Рис. 1. Схема интегрированного комплекса холодо-, тепло- и электроснабжения
Рис. 2. Схема интегрированного комплекса для проживания и отдыха
Рис. 3. Схема интегрированного комплекса по сушке и производству сельскохозяйственной продукции
Рис. 4. Схема интегрированного комплекса по производству сельскохозяйственной продукции
Рис. 5. Схема интегрированного участка по сушке изделий после покраски
Главенствующая роль в реализации комплексного использования потенциала природы должна перейти к энергетике ВИЭ, которая за счет развития инновационной базы призвана выполнить решение Всемирного конгресса по проблемам экологии в Рио-де-Жанейро (1992 год), который своей основной целью полагает «…Создание условий для устойчивого развития человеческого общества, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения людей, без лишения такой возможности будущих поколений…».
Исходя из этого, системы и комплексы энергетики ВИЭ должны быть самодостаточными на уровне высоких технологий. В новых энергетических комплексах (системах) часть технологий может быть связана с использованием солнечной энергии, и ее производных. А между собой они должны быть связаны таким образом, что конечный цикл одного из них становится началом другого цикла, благодаря чему достигается практически полная безотходность и интенсификация производства на достаточном удалении от границ динамической устойчивости экосистем.
По мнению экспертов ООН, именно такой подход, когда осуществляется схема подбора предприятий, работающих на одном виде сырья, а отходы и побочные продукты одного предприятия выступают в качестве сырья или полуфабрикатов для другого, может полностью решить проблему устойчивого развития общества. В группах потребителей, например, горячей воды или тепла существуют любители разного уровня ее температур: а) жаролюбивые и жаростойкие; б) теплолюбивые; в) любители умеренных температур; г) холодолюбивые; д) холодоустойчивые; е) требующие сохранения в зимний период.
Это дает возможность использовать весь диапазон температуры воды — от самой высокой до самой низкой, по мере ее снижения. У потребителей холода также существуют потребности, на его различные температурные значения. Комплексный подход в производственной деятельности, когда ее отходы, в том числе тепловые, водные, и газовоздушные, перерабатываются в технологической цепочке самого производства, минимально отражается на качестве окружающей среды и на продуктивности зональных экосистем.
Комплексный подход — это не что-то новое. В целом, «эволюционные» и «революционные» изменения в энергетике взаимообусловлены, дополняют и нередко сменяют друг друга. Не исключаются и случаи возврата к «старым» техническим решениям на качественно новой технологической базе. Однако если мы возьмем в качестве примера использование низкопотенциальной теплоты грунтов тепловыми насосами, то обнаруживается, что при потреблении тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи труб системы теплосбора понижение температуры грунта.
Температура грунта в почвенно-климатических условиях большей части территории РФ не успевает восстановиться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии из грунта в течение следующей зимы вызывает дальнейшее снижение его температуры, и к началу третьего отопительного сезона температурный потенциал грунта еще больше отличается от естественного, и т.д., то есть образуются участки «вечной мерзлоты».
Это приводит к выводу части территорий из севооборота, что не всегда приемлемо, особенно с экономической точки зрения. Климат России определяет повышенную сезонную потребность ее жителей в отдельных видах энергии. При относительно стабильном спросе в течение всего года на механическую и электрическую энергии, летом резко возрастают расходы воды и искусственного холода, а зимой тепла.
Например, из всей потребляемой в быту энергии «львиная доля» (79 %) идет на отопление помещений, 15 % энергии расходуется на тепловые процессы (нагрев воды, приготовление пищи и т.д.), 5 % энергии потребляет электрическая бытовая техника и, наконец, 1 % расходуется на освещение, радио и телевизионную технику. Исходя из этого, летом солнечную энергию целесообразно использовать для производства теплоизоляционных строительных материалов, которыми утепляют здания, способствуя снижению расхода энергии на отопление зимой.
Проект «Альтернативная энергетика» (сокращеннно «АЭ»), помимо системы холодотеплоснабжения, представлен также технологиями использования солнечной энергии, аккумулированной в солнечном соляном пруду и теплоты (талой воды), а также холода (льда) котлована для бесперебойного энергоснабжения малых потребителей.
Это технологии совместного использования солнечной энергии и энергии, запасенной в котловане, которые могут обеспечить летом водоснабжение и выработку электрической энергии, а зимой — теплоснабжение. Это технологии раздельного использования солнечной энергии и энергии, запасенной в котловане, которые могут обеспечить летом сушку торфа, нагрев воды и воздуха, производство биогаза (биометана), приготовление пищи, удовлетворение физиологических потребностей (летняя баня), охлаждение воздуха; а зимой — подогрев воздуха.
Человечество ежегодно потребляет от семи до восьми миллиардов тонн минеральных ресурсов, а воды расходуется в среднем 8–9 млрд тонн ежесуточно. Наибольшее потребление воды в России, а значит, и энергии на ее перекачку, приходится на летний период. Отмеченная закономерность, несмотря на короткое лето, позволяет более половины водоснабжения для сельского хозяйства обеспечивать за счет солнечной энергии.
Актуальность водоснабжения от солнечной энергии основывается на том, что чем больше солнечной энергии, тем засушливее лето, а значит, тем легче недостаток естественного увлажнения восполнить орошением. Когда же нет солнца, дожди заливают урожай, то нет и потребности в орошении. Значительная часть из 10 млн населения России, не присоединенная к электрическим сетям, проживает в Сибири и на Дальнем Востоке.
Они получают энергию, в основном, от автономных дизель-генераторов небольшой мощности. Необходимое для этого топливо завозится из далеко расположенных центров автотранспортом, водными путями, а иногда даже вертолетами, что делает это топливо очень дорогим. Из-за этого не осваиваются для проживания и хозяйственной деятельности живописнейшие местности.
Выработка электроэнергии летом на базе солнечного соляного пруда гарантирует малым потребителям бесперебойное электроснабжение в любое время суток для холодильного оборудования, осветительных приборов, водоснабжения, медицинского оборудования, радио и электробытовых приборов. Развитие рыночных отношений в РФ, приведших к тому, что скоропортящиеся продукты питания и технологическое сырье уже не раскупаются с «колес», резко увеличивает потребность производителей и переработчиков в холоде, особенно в теплый период времени.
Огромные просторы России с неразвитой сетью транспортных коммуникаций предопределяют необходимость иметь значительные страховые запасы продуктов питания и технологического сырья, хранение и реализация которых также связаны со значительным потреблением холода. Главное преимущество использования солнечной энергии летом для замораживания и охлаждения состоит в совпадении максимумов ее поступления и потребления искусственного холода.
При этом применение солнечной энергии для выработки холода эффективно вдвойне, так как разумно размещенная приемная часть солнечной установки, затеняя охлаждаемые объекты, уменьшает поступление в них солнечного тепла и, следовательно, потребность в холоде. Варианты комплексного использования солнечной энергии представлены ниже.
На рис. 1 приведены виды энергии, которые можно получать напрямую из солнечного соляного пруда и котлована со льдом и талой водой — то есть, фактически, из комплекса по производству среднетемпературного холода и электроэнергии. Потребление электроэнергии неразрывно во времени с его производством. Поэтому малые локальные электростанции на базе солнечного соляного пруда, в которых осуществляется аккумулирование тепловой энергии, и которая в любое нужное время может быть преобразована в электроэнергию, можно по экономическим показателям сравнивать с аккумуляторами электрической энергии.
На рис. 2 приведены установки, сооружения и системы проекта «АЭ», которые объединены в интегрированный комплекс для проживания и отдыха на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом и талой водой. Такой комплекс (рис. 2) может использоваться как для многочисленных видов деятельности и досуга местных жителей, так и для обслуживания большого потока людей, прибывающих на лечение, отдых, и совершающих летние путешествия. К рациональному комплексному использованию потенциала природы средней полосы
России может быть отнесен и интегрированный комплекс по сушке и производству сельскохозяйственной продукции на базе солнечного соляного пруда, показанный на рис. 3. Этот комплекс состоит из отдельных на первый взгляд разноплановых производств (технологических переделов), связанных между собой при этом таким образом, что аккумулированная прудом солнечная энергия используется, по мере ее деградации, с максимальной эффективностью.
Данный комплекс (рис. 3) включает в себя: гелиосушилку (солнечный соляной пруд и тепловой коллектор); теплицу; солнечную биогазовую установку. В предлагаемом комплексе солнечная энергия, аккумулированная солнечным соляным прудом, обладающая наибольшим потенциалом (температурой), используется для сушки растительного сырья. В сушилке сушку и охлаждение можно объединить за счет охлаждения зерна воздухом, поступающим в тепловой коллектор из зоны выгрузки.
К рациональному комплексному использованию потенциала природы, не выходящему за пределы самовосстановительного потенциала природных систем, может быть отнесен и интегрированный комплекс по производству сельскохозяйственной продукции с солнечным соляным прудом (рис. 4). Также в предлагаемом комплексе аккумулированная солнечная энергия, обладающая наибольшим потенциалом (температурой), используется и для поддержания температуры в биореакторе биогазовой установки, что очень актуально для снижения расхода газа на собственные нужды.
Теоретические и практические исследования в области биологической переработки растительной биомассы, отходов животноводства и т.д. в биогаз показали, что активность бактерий и объем биогаза, получаемого в результате переработки, при прочих равных условиях напрямую зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс переработки, больше вырабатывается биогаза, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов.
Так, при температуре 52–56 °C выработка биогаза идет в 1,5–3 раза быстрее, чем при 30–40 °C, и достигается эффективное обеззараживание получаемых удобрений (активность бактерий и выработка биогаза существенно падает в интервале температур 39,4–51,7 °C, и в меньшей степени в диапазоне 0…+35 °C). Тепловые потери из солнечного соляного пруда поступают в траншеи, где выращиваются грибы, что обеспечивает «сбор» тепловой энергии, теряемой через боковые стенки пруда и дно.
В предложенном комплексе для выработки биогаза и удобрений могут использоваться отходы полеводства, животноводства, птицеводства, грибов и т.д. Ни для кого не секрет, что проблема размещения отходов уже сейчас вышла на первое место по своей значимости среди экологических проблем и встала в один ряд с опасностью радиоактивного заражения. По образному выражению некоторых политиков, отходы — это «чума современной цивилизации».
Такая же острейшая проблема — переработка жидкого навоза на животноводческих комплексах и жидкого помета на птицефабриках, которые располагают ограниченными площадями. Навоз в этих хозяйствах обычно хранится в переполненных навозохранилищах, что создает угрозу нарушения экологии и фактически исключает из оборота ценные органические удобрения. Для предохранения животных от болезней применяют химические препараты.
Однако существующие химсредства защиты от вредителей и болезней наносят вред экологии, загрязняют продукцию животноводства, оказывают негативное воздействие на человека и воспроизводительные качества животных и птицы. Применение различных систем вентиляции для обработки воздушной среды в животноводческих помещениях не обеспечивают требуемого качества по газовому и бактериальному составу и дают лишь небольшой выигрыш. Хранение навоза на полевых площадках приводит к большим потерям в нем азота и способствует распространению семян сорняков и болезнетворных бактерий.
Из всех известных видов переработки органических отходов единственным методом, полностью возвращающим переработанные отходы в виде пригодных к применению материалов, признается биологический способ утилизации (метаногенез). Главное преимущество использование растительной биомассы как сырья — это возможность применения биотехнологий для получения энергии, то есть технологий, которые не нарушают экологического состояния окружающей среды.
Отходы и побочные продукты такой технологии, являясь компонентами биосферных циклов, тоже могут служить сырьем, что ведет к полностью безотходным технологиям будущего. Это актуально также и потому, что, природные геобиоценозы имеют ограниченную продуктивность, и их производительность часто не может обеспечить необходимые потребности человека (особенно это наглядно видно в сфере производства продовольствия).
Искусственные геобиоценозы (биогазовые установки) призваны обеспечивать требуемую производительность и устойчивость к вредным воздействиям, за счет повышения скорости обмена веществом и энергией, вовлекая в биотический круговорот весь объем продуцируемой биомассы. Еще большей эффективности использования солнечной энергии можно добиться при объединении приведенных выше комплексов, а также за счет использования энергии ветра и водных потоков.
При нестабильном энергоснабжении традиционными методами, даже при низкой стоимости необходимого оборудования, для сельскохозяйственного производителя этот вариант может оказаться не всегда приемлемым, так как, например, при пропуске доек, увеличения интервала между ними, переходе на ручное доение снижаются удои молока и его жирность. Причем удой в полном объеме восстанавливается только через семь-восемь дней.
При продолжительных перерывах в дойке возможна выбраковка коров. К снижению удоев приводят также стрессы животных, возникающие в результате отключения электроэнергии в процессе дойки. Например, задержка в кормлении телят свыше 12 ч приводит к потерям живой массы на 3–5 %, суточное прекращение кормления — на 10 %, а с прекращением поения — на 12–13 %. У кур прекращение кормления приводит к снижению способности откладывать яйца. Сокращение количества воды на 40 % от потребного у крупного рогатого скота (КРС) снижает удой на 16 %.
На приготовление корма для одной головы КРС в сутки требуется 20 л воды, и автопоение коров (при равных условиях их кормления) повышает их удойность до 10 %. К рациональному комплексному использованию потенциала природы, к показателю внимания к защите окружающей среды может быть отнесен, например, производственный интегрированный участок по сушке изделий после покраски, показанный на рис. 5.
Суть предлагаемой интеграции состоит в том, что образующаяся в процессе сушки деталей и изделий машин горючая газовоздушная смесь направляется в топку котла, где и сгорает, обеспечивая выработку дополнительного тепла высокого потенциала, многократно превышающего температуру в придонном слое солнечного соляного пруда. В отличие от обычной сушки, которая сопровождается выбросом в атмосферу горючих растворителей, здесь они утилизируются, вернее, используются в соответствии с тем потенциалом, которым обладают. Данные технологии призваны:
- способствовать в любое время года, в любую погоду, для города, села, предприятия: сохранности зданий и сооружений, технологического оборудования, животных и птицы, выращенного урожая, сырья и готовых изделий (продуктов), а также проведение посевной и уборочной;
- удовлетворять физиологические потребности человека в микроклимате жилища и в санитарно-медицинском минимуме;
- способствовать поддержанию транспортного сообщения на удаленных территориях за счет выработки для транспортных средств топлива (биометана).
Конечно, использование в качестве приемника и аккумулятора энергии Солнца — солнечного соляного пруда — требует отводов земли. Однако они не так велики относительно не только равнинных водохранилищ ГЭС, но даже горных. Так, при площади зеркала водохранилища Новосибирской ГЭС 1072 км2, годовая выработка электроэнергии составляет 1678 млн кВт⋅ч электроэнергии, то есть 1,56 кВт⋅ч с 1 м2 водохранилища при среднегодовом коэффициенте использования установленной мощности около 40 % (для СаяноШушенской ГЭС — 38 кВт⋅ч в год с 1 м2).
Гелиоэлектростанция на базе солнечного соляного пруда, по расчетам автора, будет вырабатывать более 60 кВт⋅ч электроэнергии с 1 м2 за лето (Омск). Конечно, в горных местностях выработка электроэнергии с 1 м2 водохранилища намного выше, чем на равнинных ГЭС, но там и стоимость земли совершенно другая, и солнечная инсоляция больше, что повышает выработку электроэнергии гелиоэлектростанцией. Кроме того, при сооружении солнечного соляного пруда чернозем (гумус) не становится дном рукотворного моря, а используется для повышения плодородия территории.
Если мы рассмотрим Кубань как житницу России, то можно с большой долей вероятности принять, что хлебороб с 1 га (10 тыс. м2) поля получает чистый доход примерно 10 тыс. руб. Рисовод, заливающий обширные поля водой (тот же «солнечный пруд», но для других целей), наверное, получит столько же. А теперь рассмотрим гелиоэлектростанцию, в состав которой входит пруд и котлован со льдом площадью по 100 м2 каждый, с которых можно «собирать» за лето до 6000 кВт⋅ч электроэнергии.
При минимальной стоимости электроэнергии 3 руб. за 1 кВт⋅ч (экологически чистая электроэнергия на Кубани должна стоить дороже, то есть вдали от «цивилизации» — до 10 руб. за 1 кВт⋅ч и более) доход с 200 м2 составит 18 тыс. руб. или 900 тыс. руб. с 1 га. А если рассматривать отдельно солнечный соляной пруд, используемый для выработки теплоты (нагрев воды), то с пруда площадью 78,5 м2 (одна «сотка» с дорожкой для концентратора) можно получить за лето (Омск) более 50 тыс. кВт⋅ч теплоты. При ее минимальной цене 0,5 руб/кВт⋅ч (для децентрализованных территорий надо принимать 2,5–3 руб. за 1 кВт⋅ч теплоты) доход с одной «сотки» составит 25 тыс. руб. (с 1 га — 2,5 млн руб., соответственно).
Заключение
Изложенное показывает, что установки и системы на базе солнечных соляных прудов, являясь многофункциональными источниками энергоснабжения, способны в большинстве с приемлемой экономической эффективностью решать частные задачи по энергообеспечению отдельных категорий населения и производств только в летний период.
Летом интегрированные комплексы солнечной энергетики будут способствовать эффективному энергосбережению, обеспечивая экономию органического топлива. Кроме этого, с их помощью можно решать задачи по созданию запасов торфа и биометана для зимнего периода, с минимальным расходом топлива и электроэнергии на технологические нужды при добыче и производстве этих местных видов топлива.
В зимний период непосредственное участие установок и систем в обеспечении потребителей энергией может выражаться в использовании солнечной энергии, аккумулированной солнечным соляным прудом в период «бабьего лета», и низкопотенциального тепла воды в котловане, собранного летом. Малая энергетика на базе солнечных соляных прудов, вместе с другими устройствами и системами солнечной энергетики (плоские солнечные коллектора, солнечные электрические станции, фотоэлектрические преобразователи и т.д.) и ветроустановками, может и должна обеспечить энергией летнюю производственную деятельность малых поселений практически на любой территорий средней полосы России.
В зимний период для удовлетворения возрастающего сезонного спроса на тепло и требований к стабильности и бесперебойности электроснабжения, конечно же, первое место из ВИЭ должно перейти к развивающейся ветроэнергетике.
