и опилки более выгодны, чем уголь даже для покупателей, но есть дефицит, потому что их можно продать и на производство мебели.

Повышение комфорта жизни на селе

Увеличение теплотворности твёрдого биотоплива. Для этого его прессуют, в результате оно разогревается и склеивается за счёт присутствующего в нём лигнина. Теплотворность примерно в два раза меньше каменного угля. Если идти дальше, то можно обжечь без присутствия кислорода (торрификация). По теплотворности это бурый уголь.  Есть две основных формы конечного продукта – брикеты («поленья») – для сжигания в домашних печах, каминах, мангалах и пеллеты («гранулы») – для больших котельных. В зависимости от степени обработки твёрдых горючих отходов, а также их формы, цены различаются.

Тонна прессованных гранул стоит примерно 5 000 рублей, торифицированные брикеты обойдутся в 10 000 рублей. Экономически в России отопление данными видами твёрдого биотоплива невыгодно, в отличие от Западной Европы, где цены на энергоносители выше. Но есть другое преимущество: удобство. Золы намного меньше, удобная упаковка, лёгкость использования. Топят частные коттеджи (чтобы не нанимать истопников); торрифицированные пеллеты и брикеты продают в супермаркетах вместе с готовым шашлыком.  

Тепловой насос – устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос – это холодильник наоборот. Холодильник производит холод путём отбора теплоты из замкнутого объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс её в окружающую среду. Тепловой насос производит тепло, путём его конденсации из внешнего источника: земли, воды, утилизируемого тепла на производстве. Для потребления тепла используются обычно тёплые полы или фанкойлы.

Для того, чтобы вычерпать низкопотенциальное тепло из земли или воды, используются несколько способов укладки труб: вертикальные скважины (50 – 100 метров), горизонтальные траншеи на глубине более 1 метра и две трубы (заборная и спускная) – до незамерзающей зимой воды. В зависимости от этого окончательная стоимость системы отопления различается. Если рядом грунтовые воды – около 800 000 рублей, если укладывать трубы горизонтально – 1 200 000 рублей, если бурить вертикальные скважины – свыше 1 500 000 рублей.

  Тепловой насос для работы потребляет электричество, поэтому используется в основном в населённых пунктах. Но электричества уходит в четыре раза меньше, чем на электрический котёл. По цене это равнозначно печному отоплению. Однако тепловой насос даёт несравненно больший комфорт проживания в сельском доме, как будто в городской квартире. Поэтому тепловые насосы набирают популярность в России среди тех, кто может себе это позволить. Вторая сфера применения – производственные помещения, туристические базы и т. д.

Тепловой насос Rehau, отапливает около 100 квадратных метров в туристическом комплексе в селе Чемал. В связи с нехваткой места в усадьбе, применён самый дорогой способ укладки труб в вертикальные скважины.

Иногда в населённых пунктах для получения электроэнергии используются солнечные батареи – но без аккумуляторов. Они соединяются с централизованной сетью, и весь излишек электричества отдают в неё бесплатно. Зато перекрывают основное потребление в дневные часы и помогают при перебоях с электричеством.

За пределами населённых пунктов

Стоимость одного километра централизованных электросетей варьируется от 650 до 800 тысяч рублей. Поэтому уже в трёх-пяти километрах от посёлка альтернативная энергетика снимает с себя жёсткую привязку к стоимости.

Главный её конкурент здесь – это топливные генераторы.  Цены на них ниже – от 25 до 100 тысяч рублей. Они просты в использовании, но зачастую много шумят и дымят, а также ломаются – как всякие двигатели внутреннего сгорания. Самые прочные дизельные – они могут работать беспрерывно – но не более двух лет по моточасам, именно их выбирают для производственных объектов. Стабильно работают только более дорогие мощные когенераторы, предназначенные для питания целых кварталов.

Слабое место топливных генераторов – высокая цена на топливо при круглосуточном потреблении – например, бензиновый генератор на 5 кВт за пять с половиной часов работы «проглотит» десять литров горючего. К тому же топливо необходимо постоянно привозить; иногда шум и выхлопные газы мешают: на охотничьих заимках, на пасеках и т. д.

Топливные генераторы бывают бензиновые, дизельные и газовые, причём последние мы считаем лучшим вариантом для личного потребления: они меньше всего вредят экологии, наиболее долговечны (потому что газ даёт наименьшую температуру горения) и меньше шумят при хорошем качестве сборки. Могут беспрерывно работать до 36 часов. Стоимость такой установки высока – примерно такая же, как и дизельной, но цена на топливо – минимальна. К тому же если использовать вместо природного газа биогаз местного производства – она будет ещё меньше.

Солнечные батареи – это несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. Любой свет, происходящий от солнца, свечи или электрической лампы, вызывают элементарные частицы – фотоны. Их энергия частично поглощается металлами с выбросом электронов, это явление получило название фотоэлектрический эффект (фотоэффект).

Солнечные батареи, часть комбинированной электростанции, в которую также входит ветряк и дизель-генератор. Туристическая база на реке Катунь около села Чемал

Реально на рынке представлены солнечные панели из кремния: монокристаллического и поликристаллического. Мнокристалл лучше для интенсивного солнца, поликристалл – для частого затенения. Но при выборе панели в первую очередь стоит обращать на её качество: при низком качестве срок её работы резко сокращается. Если качественная прослужит от 10 до 20 лет, то подделка – не более полугода. Для полноценной солнечной электростанции необходимо купить также инвертор, контроллер и аккумуляторы. Примерная стоимость комплекта для частного дома – около 150 000 рублей. Причём следует учесть, что аккумуляторы недолговечны, их хватаем максимум на 600 – 800 циклов полного заряда-разряда или на пять лет эксплуатации. 

Ветрогенератор – устройство для превращения энергии ветра в электричество. Бытовой ветряк обычно имеет мачту не выше 12 метров с растяжками, горизонтально расположенный ротор с тремя лопастями. Но все эти параметры варьируются: более высокие мачты имеют бетонированное основание, кроме горизонтальных есть вертикальные роторы, количество лопастей – от одной до нескольких десятков.

Ветряки работают в диапазоне ветра от 0,6 метра в секунду до 25 метров в секунду, причём выбирать его необходимо точно под среднегодовую скорость ветра на месте его установки, потому что от слабых ветров сильный ветряк не крутится, а если ветрогенератор слабый – то от сильного ветра он сломается.

Ветрогенератор и солнечные батареи выгодно использовать для питания станций мобильной связи или телевышки за пределами населённых пунктов,

Ветроустановка станет самоокупаемой только при скорости ветра выше 8 м/с, когда стоимость электричества приблизится к 2,3 рубля за 1 кВт. Но Алтайский край, как и большая часть России (за исключением областей по берегам морей) находится в зоне средних ветров – от 3 до 5 м/с в среднем за год. Конечно, даже у нас есть места, где ветра больше – это вершины гор, холмов, узкие долины, берега рек и озёр. И всё же основная сфера применения ветргенераторов – за пределами населённых пунктов.

В среднем ветрогенератор, способный выработать 0,5 кВт при скорости ветра 6 м/с стоит 41 000 руб., в полной комплектации – от 73 000 до 90 000 руб. (цена зависит от выбранной мощности инвертора и типа аккумуляторов).

Ветроустановки часто используют в комбинированных электростанциях, где есть также солнечные батареи и дизельгенератор. Данная система использует один на всех комплект электрооборудования (контроллер, аккумуляторы, инвертор), поэтому она наиболее оптимальна для круглосуточного электроснабжения круглый год за пределами населённых пунктов.

Бесплотинные микроГЭС. В отличие от плотинных ГЭС любого масштаба, могут считаться экологически чистыми, если не забирать в турбину чрезмерно большую часть речного потока. Бывают наплавными (свободнопоточные), деривационными (отводной открытый канал) и рукавными (напор создаётся за счёт закрытого канала – трубы, сужающегося к концу). Первое поколение появилось в 1960-е годы, КПД был низким. В 2000-е – второе поколение, которое научилось создавать напор воды без применения плотин. Бесплотинные микроГЭС стали более эффективны при снижении себестоимости, более экологичны, появились попытки использовать их даже в зимние месяцы.

Плюсом микроГЭС по сравнению с другими видами возобновляемой энергетики является то, что они выдают равное количество электричества в течении всего сезона.  Минусом то, что они привязаны к речной системе; большинство микроГЭС зимой работать не может в принципе. Наиболее удачными для Алтая считаются бесплотинные микроГЭС второго поколения Ушакова Григория Германовича. Наплавная ГЭС – для больших равнинных рек, рукавная – для горных. Последняя разработка даже пытается решить проблему работы в зимние месяцы. Но если воды в реке слишком мало для того, чтобы не забирать всю её на турбину, то работать ей не стоит по соображениям экологии.

Цены на бесплотинные микроГЭС в интернете начинаются с 60 000 рублей за 1 кВт установленной мощности, но могут варьироваться как в сторону повышения (если оборудование иностранное), так и в сторону понижения (если часть его сделать самому из подручных материалов).

Выводы

Альтернативная энергетика не способна покрыть все потребности нашего региона в энергии – будь то электричество или тепло. Но у неё есть важные преимущества:

- она не нарушает экологию региона, а значит – не препятствует предпочтительным для предгорий Алтая видам хозяйственной деятельности: сельскому хозяйству и туризму.

- это дополнительные мощности, которые могут помочь действующим предприятиям и даже появиться новым без дополнительной нагрузки на центральную сеть.

- при внимательном подходе альтернативная энергетика является доходной частью бюджета. В свою очередь конкуренция может улучшить качество услуг централизованного энергоснабжения.

- в некоторых случаях она позволяет увеличить комфортность проживания в сельской местности, сделав её тем самым более привлекательной – в том числе и для молодого поколения, которое привыкло к городским удобствам.

- локальность производства энергии позволяет выйти за пределы населённых пунктов и приступить к освоению тех ресурсов, которые были брошены – дальние луга, пастбища и так далее.

Полезные сайты для первоначального ознакомления:

https://ru.wikipedia.org,

http://www.domastroim.su/,

http://www.fondaltai21.ru/,

http://energi-nsk.ru/,

http://altetech.ru,

http://www.ecoklimat.com/,

http://solar04.ru/

Хроменко Ю. В.