Введение Анализ данных по тарифам на тепловую и электрическую энергию и ценам на ряд топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), таких как газ, мазут, уголь и др., показывает их неуклонный рост. Именно поэтому энергоустановки с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), в которых экономия ТЭР может составлять до 60-70 % и более, станут достаточно привлекательными для значительной части потребителей, т. к. в ряде случаев позволят избежать зависимости от естественных монополий - производителей тепловой энергии и поставщиков ТЭР [1-5]. Разработанная нами методика оценки экономической эффективности энергоустановок с ВИЭ заключается в определении таких основных технико-экономических показателей (ТЭП), как капитальные вложения, себестоимость получаемой тепловой энергии и срок окупаемости энергоустановок: солнечных водонагревательных установок (СВУ), ветроэнергоустановок (ВЭУ) и биогазовых установок (БГУ) [6]. Целью исследований являлась комплексная оценка эффективности энергоустановок, использующих ВИЭ, в конкретных условиях, в частности в Астраханской области, на основе определения их ТЭП и разработка рекомендаций по их применению и совершенствованию. Солнечные водонагревательные установки Срок экономической окупаемости СВУ может быть определен по полученной нами универсальной формуле (1) где - коэффициент, учитывающий долю капитальных вложений в солнечные коллекторы в общих капитальных вложениях в гелиоустановку; kF - удельные капитальные вложения, зависящие от типа гелиоколлектора, руб./м; - удельное годовое количество солнечной энергии, поступающей на гелиоколлектор, ГДж/(м∙год); - энергетический КПД СВУ; - стоимость замещаемой тепловой энергии, руб./ГДж. Коэффициент зависит от типа гелиоколлектора, конструкции теплового аккумулятора, вида металлоконструкций и циркуляционных трубопроводов. Анализ литературных данных [7, 8] показывает, что коэффициент = 1,5-2,5 ≈ 2,0. Формула (1) может быть использована для выбора оптимальной конструкции СВУ в зависимости от конструкции гелиоколлектора (солнечного коллектора). Гелиоколлектор характеризуется коэффициентами и , величиной удельного годового количества солнечной энергии, поступающей на гелиоколлектор , зависящей от географического расположения СВУ, и стоимостью замещаемой энергии, зависящей от типа альтернативного энергоисточника и стоимости используемого ТЭР. Результаты расчетов по формуле (1) для Астраханской области при значении коэффициента= 2,0, удельном годовом количестве солнечной энергии, поступающей на гелиоколлектор в теплый период года (с апреля по октябрь) = 4,016 ГДж/(м∙год), энергетическом КПД СВУ = 0,50 приведены на рис. 1. Из рис. 1 видно, что срок окупаемости для южных регионов России увеличивается от 2 до 25 лет, при увеличении удельных капитальных вложений в гелиоколлекторы от 5 до 25 тыс./м и уменьшении стоимости замещаемой энергии от 2,5 до 1,0 тыс. руб./ГДж. Стоимость гелиоколлекторов, приемлемая для практического применения, при сроке окупаемости не более 7,0 года и при увеличении стоимости замещаемой тепловой энергии от 1,0 до 2,5 тыс. руб./ГДж составит 7,0-17,7 тыс. руб./м2. Следует, однако, отметить, что в настоящее время тариф на тепловую энергию, например, в Астраханской области, составляет 338 руб./ГДж (1418 руб./Гкал), поэтому минимально допустимая стоимость гелиоколлекторов при сроке окупаемости 7,0 года не должна превышать 2,3 тыс. руб./м(59 долл./м). Это условие должно выполняться при проектировании и широком внедрении гелиоустановок. Рис. 1. Зависимость срока окупаемости СВУ от удельной стоимости гелиоколлекторов и стоимости замещаемой энергии В России солнечные коллекторы серийно выпускаются ОАО «Ковровский механический завод» (г. Ковров), предприятием «Конкурент» (г. Краснодар), Научно-производственным объединением (НПО) машиностроения (г. Реутов) и рядом других предприятий [3, 7, 8] . Ковровским механическим заводом выпускаются коллекторы с оптимальным для российского рынка соотношением цена/качество. Площадь коллектора составляет 0,8-1,07 м2, стоимость - 70 долл./м2 (2,8 тыс. руб./м2). На их основе изготавливается СВУ с двумя коллекторами и теплоизолированным баком-аккумулятором. Стоимость - 280 долл. (11,2 тыс. руб.). Солнечные коллекторы фирмы «Конкурент» имеют технические характеристики на уровне лучших зарубежных образцов. Площадь коллектора 1 м2, стоимость - 220 долл. (8,8 тыс. руб.). Солнечные коллекторы НПО машиностроения имеют площадь 0,9-1,2 м2, стоимость - 230 долл./м2 (9,2 тыс. руб./м2). Из зарубежных конструкций оптимальное соотношение цена/качество имеют израильские коллекторы трех видов: наиболее качественные - стоимость свыше 150 долл./м2 (6 тыс. руб./м2), средние по качеству - стоимость до 150 долл./м2 (6,0 тыс. руб./м2), стандартного качества - стоимость до 100 долл./м2 (4,0 тыс. руб./м2). Таким образом, удельная стоимость гелиоколлекторов составляет 5,3-18,7 тыс. руб./м2, а срок окупаемости достигает 8-16 лет, что делает их в большинстве случаев недоступными для широких масс потребителей со средними и низкими доходами. Расчеты показывают, что оригинальные СВУ гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами из разнородных элементов, в том числе из более дешевых - без остекления и с одинарным остеклением, имеют капитальные затраты в 1,4-1,6 ниже, чем традиционные СВУ циркуляционного типа, а срок окупаемости при использовании самых дешевых солнечных коллекторов для третьей ступени не превышает 5,0-5,7 года. Это позволяет применять их для теплоснабжения не только в малоэтажных зданиях совместно с газовыми и электрическими нагревателями, но и в многоэтажных - совместно с блочными и крышными котельными, что позволяет сократить годовой расход газа на 40-60 % [6, 9, 10]. Ветроэнергоустановки Технико-экономические показатели эксплуатирующихся отечественных ВЭУ вполне соответствуют ТЭП лучших зарубежных ВЭУ [3, 11-13]. За последние 20-30 лет удельные капитальные затраты в ВЭУ уменьшились в 5 раз и составляют в настоящее время = 40-60 тыс. руб./кВт (1,0-1,5 тыс. долл./кВт). Обобщение этих данных позволило получить расчетные формулы для оценки основных ТЭП ВЭУ. В частности, срок экономической окупаемости может быть определен по предлагаемой нами формуле , (2) где - коэффициент использования установленной мощности; - годовое время работы ВЭУ, ч/год; - стоимость замещаемой энергии, руб./(кВт∙ч). Результаты расчетов по формуле (2) приведены на рис. 2. Рис. 2. Зависимость срока окупаемости ВЭУ от удельной стоимости ВЭУ и стоимости замещаемой электроэнергии Как видно из рис. 2, срок окупаемости ВЭУ увеличивается от 2 до 30 лет, при увеличении удельных капитальных вложений в ВЭУ от 25 до 105 тыс. руб./кВт (от 0,625 до 2,625 тыс. долл./кВт) и уменьшении стоимости замещаемой электроэнергии от 2,0 до 5,0 руб./(кВт·ч). Удельные капитальные вложения в ВЭУ, приемлемые для практического применения, при сроке окупаемости не более 7,0 года и при увеличении стоимости замещаемой электроэнергии от 2,0 до 5,0 руб./(кВт·ч) составят от 25 до 63 тыс. руб./кВт. Следует отметить, что в настоящее время тариф на электроэнергию в Астраханской области составляет 3,76 руб./(кВт∙ч), поэтому минимально допустимые удельные капитальные вложения в ВЭУ при сроке окупаемости 7,0 года не должны превышать 46 тыс. руб./кВт (1,15 тыс. долл./кВт). Это условие можно рекомендовать при проектировании и широком внедрении ВЭУ в Астраханской области. Наиболее широкое применение для выработки электроэнергии получили аксиальные (горизонтально-осевые) ВЭУ, у которых 2-4-лопастное колесо с лопатками аэродинамического профиля имеет горизонтальную ось вращения. Однако, кроме бесспорных преимуществ, главным из которых является достаточно высокий КПД, достигающий 0,30-0,40, такие ВЭУ имеют очень существенный недостаток - ориентировка на ветер. Кроме того, начиная с мощности 3 кВт, такие ВЭУ требуют специальных раскручивающих устройств, т. е. стартовать сами не могут. Это приводит к усложнению системы старта и управления, а значит, к удорожанию. В связи с этим для многих автономных объектов наиболее целесообразно использование ортогональных (вертикально-осевых) ВЭУ [14, 15], обладающих рядом несомненных преимуществ: независимость от направления ветра, возможность самозапуска и возможность работы уже при малой скорости ветра - 2-3 м/с (у большинства аксиальных ВЭУ - 5-6 м/с). Работа вертикально-осевых ВЭУ типа Дарье, в отличие от горизонтально-осевых, не зависит от направления ветра, и поэтому удельная выработка энергии аналогичными по мощности конструкциями у ВЭУ в 2,0-2,5 раза больше. Кроме того, ортогональные ВЭУ не являются генераторами инфразвука и шума. Однако ортогональные ВЭУ больше подвержены вибрациям. ООО «ГРЦ-Вертикаль» (г. Миасс, Челябинская обл.) выпускает ВЭУ мощностью до 100 кВт с вертикальной осью вращения [14]. Установка обеспечивает реальный КПД до 38 % при любом направлении ветра. Ротор производства ООО «ГРЦ-Вертикаль» напоминает геликоидную турбину Горлова, одну из самых эффективных конструкций в мире, и фактически получается из нее путем спрямления лопастей по вертикали. Разновидности ортогональных ВЭУ ООО «ГРЦ-Вертикаль» показаны на рис. 3. Рис. 3. Разновидности ортогональных ВЭУ ООО «ГРЦ-Вертикаль» Технико-экономическая оценка эксплуатации этих ВЭУ была проведена для различных вариантов применения и показала высокую эффективность использования ВЭУ в системе энергоснабжения различных автономных объектов. Себестоимость электроэнергии оценивается максимум в 4,5 руб./(кВт · ч). Себестоимость ВЭУ без введения автоматизированного производства составляет 60 тыс. руб./кВт (1,5 тыс. долл./кВт). При серийном производстве удельные капитальные затраты могут быть снижены и при доведении их до 46 тыс. руб./кВт (1,15 тыс. долл./кВт) эти ВЭУ могут быть рекомендованы для применения в южных регионах России, в частности в Астраханской области. Достаточно экономичными представляются и ортогональные ВЭУ аналогичной конструкции американской фирмы-производителя вертикально-осевых ВЭУ «Falcon Euro» с пятью лопастями крылового профиля мощностью 7,5-20,0 кВт. Удельные капитальные затраты на них составляют не более 1,620 тыс. долл./кВт. Наиболее экономичные ВЭУ мощностью 15 кВт требуют удельных капитальных затрат в объеме 1,070 тыс. долл./кВт (43 тыс. руб./кВт) и могут быть уже в настоящее время рекомендованы для использования в Астраханской области. В лаборатории нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра РАН при Астраханском государственном техническом университете в 2013-2014 гг. также проводилась разработка конструкций и оценка параметров ортогональных ВЭУ, в частности комбинированных ВЭУ на основе роторов Савониуса для пуска ветродвигателя и Дарье для окончательной раскрутки и выхода на номинальную скорость вращения с максимальным КПД около 0,40 при коэффициенте быстроходности 4-5 [15]. Удельные капитальные затраты на такие установки при серийном производстве будут составлять не более (40 тыс. руб./кВт) 1,0 тыс. долл./кВт и в перспективы будут широко применяться для автономного энергоснабжения различных объектов. Биогазовые установки Обобщение данных по капитальным затратам на БГУ в зависимости от объема биореактора на основе анализа источников [1, 3, 4] позволило нам получить эмпирическую зависимость капитальных затрат от объема БГУ, тыс. долл. (тыс. руб.): где - удельные капитальные затраты на БГУ; - объем биореактора, м3. Себестоимость (цена) 1 м2 биогаза, получаемого БГУ, может быть определена по предлагаемым нами формулам: , (3) или , (4) где - срок эксплуатации БГУ, лет; - суточная производительность БГУ, м3/сут; В - удельный суточный выход биогаза, можно принять для биореакторов с ежедневной загрузкой биомассы В = 2,5-3,0 м3 в сутки на 1 м3 биореактора. Расчеты по формулам (3), (4) показывают, что себестоимость биогаза, получаемого БГУ средней мощности с объемом биореактора 10-100 м и большой мощности с объемом биореактора 100-1000 м, составляющая 15-60 долл./тыс. м3, ниже цены на природный газ на внутреннем рынке, достигающей в настоящее время 120 долл./тыс. м3. Себестоимость биогаза, вырабатываемого БГУ малой мощности с объемом биореактора 0,3-10 м, в настоящее время достаточно высока и составляет 80-270 долл./тыс. м3. С учетом значительных капитальных затрат на строительство и эксплуатацию газовых сетей в отдаленных сельских районах во многих регионах России, использование БГУ не только большой и средней, но и малой мощности может быть экономически оправданным уже в настоящее время для теплогазоснабжения многих типов потребителей. Предлагаемые в [10] схемы применения в качестве источников тепла для подогрева биомассы гелиоустановок, ВЭУ и ВЭУ в сочетании с теплонасосной установкой позволят существенно уменьшить потребление биогаза на собственные нужды и снизить себестоимость получаемого биогаза до 30-110 долл./ тыс. м3 для БГУ малой мощности. Заключение Таким образом, комплексная оценка эффективности энергоустановок, использующих ВИЭ в конкретных условиях, в частности в Астраханской области, позволяет сделать следующие выводы. 1. Срок окупаемости СВУ для южных регионов России увеличивается от 2 до 25 лет при увеличении удельных капитальных вложений в гелиоколлекторы от 5 до 25 тыс. руб./м и уменьшении стоимости замещаемой энергии от 2,5 до 1,0 тыс. руб./ГДж. При тарифе на тепловую энергию 338 руб./ГДж (1418 руб./Гкал) минимально допустимая стоимость гелиоколлекторов при сроке окупаемости 7,0 года не должна превышать 2,3 тыс. руб./м(59 долл./м). 2. Удельная стоимость гелиоколлекторов, выпукаемых в России и за рубежом, составляет 5,3-18,7 тыс. руб./м2, а срок окупаемости достигает 8-16 лет. Предлагаемые нами СВУ гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами требуют капитальных затрат в 1,4-1,6 раза ниже, чем традиционные СВУ циркуляционного типа, а срок их окупаемости при использовании самых дешевых солнечных коллекторов для третьей ступени не превысит 5,0-5,7 года. Это позволяет применять их для теплоснабжения не только малоэтажных, но многоэтажных зданий совместно с блочными и крышными котельными при сокращении годового расхода газа на 40-60 %. 3. Для многих автономных объектов наиболее целесообразно использование ортогональных ВЭУ, обладающих такими преимуществами, как независимость от направления ветра, возможность самозапуска и возможность работы уже при малой скорости ветра - 2-3 м/с. Срок окупаемости ВЭУ увеличивается от 2 до 30 лет при увеличении удельных капитальных вложений в ВЭУ от 25 до 105 тыс. руб./кВт и уменьшении стоимости замещаемой электроэнергии от 2,0 до 5,0 руб./(кВт·ч). При тарифе на электроэнергию в Астраханской области 3,76 руб./(кВт∙ч) минимально допустимые удельные капитальные вложения в ВЭУ при сроке окупаемости 7,0 года не должны превышать 46 тыс. руб./кВт (1,15 тыс. долл./кВт). 4. Максимальная себестоимость электроэнергии эксплуатации ВЭУ ООО «ГРЦ-Вертикаль» составляет 4,5 руб./(кВт ч), удельные капитальные вложения - 60 тыс. руб./кВт (1,5 тыс. долл./кВт). При серийном производстве удельные капитальные затраты могут быть снижены и при достижении величины 46 тыс. руб./кВт эти ВЭУ могут быть рекомендованы для применения в южных регионах России, в частности в Астраханской области. Удельные капитальные затраты на ортогональные ВЭУ американской фирмы «Falcon Euro» составляют не более 1,620 тыс. долл./кВт. Наиболее экономичные ВЭУ мощностью 15 кВт требуют удельных капитальных затрат в размере 1,070 тыс. долл./кВт (43 тыс. руб./кВт) и могут быть уже в настоящее время рекомендованы для использования в Астраханской области. Оригинальные комбинированные ВЭУ на основе роторов Савониуса и Дарье имеют максимальный КПД около 0,40 при коэффициенте быстроходности 4-5. При серийном производстве удельные капитальные затраты на такие установки составят не более 40 тыс. руб./кВт и в перспективе они смогут широко применяться для автономного энергоснабжения различных объектов. 5. Расчеты показали, что себестоимость биогаза, получаемого на серийно выпускаемых БГУ средней мощности (объем биореактора 10-100 м) и большой мощности (объем биореактора 100-1000 м), которая составляет 15-60 долл./тыс. м3, ниже цены на природный газ на внутреннем рынке, достигающей в настоящее время 120 долл./тыс. м3. Себестоимость биогаза, вырабатываемого БГУ малой мощности с объемом биореактора 0,3-10,0 м, в настоящее время достаточно высока и составляет 80-270 долл./тыс. м3. Предлагаемые схемы применения в качестве источников тепла для подогрева биомассы ВИЭ позволят существенно уменьшить потребление биогаза на собственные нужды и снизить себестоимость получаемого биогаза до 30-110 долл./тыс. м3 для БГУ малой мощности.