Зачем технологии ВИЭ в городах – обзор успешных практик

Как известно, практика – критерий истины. Это справедливо для любой темы, вызывающей споры или сомнения. А если говорить о возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), то эта тема обросла огромным количеством мифов, лоббистов-псевдопредпринимателей, активных самоучек, предлагающий свои «перпетум мобиле» на базе ВИЭ, и прочих недобросовестных искателей славы и наживы на «модной» теме. На этом фоне людей, занимающихся внедрением ВИЭ «всерьез», увидеть и услышать достаточно сложно, тем более сложно убедится, что перед Вами именно профессионалы и обещанные результаты внедрения ВИЭ будут реально достигнуты, поскольку проходимцы умеют выглядеть очень убедительно.

Как известно, практика – критерий истины. Это справедливо для любой темы, вызывающей споры или сомнения. А если говорить о возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), то эта тема обросла огромным количеством мифов, лоббистов-псевдопредпринимателей, активных самоучек, предлагающий свои «перпетум мобиле» на базе ВИЭ, и прочих недобросовестных искателей славы и наживы на «модной» теме. На этом фоне людей, занимающихся внедрением ВИЭ «всерьез», увидеть и услышать достаточно сложно, тем более сложно убедится, что перед Вами именно профессионалы и обещанные результаты внедрения ВИЭ будут реально достигнуты, поскольку проходимцы умеют выглядеть очень убедительно.

В качестве иллюстрации небольшой пример из личного опыта. Находясь в кабинете одного Чиновника мегаполиса, заинтересовались солнечной батареей у него за окном. Чиновник пояснил, что к нему пришли предприниматели и предлагают ставить на козырьках подъездов жилых домов такие солнечные панели, которые днём накапливают «солнечную» энергию в аккумуляторе, а в темное время суток питают освещение подъезда, а у Чиновника в кабинете установили «образец» для питания его компьютера. А для работы при череде пасмурных и очень коротких световых дней, аккумулятор «на всякий случай» подключен к электросети. Отзыв у чиновника был самый положительный. Но при ближайшем рассмотрении солнечная панель оказалась просто муляжом, а «зеленый аккумулятор» обычным устройством бесперебойного питания для компьютера, помещенным в другой корпус с красивой «зеленой» наклейкой. А вся затея «горе-эко-предпринимателей» нужна была для освоения бюджетных средств путем обмана (мошенничества). Чиновник стал относится к новым технологиям с осторожностью и наладил взаимодействие с экспертным сообществом.

К нашему счастью, профессиональное сообщество, объединенное в Ассоциацию «Зеленый киловатт», собрало воедино богатейший опыт реализации большого числа проектов энергоснабжения на базе ВИЭ последних лет (более 150 шт.), снабдив их подробными описаниями применяемых технологий и материалов, достигнутых (подтвержденных, т.е. измеренных приборами) показателей, затрат на реализацию проектов и реальных сроков окупаемости с учетом климатических, инфраструктурных и прочих особенностей внедрения. Это примеры, когда профессионально подобранные и реализованные технологии дали ожидаемый эффект и показали, чем рекламные обещания отличаются от реальных возможностей технологий.

Рассмотрим несколько как типовых, так и уникальных примеров применения технологий ВИЭ и попробуем разобраться – есть ли им место в современных городах.

Начнем с южных широт (Краснодарский край), где весьма широко в гостиничных комплексах (как загородных, так в городской черте) используют солнечные коллекторы для нагрева воды для нужд горячего водоснабжения (ГВС) и подогрева бассейнов. Солнечные коллекторы (СК) устанавливают, как правило, на крыше. В зимний период солнечные коллекторы не бесполезны, они позволяют обеспечивать дежурное отопление.

Несмотря на разную мощность гелиосистем (от 30 до 600 кВт) сроки окупаемости у таких проектов близкие – около 4 лет. В Севастополе причиной использования СК для ГВС при строительстве детского сада стал режим работы местной котельной – она работала только в отопительный период.

В остальное время ГВС обеспечивает 150 шт. СК (общая площадь 300 м2) общей мощностью 225 кВт. Поскольку для детского учреждения нужно было обеспечить высокие санитарные требования к качеству воду, была применена схема с двумя теплообменными аппаратами. В солнечных коллекторах залит незамерзающий теплоноситель, который через теплообменник нагревает техническую воду в 15 емкостях по 1000 л. А уже этой технической водой в теплообменнике ГВС нагревается вода для разбора в кранах ГВС. Срок окупаемости – 5 лет.

Также в Краснодарском крае реализовано немало проектов с выработкой электроэнергии за счет солнечных электростанций (СЭ). Например, цех по обработке металлов при расширении производства хотел увеличить потребляемую электрическую мощность со 100 до 150 кВт, но электросетевая компания оценила это в 41 млн руб. (за дополнительные 50 кВт). В результате была установлена сетевая солнечная электростанция, которая включает в себя солнечные модули – 63 кВт, сетевой инвертор – 54 кВт и систему накопления энергии с двунаправленным инвертором мощностью 50 кВт (суммарная стоимость оборудования «под ключ» – 11,5 млн руб., как говорится, почувствуйте разницу).

Сетевая солнечная электростанция работает не автономно, обязательно параллельно с электросетью. Сетевой инвертор подаёт выработанную от солнца энергию во внутреннюю сеть, уменьшая потребление от основного источника (вплоть до нуля). Таким образом, система сначала использует мощность СЭ, если ее не хватает, то электросети, а если не хватает их, то используются как источник аккумуляторные батареи (АКБ) системы хранения. Как только пик потребления пройден и АКБ не нужны – они тут же встают на зарядку (при наличии свободной мощности). Установленная система позволила полностью удовлетворить потребности производства в недостающей электрической мощности.

В Армавире был осуществлен аналогичный проект, здесь эксплуатация холодильной установки цеха мясных полуфабрикатов стала экономичнее на 400 тыс. руб. в год. Известно, что холодильные установки потребляют много электроэнергии, причем потребление в солнечную погоду по понятным причинам увеличивается. СЭ мощностью 30 кВт (инвертор и 72 солнечных модуля) позволила вырабатывать 39-40 МВт×ч электроэнергии в год. При затратах около 2 млн руб. окупаемость проекта составила 4,5 года.

Системы кондиционирования тоже являются «прожорливыми» потребителями электроэнергии. В многофункциональном комплексе «Торговый Центр «КВАРТАЛ», который находится на привокзальной площади г. Сочи, системы отопления, ГВС и кондиционирования реализованы на базе технологии тепловых насосов схемы «вода – вода», использующих в качестве источника низкопотенциального тепла грунтовую воду из скважин на территории комплекса (местность имеет особенность – высокий уровень грунтовых вод).

Стоимость выработки 1 Гкал тепла с помощью теплового насоса при существующем тарифе на электроэнергию является конкурентной со стоимостью тепла от индивидуальной газовой котельной и в 1,5 раза ниже стоимости тепла у МУП «Сочитеплоэнерго».

Стоимость холода в 1,2 раза ниже, чем выработка «традиционными» устройствами кондиционирования типа «сплит-система» или чиллер «воздух – вода». Немаловажно, что стоимость эксплуатации тепловых насосов в 3 раза меньше, чем стоимость эксплуатации газовой котельной, что и определило срок окупаемости капитальных затрат на строительство системы менее 3 лет.

В средних и северных широтах, в при удаленности газовых сетей или теплосетей, востребованы проекты пеллетных котельных, использующих в качестве топлива древесные гранулы – пеллеты. Например, в Московской области торговый комплекс площадью 750 м2 получил стоимость технического подключения к газовым сетям – 9 млн руб., а стоимость строительства пеллетной котельной мощностью 0,7 МВт в ценах того же года – 5 млн руб. При реализации проекта стоимость выработанной тепловой энергии составила 1,7 руб./кВт·ч.

Производственно-складской комплекс в Нахабино (Московской обл.) также, получив стоимость подключения к магистральному газопроводу в 15 млн руб. (газопровод в 15 м от котельной), обзавелся пеллетной котельной, которая «под ключ» обошлась в 5,65 млн руб. (цены 2021 г.). Котельная имеет автоматизированный склад пеллет объемом 40 м3 (35 т). Стоимость топлива (пеллет) – 0,90 руб./кВт·ч.

При отоплении 1200 м2 за сезон потребовалось 56 т топлива, что с учетом доставки и разгрузки обошлось в 465 тыс. руб. С учетом эксплуатации и дополнительных затрат стоимость тепловой энергии составила 2412,60 руб./МВт (или 2074,46 руб. за Гкал/ч). Нужно отметить, что логистика доставки не самого распространенного в России топлива – пеллет, будет накладывать ограничения при тиражировании таких проектов. И, конечно, индивидуальная котельная – это решение, скорее для загородного строения, в плотной городской застройке разместить котельную, даже небольшую сложно из-за нормативных ограничений, связанных с выбросами из дымовой трубы.

Обойти выше перечисленные ограничения позволяет применение тепловых насосов в качестве теплоисточников. Например, в РЖД для отопления зданий небольших вокзалов угольные котельные (более 10 шт. по всей стране) заменили теплонасосные установки (ТНУ). Кроме экономии угля, на экономической эффективности сказывается полная автоматизация ТНУ, соответственно затраты на содержание целого штата кочегаров (3-4 человека) больше не нужны.

Объекты бюджетной сферы при удаленности от тепловых и газовых сетей тоже используют ТНУ для обеспечения отопления и ГВС. Так в Томской области поселковые детский сад и школа, которые отапливались от локальных котельных (угольных) были переведены на теплоснабжение от ТНУ. Технология показала высокую эффективность, т.к. годовая стоимость отопления была снижена, например, в школе площадью 1500 м2, почти в 10 раз, с 1400 (расч.) до 148 тыс. руб. в год. По данным, предоставленным Управлением образования администрации Томского района, практика показала, что монтаж теплового насоса дешевле строительства угольной котельной, а его эксплуатация за 10 лет – вдвое дешевле.

В самом Томске, в условиях плотной застройки, геотермальные ТНУ были использованы при строительстве первого в стране детского сада класса энергоэффективности «А» (двухэтажное здание на 120 детей). По периметру здания для геозондов были пробурены 24 скважины глубиной до 100 метров, т.к. использовать трубные коллекторы (которые можно располагать на глубине 15-2 м) из-за отсутствия свободных площадей было невозможно.

Тремя тепловыми насосами суммарной мощностью 126 кВт (по 42 кВт каждый) обеспечивается отопление (в виде теплых полов с покомнатной автоматикой), горячее водоснабжение и вентиляция.

Очень интересный проект с ТНУ был реализован в Москве в гостинице «Ирис-конгресс» (8 этажей, 201 номер и офисный комплекс общей площадью 20 835 м2). Здесь установлены ТНУ в каждом помещении (или рядом с ним), что позволяет как нагревать, так и охлаждать помещения в индивидуальном порядке.

Мощность каждого ТНУ подобрана под помещение и все они объединены общим водяным контуром, который может быть, как источником, так и приемником тепла (температура в контуре 18-34 ⁰С). К этому же контуру подключены конденсаторы всех холодильных и морозильных камер, ледогенераторы, охладитель машины химчистки. Также в контур включены градирня и дополнительный электронагреватель. Объем воды в контуре тепловых насосов является аккумулятором тепла (холода). Увеличение объема за счет бака позволило снизить мощности градирни и дополнительного нагревателя. Тепловые насосы подают воздух в помещения, охлаждая или нагревая его. Центральная система отопления обеспечивает поддержание температуры воздуха в каждом номере на «дежурном» уровне, а тепловой насос позволяет быстро и экономично обеспечить желаемый комфорт.

Использование тепловых насосов в системе кондиционирования воздуха гостиницы позволило упростить систему вентиляции. Практика показала, что кольцевой принцип кондиционирования является весьма целесообразным решением в средней полосе России. По капиталовложениям кольцевая система экономичнее традиционных вариантов. А расчетная тепловая нагрузка объекта для технического подключения к городским тепловым сетям снизилась в 2,5 раза за счет использования теплоутилизации и аккумулирующей способности водяной кольцевой системы тепловых насосов.

Целый комплекс решений на безе ВИЭ был применен на МКД в Татарстане (п. Царево) девелопером специально для апробации их эффективности и поиска путей снижения затрат на строительство или дальнейшую эксплуатацию здания: солнечная электростанция(СЭ), состоящая из 39 панелей общей мощностью – 17,55 кВт и трехфазного инвертора мощность 15 кВт; солнечные водяные коллекторы для обеспечения ГВС; геотермальные тепловые насосы для обеспечения водяного отопления в квартирах.

СЭ работает постоянно в светлое время суток. В осенне-зимний период электроэнергия идет на работу тепловых насосов и циркуляционных насосов. В летний, когда ТНУ не работает СЭ обеспечивает освещение мест общего пользования, излишки используются в электрокотле для догрева ГВС. Систему накопления электроэнергии исключили из проекта для снижения затрат. Помимо снижения потребляемой мощности и затрат на подключение, девелопер получил хорошую рекламу при продаже квартир, в которых затраты будущих владельцев на общедомовые нужды будут существенно ниже, чем в обычных зданиях.

ВЫВОДЫ

1. Реализация проектов с ВИЭ в городах как правило не имеет экологической мотивации (что как раз характерно для пригородного частного строительства), а в первую очередь имеет экономическую мотивацию: снижение капитальных и эксплуатационных затрат.
2. Очевидная причина востребованности в городе ВИЭ – локальный дефицит тепловой или электрической мощности. Ограничения в пропускной мощности тепловых сетей могут потребовать для подключения нового потребителя перекладки значительного участка теплосети с увеличением диаметра трубопровода, что чрезвычайно дорого и более дешевые альтернативные решения находят свои применения. Тоже самое касается ограничений электросетей или перегруженного трансформатора, когда подключить новое здание или увеличить нагрузку для существующего очень дорого.
3. Иногда переложить (или проложить новые) коммуникации энергетической инфраструктуры сложно (читай – очень дорого) или невозможно в условиях плотной городской застройки или наоборот, для удаленных от энергетической инфраструктуры объектов. Тогда альтернативные решения на ВИЭ становятся и вовсе безальтернативными.
4. Еще одной причиной применения ВИЭ в городах является непродуманная тарифная политика энергоснабжающих организаций. Плата за подключение или текущий тариф могут быть настолько высокими, что ВИЭ станут более дешевым решением. К сожалению, такой путь является разрушительным для энергоснабжающих организаций, т.к. уход части потребителей повлечет повышение тарифов, а это оттолкнет новых потребителей… Финал предсказуем и плачевен.
5. Очевидно, что использование электроэнергии в термических целях весьма затратно, и проекты с ВИЭ, позволяющие заместить или снизить такое потребление, как правило имеют короткие сроки окупаемости (до 3 лет). При многозонной тарификации электроэнергии, генерация на ВИЭ позволяет избежать затрат при самых высоких пиковых тарифах, для города это тоже очень выгодно, т.к. позволяет снизить пиковое потребление и не нести затрат на развитие пиковых мощностей, которые работают всего несколько часов в году.
6. Применение технологий ВИЭ в городах имеет ярко выраженный широтный характер. В южных широтах чаше всего реализуются и успешно окупаются системы с использованием энергии солнца (СЭ и СК). В северных – геотермальные тепловые насосы, пеллеты, рекуперация.
7. Можно говорить о привлекательности технологий ВИЭ в жилищном строительстве для многоквартирных домов, т.к. затраты на ВИЭ могут сразу окупиться за счет снижения платы за подключения к тепловым и электросетям.

Таблица. Соотнесение ожиданий потребителей и возможностей технологий ВИЭ

Иллюстрации использованы из книги «Природная энергия для работы и жизни. 150+ инженерных решений на основе возобновляемых источников энергии» [Электронный ресурс]. Информационный альманах. / Под ред. Е. Г. Гашо – СПб.: Наукоемкие технологии, 2023. – 292 с. – URL: https://publishing.intelgr.com/archive/VIE-dlya-zhizni.pdf

Фото на обложке: Istock / Jeroen van de Water