Сезонне акумулювання теплової енергії
К.т.н. В.П. Грицина, член експертної ради технологічної платформи «Мала розподілена енергетика» АПБЕ, м. Москва
Загальні витрати на виробництво теплової та електричної енергії на ТЕЦ на 30% нижчі, ніж при роздільному виробництві теплової енергії в котельні та електроенергії на КЕС. Зниження потреб промисловості в тепловій енергії в попередні два десятиліття призводило до зменшення відпустки тепла від ТЕЦ, при цьому вартість теплової енергії, що відпускалася, виявлялася часто вищою, ніж від котелень. Для збільшення споживання теплової енергії від ТЕЦ є можливість використання законодавчих заходів, але є і технічні можливості зниження витрат на теплову енергію, що відпускається.
На ТЕЦ існує резерв теплової енергії, що скидається в атмосферу та у водне середовище влітку, т.к. у цей період відсутнє опалювальне навантаження. Теплова енергія від ТЕЦ у літній період витрачається лише на гаряче водопостачання, що становить близько 20-25% зимового навантаження. Середньорічний коефіцієнт використання палива на міських ТЕЦ навряд чи перевищує 55%, хоча може сягати 90% і більше за наявності постійного теплового навантаження.
Якщо здійснити запасання (акумулювання) гарячої води, одержуваної на ТЕЦ у літній період, і використовувати її взимку, то можна було б значно знизити витрати на паливо та зменшити вартість теплової енергії, що відпускається.
На багатьох ТЕЦ, збудованих за кордоном, для забезпечення енергією житлової забудови, встановлюються баки-акумулятори гарячої води. При цьому ТЕЦ працює на повне навантаження вночі і заряджає гарячою водою баки-акумулятори, а в піковий годинник вдень теплопостачання будинків здійснюється від баків-акумуляторів.
Є й приклади сезонного акумулювання тепла. У Канаді, недалеко відміста Калгарі в невеликому містечку Окотокс, три роки тому створено систему сезонного акумулювання тепла [1] для опалення 52 двоповерхових житлових будинків кожен площею близько 150 м 2 . Система акумулювання (рис. 1, 2) представляє 144 свердловини діаметром 140-150 мм та глибиною до 37 м, в яких розміщені U-подібні пластикові труби діаметром 25 мм. Свердловини залиті цементно-піщаною сумішшю для забезпечення теплопередачі до ґрунту. Глибина «складання» акумулятора становить 35 м. Вода влітку нагрівається в сонячних колекторах (рис. 3) до 90 ° С, і проходить по U-подібній трубі в свердловині, при цьому віддаючи тепло навколишньому грунту. Взимку вода нагрівається в підземному акумуляторі та надходить у будинки для опалення.
Система спроектована із розрахунку забезпечення 90% теплової енергії, необхідної для опалення будівель. Вже другого року близько 80% теплової енергії для опалення забезпечувалося від сонячно-акумуляторної системи обігріву. Економія витрат за опалення проти традиційної системою оцінюється в 30%.
Цей проект є позитивним прикладом використання сезонного акумулювання тепла, незважаючи на відносно невеликий обсяг акумулювання теплової енергії.
Для збереження великих обсягів гарячої води можливе пряме закачування гарячої води в пористі водоносні структури. За відсутності в пористих структурах конвекції, дисипація тепла мала. По теплопровідності шар води товщиною 1 м еквівалентний шару пінопласту товщиною 10 см.
У Данії в місті Херсхольме було побудовано дослідно-промисловий підземний акумулятор гарячої води, що закачується у піщаний водоносний шар на глибину 25 м [2]. Джерелом теплової енергії був сміттєспалювальний завод. Частина теплової енергії у будні дні витрачалася на підігрів(через теплообмінник) води, що закачується у свердловини. У вихідні дні сміттєспалювальний завод не працював і теплова енергія з підземного акумулятора використовувалася для підігріву мережної води. Таким чином, данці економили значну кількість мазуту, що спалювався раніше у вихідні в резервній котельні.
Радянськими фахівцями майже 30 років тому проведено низку розрахункових та експериментальних робіт з обґрунтування акумулювання великих обсягів тепла у вигляді гарячої води у пористих водоносних горизонтах [3-5]. Дослідження показали повсюдну наявність водоносних горизонтів, придатних для закачування гарячої води в європейській частині України на глибинах до 100-500 м. Авторами робіт були запропоновані пристрої підземних акумуляторів тепла (ПАТ), які забезпечують застосування сезонного акумулювання гарячої води для обігріву теплиць. Вартість системи акумулювання, що включає: теплообмінники, трубопроводи і свердловини, виявлялася значно менше, ніж вартість котельні, що відповідає опалювальному навантаженню об'єкта, що підключається.
За кордоном такі дослідження продовжуються.
Департамент енергетики США на запит Департаменту оборони США ініціював у 2010 р. розробку проекту з підземного акумулювання великих обсягів тепла та холоду, що має знизити витрати енергії на опалення та кондиціювання на 30% та дати позитивний екологічний ефект [6]. Проект має бути завершений у 2014 р.
Інститут енергетичних технологій в Англії два роки тому заявив [7] про запуск проекту вартістю 140 тис. фунтів щодо оцінки можливостей акумулювання під землею (в шахтах) гарячої води, що отримується від ТЕЦ влітку з метою зниження витрат палива (газу) взимку.
При проектуванні нових або реконструкції старих ТЕЦ, атакож при розробці схем теплопостачання в Україні є доцільним розглядати варіанти використання акумулювання теплової енергії. Сезонне акумулювання дозволить ТЕЦ стати більш конкурентоспроможними на ринках теплової та електричної енергії. Частина коштів, витрачених створення систем сезонного акумулювання, то, можливо повернуто як компенсацій витрат за одержуване зниження викидів СО2.
Досвід, накопичений у геотермальній енергетиці, дозволяє розраховувати та проектувати системи підземного сезонного акумулювання тепла в пористих водоносних горизонтах, тому перспективи застосування даної технології є успішними. Зниження вартості тепла під час використання ПАТ на 30% означало б скорочення комунальних витрат громадян на 11%, що є вагомим аргументом на користь розробок таких проектів.
Висновок
Розглянуто одну з технічних можливостей підвищення ефективності роботи ТЕЦ.
Показано, що за кордоном ведуться роботи із застосування сезонного акумулювання теплової енергії. Технічні засоби підвищення ефективності роботи ТЕЦ можуть використовуватися там, де це застосовно, та економічно обґрунтовано.
Для підтримки технічної модернізації ТЕЦ, для зниження темпу зростання тарифів на теплову та електричну енергію, що відпускається, необхідна система державних заходів підтримки, прикладом якої є система стимулювання розвитку ТЕЦ, прийнята в Німеччині.
Література
1. The Drake Landing Solar Community (DLSC) знаходиться в Okotoks. http://www.dlsc.ca/about.htm.
2. Hagelskjar J. Zeih J.A., Mortensen J. Undeground heat storage in Horsholm; Denmark. In// Proc. Int. Conf. "Subsurface heat storage in theory and practice". Stockholm. 1983.
3. АхмедовР.Б., Грицина В.П., Дріндрожік Е.І., Передерій А.Д. Оцінка ефективності акумулювання скидного тепла КС // Газова промисловість. 1987. № 5. С. 22-25.
4. Алексєєв В.С., Комунар Г.М., Хохлатов Е.М., Передерій А.Д., Грицин В.П., Дриндрожік Е.І. Система акумулювання тепла в підземних водоносних горизонтах// Водопостачання та санітарна техніка. 1987. № 6. С. 19-22.
5. Передерій А.Д., Дріндрожік Е.І., Грицин В.П. Про можливе використання теплових скидів конденсаційних електростанцій// Теплоенергетика. 1989. № 4. С. 34-38.