Проблема охраны окружающей среды от негативного воздействия промышленности приобретает всё бóльшее значение. Сохраняя традиционные методы получения энергии с помощью углеводородного топлива, человечество движется к энергетическому кризису в сочетании с экологической катастрофой. Сегодня в России имеется огромный неиспользованный потенциал низкопотенциальных тепловых ресурсов, которые необходимо задействовать в целях повышения эффективности теплоснабжения.
К источникам низкопотенциальной энергии относятся естественные источники низкопотенциального тепла: земля, вода и воздух, искусственные источники, то есть вторичные энергетические ресурсы — тепловые отходы. Технический потенциал определённых ресурсов нетрадиционных возобновляемых источников энергии составляет порядка 105 млн тонн условного топлива (т.у.т.) в год, значительную часть которых составляют вторичные энергетические ресурсы.
Большой потенциал использования имеют источники низкопотенциального тепла в горнорудной, угольной и нефтегазовой промышленности и в жилищнокоммунальном хозяйстве: тепло шахтных вод, вентиляционных выбросов, загрязнённые хозяйственно-бытовые стоки, которые сегодня не используются.
Наряду с низкопотенциальным теплом горных пород и вентиляционного воздуха, значительным тепловым потенциалом располагают шахтные воды, температура которых по различным шахтам составляет от 8 до 30 °C.
Состав шахтных вод формируется под влиянием разнообразных процессов, происходящих в самих подземных выработках, а также под влиянием ряда естественных и искусственных факторов, влияющих на состав этих вод. Они загрязнены механическими примесями, нефтепродуктами, другими специфическими загрязнителями, что затрудняет утилизацию низкопотенциального тепла существующими способами, которая сулит большую экономическую выгоду.
Одно из наиболее эффективных современных направлений использования низкопотенциального тепла в системах теплоснабжения — применение теплонасосных технологий, позволяющих трансформировать низкотемпературную возобновляемую природную энергию и вторичную низкопотенциальную теплоту до более высоких температур, пригодных для теплоснабжения. Метод является экологически безопасным, так как нет сгорания топлива, выбросов в атмосферу, не расходуются невосполнимые энергоресурсы.
Преимущества применения тепловых насосов заключается в получении 3–7 кВт экологически безопасной тепловой энергии на 1 кВт затраченной электрической энергии за счёт использования низкопотенциального источника, снижении издержек на выработку тепла, увеличении надёжности теплоснабжения за счёт сокращения тепловых сетей.
Авторский научный коллектив проблемой использования низкопотенциального тепла занимается с 1990-х годов. В данном направлении достигнуты значительные теоретические и практические результаты. Разработаны методические основы и алгоритмы эколого-энергетических параметров теплоснабжения и ряд технологий и рекомендаций.
В практическом плане ещё в СССР была разработана и внедрена технология утилизации тепла оборотной воды компрессоров на шахте «Ключевская» производственного объединения «Кизелуголь» (Пермская область) с применением тепловых насосов для улучшения охлаждения процесса сжатия воздуха и отопления промышленной площадки шахты. В результате внедрения значительно улучшились условия охлаждения компрессоров и температурные режимы их эксплуатации, полностью была исключена из работы градирня.
Затрачивая 1 кВт·ч электроэнергии, было получено 3,5 кВт·ч эквивалентной тепловой энергии.
Затем был выполнен рабочий проект технологического комплекса утилизации низкопотенциального тепла шахтной воды для шахты «Зенковская» АО «Прокопьевскуголь» теплонасосной установкой мощностью 2,4 МВт и рабочий проект, предусматривавший применение тепловых насосов для шахты «Степановская» АО «Ростовуголь» по утилизации низкопотенциальной теплоты хозяйственнобытовых стоков с целью улучшения температурного режима их очистки.
В начале XXI века на шахте «Осинниковская» ОАО «Кузнецкуголь» в Кемеровской области впервые в России была испытана опытно-промышленная установка по утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод, которая полностью удовлетворяет потребности горячего водоснабжения шахты и решает проблему экологии района — позволяет отключить шахтную котельную в летнее и осенневесеннее время года, значительно снизив выбросы вредных веществ в атмосферу.
Одновременно авторами была проведена технико-экономическая оценка утилизации низкопотенциального тепла при откачке воды из шахты «Глубокая» ОАО «Ростовуголь» — получаемое тепло (15 МВт) рекомендовано для отопления жилого фонда посёлка шахты для исключения из работы угольной котельной, с целью значительного снижения вредных выбросов в атмосферу, которая сегодня внедрена в производство.
Сегодня авторы занимаются проблемой утилизации низкопотенциального тепла нефтяных шахт, загрязнённых хозяйственно-бытовых стоков, которая сулит большую выгоду.
В 2000 году впервые в России разработана и внедрена технология утилизации низкопотенциального тепла загрязнённых хозяйственно-бытовых стоков с применением теплового насоса, совместно с ЗАО «Энергия», для отопления и горячего водоснабжения на МП «Пермводоканал» на РНС-3 «Гайва». Затраты на теплоснабжение станции сократились в 4,6 раза, срок окупаемости проекта составил два года.
В 2001 году на шахте «Осинниковская» ЗАО «УК «Южкузбассуголь» в Кемеровской области, впервые в России, внедрена опытно-промышленная технология утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод для горячего водоснабжения шахты. В технологическую схему включён тепловой насос производства ЗАО «Энергия», теплопроизводительность которого составляет 130 кВт. Затраты на теплоснабжение шахты сократились в 2,1 раза, годовой экономический эффект составил 1986 тыс. руб., срок окупаемости проекта — всего один год. Затрачивая 1 кВт·ч электроэнергии, технологическая схема позволяет получать около 4 кВт·ч эквивалентной тепловой энергии.
Установка даёт 100 м³ в сутки горячей воды экологически безопасным способом, решает проблему горячего водоснабжения шахты и позволяет исключить из работы шахтную котельную в летнее и осенне-весеннее время года [1].
В 2006 году за счёт внедрения технологии утилизации низкопотенциального тепла загрязнённых хозяйственно-бытовых стоков была исключена из технологического процесса угольная котельная №35 ПГЭС «Теплоэнерго» (город Кунгур) для отопления зданий станции.
Себестоимость вырабатываемой экологически безопасной тепловой энергии стала в девять раз ниже прежней. Срок окупаемости проекта составил 1,2 года.
В 2007 году разработан рабочий проект существующей системы теплоснабжения, подразумевающий замену действующего источника теплоснабжения зданий очистных сооружений МУП «Кудымкарский водоканал» — котельной, оборудованной четырьмя котлами типа «Универсал-6», работающими на угле, — на автономную систему теплоснабжения с использованием теплонасосной установки (ТНУ).
Стоимость 1 Гкал тепловой энергии, вырабатываемой ТНУ, — 843 руб/Гкал, годовой экономический эффект — 1 592 220 руб., срок окупаемости проекта — 2,1 года [2].
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований и опытно-конструкторских работ решена крупная актуальная научно-техническая проблема, заключающаяся в утилизации теплоты низкопотенциальных источников в промышленности и жилищно-коммунальной сфере.
По результатам долголетних выполненных исследований были написаны и изданы книги «Тепловые насосы — теплотрансформаторы на службе экологии и энергоэффективности» [1] и «Использование низкопотенциальной теплоты» [2], в которых рассмотрены экологические и энергетические проблемы, представлена экологическая, энергетическая и экономическая эффективность и актуальность использования тепловых насосов.
Выводы
В перспективе, в связи с ростом цен на энергоресурсы и экологических требований, ожидается значительное увеличение использования низкопотенциального тепла, вторичных энергетических ресурсов, тепла промышленных стоков и оборотной воды технологических процессов с применением теплонасосных технологий, которые позволят решить экологические и энергетические проблемы в горнорудной, угольной и нефтегазовой промышленности [3–14].
