Геотермальна енергія та енергетичне переозброєння

Размещено на http://www.allbest.ru/

„Q„p„x„}„u„‹„u„~„Ђ „~„p http://www.allbest.ru/

Геотермальна енергія та енергетичне переозброєння

Іваненко Віктор Федорович кандидат економічних наук, головний науковий співробітник, Український науково-дослідний інститут продуктивності агропромислового комплексу

Іваненко Федір Вікторович кандидат сільськогосподарських наук, доцент, Київський національний економічний університет імені Вадима Гетьмана

Анотація

геотермальна теплова помпа енергія

В статті розглядаються перспективні напрямки реформ в енергетичному секторі економіки України. Основними напрямками реформи в енергетичній сфері має стати розробка державної програми з виробництва обладнання для одержання геотермальної теплової енергії. Розвиток цієї галузі можна охоплювати розробку ефективних проектів у системі енергозбереження, виробництва обладнання для геліосистем та одержання геотермальної енергії для виробничих, побутових потреб, запровадження у виробництво технологій якими передбачено використання низькотемпературних джерел енергії у теплову. Енергетичні потреби в побуті та на виробництві можна частково або повністю компенсувати при застосуванні технології « геотермальна теплова помпа».

Геотермальна теплова помпа (ГТП) є однією з найефективніших теплоенергетичних систем. Вода внутрішніх водойм, земля є постійним джерелом енергії. Відомо, що температура води, грунту має постійне значення у продовж року - близько +8-12^оС. Коефіцієнт ефективності таких теплових систем може забезпечувати 3,5-5,0 одиниць одержаної енергії на кіловат затраченої енергії роботи компресора ГТП, допоміжного обладнання. За спостереженнями авторів встановлено, що кожен кіловат затраченої електроенергії на обслуговування системи обігріву фактично дає до 4,5 кВт теплової енергії. Досвід показує, що найвищу ефективність показують системи обігріву приміщень у побуті та на виробництві, що включають в себе застосування у якості теплоносія води із свердловин або інших джерел.

В Україні є сучасна виробнича база, яка може бути спрямована у розробку технологій спрямованих на масове виробництво сонячних батарей, сонячних колекторів і геотермальних теплових помп. Висвітлено основні параметри перспективного проекту переходу на геотермальні технології одержання теплової енергії. Налагодження вітчизняного виробництва геотермальної теплової помпи може сприяти доступу населення України до сучасного обладнання одержання теплової енергії.

Розвиток геотермальної енергетики в Україні може забезпечити щорічне зростання технічного потенціалу енергетики України та зменшити витрати власних та імпортованих енергоносіїв у декілька разів.

Застосовуючи технологію «геотермальна помпа» витрати на енергоносії становлять 15,3-21,9 грн/кг продукції та собівартість продукції 34-49 грн/кг за умови врожайності томатів 45-50 кг/м².

Ключові слова: альтернатива в енергетиці, геотермальна енергія, ефективність виробництва, ефективна технологія.

Ivanenko Viktor Fedorovych Candidate of Economic Sciences, Chief Research Fellow, Ukrainian Research Institute of Productivity of the Agro-Industrial Complex

Ivanenko Fedir Viktorovych Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Vadym Hetman Kyiv National University of Economics

GEOTHERMAL ENERGY AND ENERGY REARMAMENT

Постановка проблеми

У світі все більше уваги приділяється використанню тепла, що одержується за допомогою застосування геотермальної теплової помпи (ГТП). Застосування технології «теплова помпа» дозволить помітно зменшити собівартість виробництва промислової та сільськогосподарської продукції. Впровадження сучасних енергозберігаючих технологій дозволяє скоротити витрати, пов'язані з паливом, що імпортується. Перехід на нові джерела енергії є незворотнім процесом вдосконалення виробництва і зумовлений скороченням вичерпних запасів енергії в світі та в Україні зокрема.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Погіршення екології в Україні та перманентні енергетичні кризи обумовлюють пошук альтернативних джерел енергії. Використання нетрадиційних джерел в Україні спрямоване в основному на застосування для виробничих і побутових потреб відновлювальних місцевих енергоресурсів. Потенціал відновлюваних джерел енергії перевищує 100 млн т умовного палива, а їх фактичне використання не перевищує 0,02 % [1]. Дослідження ГТП системи «повітря/вода», показали, що потенціал зменшення споживання природного газу в Україні від їх застосування оцінюється приблизно у 15 млрд м³ на рік [2].

Сільське господарство України споживає близько 1,8 млн.т. енергії у нафтовому еквіваленті, що не перевищує 3,8 % енергетичних потреб галузі. В Україні валове виробництво енергії лише за рахунок зернових культур складає щорічно 20-30 млн.т. у перерахунку на біоетанол або 12-18 млн. ТНЕ. Таким чином сільське господарство продукує енергії на порядок більше ніж споживає. Варто зазначити, що виробництво зернових супроводжується отриманням побічної продукції у співвідношенні до обсягу одержаного зерна від 1:0,5 до 1:1,5. Цього обсягу сировини більше ніж достатньо, щоб покрити всі витрати енергії для потреб аграрного виробництва. Використання соломи, а не зерна для виробництва біоенергії, також важливе з позицій продовольчого забезпечення [3].

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є наукове обґрунтування і розвиток прикладних положень щодо підвищення ефективності запровадження у виробничих і побутових умовах альтернативних технологій одержання тепла для виробничих і побутових потреб.

Завдання для досліджень:

- систематизувати та узагальнити теоретичні і практичні аспекти застосування альтернативних джерел енергії для виробничих і побутових потреб;

- дослідити ефективність застосування у виробництві ГТП та іншого устаткування для одержання теплової енергії;

- вивчити ефективність застосування альтернативних енергозберігаючих технологій у тепличному господарстві.

Виклад основного матеріалу

Розвиток геотермальної енергетики в Україні може забезпечити щорічне зростання технічного потенціалу енергетики України, зменшити витрати власних та імпортованих енергоносіїв у декілька разів. Атомна енергетика в Україні сприяє не такому стрімкому здороженню енергоносіїв, як формування цін на природний газ. Наприклад, у Київській області ціни на природний газ для виробничих потреб зросли майже у 7 разів, тоді як ціни на електричну енергію зросли лише у 1,5 - 2 рази та становлять 3,8-4,7 тис.грн /МВт.год, рис1. Такі економічні умови спонукають підприємства до пошуку альтернативних технологій у сфері енергопостачання.

Рис.1. Ціна на електроенергію у Київській області для підприємств з 1.01. 2022 р., грн/МВт.-год.

Енергетичні потреби в побуті та на виробництві можна частково або повністю замінити застосуванням технології «теплова помпа». Теплова помпа (ТП) «вода/вода» є однією з найефективніших теплоенергетичних систем. Ґрунтова вода надійне і постійне джерело енергії. Відомо, що температура води, грунту має постійне значення у продовж року +8-12^оС. Коефіцієнт ефективності таких теплових систем може перевищувати 5 одиниць одержаної енергії на кожний кіловат затраченої енергії на роботу компресора ГТП та допоміжного обладнання.

За нашими спостереженнями встановлено, що кожен кіловат затраченої електроенергії на обслуговування системи обігріву фактично дає понад 4 кВт теплової енергії. Досвід показує, що найвищу ефективність показують системи обігріву помешкання, що включають в себе застосування у якості теплоносія води із свердловин і погружного насоса. Теплоносій у теплообміннику випаровувача втрачає 2,5-3,5^оС, а система обігріву може давати приріст температури - 10-15 ^оС, рис.2.

В розробці стратегії енергетичного переозброєння країни слід відштовхуватись від парадигми «природний газ, вугілля, уран з часом будуть вичерпані». Та з екологічної точки зору перелічені ресурси для виробництва енергії є мало перспективними. Україна може розраховувати лише на коротку перспективу використання енергії, що генерують атомні електростанції.

Рис. 2. Залежність температури теплоносія в системі обігріву (конденсор - Y) від спаду температури теплоносія(вода) в контурі теплообмінника (випаровувач - Х) геотермальної теплової помпи CDWC-51 (17,2 кВт).

Глибока економічна і політична криза, що огорнула економіку України потребує розробки ефективних механізмів її негайного подолання. Цілком реально у продовж короткого терміну часу (1-2 роки) замінити в системі теплопостачання всі газові та твердопаливні котли на геотермальні теплові помпи. Для реалізації такого амбітного проекту існує лише одна перепона - ціна на імпортоване обладнання. Їх вартість є не підйомною для рядового споживача. Вихід лише один-налагодити власне виробництво ГТП на базі спірального компресора CopelandScroll. На сьогодні виробниками і постачальниками запасних частин для ГТП в Україні є Північна Ірландія - малі спіральні компресори, Бельгія - великі спіральні компресори, Чехія - поршневі напівгерметичні компресори, Німеччина, Італія, Чехія - прилади автоматики. Технологія вилучення геотермального тепла бере свій початок з 80-років минулого століття. У 1987 р. компанія EmersonClimate Technologies вперше у світі освоїла промислове виробництво спіральних компресорів CopelandCompliantScroll. У 2001 році запущено виробництво цифрових спіральних компресорів CopelandDigitalScroll. Сьогодні компанія є одним із найбільших виробників геотермальних компресорів у світі. Компанії належить приблизно половина світового ринку спіральних компресорів.

Крім компресора ГТП включає 2 теплобмінника та контрольно вимірювальні прилади, що вже виробляються підприємствами України. Можна розглядати два варіанта виробництва теплообінників - спіральний «труба в трубі» або пластинчастий. Останній є більш вартісний. Загалом можна вийти на собівартість ГТП 15-20 тис. грн., що дещо дешевше від сучасного газового котла. Не зайвим буде побудувати на території України завод по виробництву спіральних компресорів, що в такому разі дозволить здешевити собівартість виробництва «народної ГТП» іще на 3-5 тис. грн. та головне дозволить досягнути масового виробництва ГТП. Для потреб народного господарства необхідно щороку виробляти 1-2 млн. шт. ГТП.

Поряд з реалізацією зазначеного проекту необхідно вирішувати питання доцільності імпорту до України приладів обігріву на основі вольфрамових спіралей. Досить ефективними можуть бути митні регулятори. З часом стане питання доцільності виробництва та завезення до України котлів, де передбачено спалювання деревини, вугілля, газу. Так з лексикону нашої мови буде вилучено терміни «опалення». Спалювати будь -що вже не буде потреби, а необхідне тепло ми одержимо від невичерпних термальних акумуляторів, якими є Земля, вода, повітря. Сам факт глобального потепління є поштовхом до розв'язання глобальних проблем, що сплелись в єдиному рішенні - вже пора обмежити добування корисних копалин. За таких економічних умов не буде потреби підтримувати збиткові державні шахти, які добувають менше 10% всього вугілля в Україні та потребують держаних дотацій.

Реформа в енергетиці має сприяти суттєвому зменшенню енерговитрат на виробничі потреби, що обумовить оптимізацію структури собівартості продукції та сприятиме вирішенню іншої проблеми - зростання цін на продукцію аграрного та промислового виробництва.

Модернізація енергетичних потужностей в Україні має відбуватись у декілька етапів [4]:

1. Вилучення технологій одержання тепла за рахунок спалювання

деревини, соломи, вугілля, газу та нафтопродуктів.

2. Вилучення з побуту технологій одержання тепла на основі

використання вольфраму та заміщення цих приладів карбоновими обігрівачами. У такий спосіб економія електричної енергії становитиме 50%.

3. Одержання теплової енергії за рахунок застосування біоенергетики та геотермального тепла.

4. Розробка промисловий технологій одержання для виробничих потреб значних обсягів біогазу та його компонентів - біометан та біоводень.

Досліджуючи теплові насоси «повітря/вода», В. Ф. Гершкович зазначав, що потенціал зменшення споживання природного газу в Україні від їх застосування оцінюється приблизно у 15 млрд м³ на рік [2]. У наших дослідженнях ми проводили економічне обгрунтування більш ефективного теплового насоса з технологією «грунт/вода», «вода/вода» «повітря/вода» з коефіцієнтом ефективності від 4,0 до 5,7 для виробничих умов тепличного господарства.

Застосування альтернативних енергоносіїв створює оптимальні умови для виробництва. Наприклад, застосовуючи технологію «геотермальна помпа» витрати на енергоносії становлять 15,3-21,9 грн/кг продукції та собівартість продукції 34-49 грн/кг за умови врожайності томатів 45-50 кг/м².

Застосування у якості енергоносія природного газу призведе до підвищення ціни продукції 8-10 разів, що є зовсім неприйнятним для ринкових умов агробізнесу в Україні.

У власних дослідженнях було визначено необхідну потужність ГТП для обігріву 1 гектара теплиць -1058 кВт. З урахуванням зазначеного сукупні витрати на електроенергію при застосуванні технології «теплова помпа» можна визначити за розробленою методикою:

Сенерг. = Те год / K . С (1)

де Сенерг. - витрати на електроенергію; Т_егод - затрати теплової енергії; К_е - коефіцієнт ефективності COP; С - вартість енергоносія.

Нові тарифи на енергоносії спонукають виробника аграрної продукції досліджувати можливості застосування альтернативних видів енергії. Виконані нами дослідження показали значну ефективність застосування у якості альтернативного джерела енергії технології «геотермальна помпа» . За розрахунками річний економічний ефект від запровадження такої технології може становити 54-57 млн. грн на 1 га виробничої площі телиць на базі «голландської» технології, табл.1.

Таблиця 1.Економічне обґрунтування енергетичних та вартісних витрат теплопостачання на 1 га теплиць альтернативними видами енергії, «голландська технологія», ПАТ «Комбінат «Тепличний», 2022 р.

*0,91 Гкал/год = 1058 кВт. **Додатково до ціни газу сплачується вартість замовленої потужності (транспортування магістральними газопроводами) 163,89 грн за 1000 м3 Джерело: власні розрахунки автора.

Аналіз структури витрат на монтаж системи ГТП «під ключ» показав, що 2/3 всіх витрат впровадження такої технології у виробництво становлять витрати на придбання теплової помпи, решта це витрати на формування ґрунтового контуру або інших джерел одержання геотермального тепла - повітря, вода, табл.2.

Таблиця 2.

*Грунтовий контур (технологія з використанням грунтових вод до 15 м), включає додаткове устаткування, буріння свердловин та роботи з прокладання труб.

Структура витрат на влаштування опалення геотермальною тепловою помпою, %

Джерело: власн розробка автора.

Сонячна енергія може бути акумульована із застосуванням сонячних колекторів або сонячних батарей. Радіаційний режим території України сприятливий для практичного використання сонячної енергії. Україна розташована між 44° i 52° північної широти та 22° i 41° східної довготи. Згідно з останніми метеорологічними спостереженнями в Україні протягом року буває, залежно від регіону, 100-200 сонячних днів. Середньорічна кількість сумарної сонячної радіації становить 1000 - 1400 кВт год/м², що еквівалентно енергоємності приблизно 100м³ природного газу. Використання сонячної енергії з успіхом застосовують у вирощуванні ранніх весняних тепличних овочів на півдні України та Закарпатті. Сонячна енергія використовується для безпосереднього обігрівання теплиць для вирощування овочів за рахунок проходження інфрачервоного випромінювання через прозорі світлопроникні огороджувальні конструкції та відбивання його всередину теплиці від внутрішньої поверхні теплозахисних екранів. Для підігрівання води, що надходить у труби системи водяного опалення, а також на технологічні та побутові потреби встановлені вакуумно-сонячні колектори, які поглинають до 97 % сонячної енергії, а зворотне випромінювання зменшується до 3 - 7 %. Сонячне випромінювання часто використовується також в електроенергетиці (через фотовольтаційнісоти). За нашими дослідженнями, у структурі собівартості тепличних овочів електрична енергія становить від 2 до 5% (ПАТ «Комбінат «Тепличний» - 2,2%) та має тенденцію до зростання у зв'язку із запровадженням сучасної контрольно - вимірювальної апаратури систем керування технологічними процесами, регулювання систем освітлення у критичні періоди росту рослин та іншими інноваціями в цій галузі.

Висновки

геотермальна теплова помпа енергія

Основними напрямками реформи в енергетичній сфері має стати розробка державної програми з виробництва обладнання для одержання геотермальної теплової енергії. Розвиток цієї галузі можна розпочати з розробка ефективних проектів у системі енергозбереження, виробництва обладнання для геліосистем та одержання геотермального тепла для виробничих і побутових потреб та запровадження у виробництво технологій якими передбачено використання низькотемпературних джерел енергії у теплову. В Україні є сучасна виробнича база, яка може бути спрямована на розробку технологій спрямованих на масове виробництво сонячних батарей, сонячних колекторів і ГТП.

Розвиток геотермальної енергетики в Україні може забезпечити зростання технічного потенціалу підприємств агробізнесу та зменшити витрати власних та імпортованих енергоносіїв у декілька разів. Дослідження показали, що застосування технології «геотермальна теплова помпа» витрати на енергоносії у тепличному та інших господарствах можуть мати суттєве зменшення, що сприятиме оптимізації собівартості продукції і конкурентоздатності на внутрішньому ринку.

Література

1. Ратушняк Г. С. Енергозберігаючі відновлювані джерела теплопостачання: навч. посіб. / Г. С. Ратушняк, В. В. Джеджула, К. В. Анохіна - Вінниця: ВНТУ, 2010. - 170 с.

2. Гершкович В. Ф. Газовый котел илитепловой насос? / В. Ф. Гершкович // Энергосбережение. - 2010. - №8. - С.56-63.

3. Дем'яненко С. І., Іваненко Ф. В. Відновлювана енергія як чинник підвищення ефективності у сільському господарстві //Стратегічні пріоритети розвитку підприємництва, торгівлі та біржової діяльності: матеріали ІІ Міжнародної науково-практичної конференції. - Запоріжжя : НУ «Запорізька політехніка», 2021.- С.16-18.

4. Іваненко В. Ф., Іваненко Ф. В. Технологічний менеджмент та енергоефективність аграрного виробництва // Інтелект ХХІ. -2021.- № 5.- с.26-31.

References

1. Ratushnjak, G. S. (2010). Energozberigajuchividnovljuvanidzherelateplopostachannja [Energy-saving renewableheatsources]. Vninicja: VNTU [inUkrainian].

2. Gershkovich, V. F. (2010). Gazovyjkoteliliteplovojnasos? [Gasboilerorheatpump?]. Jenergosberezhenie -Energy saving, 8, 56-63 [inUkrainian].

3. Dem'janenko, S. І., Іуапепко F. V. (2021). Vіdnovljuvanaenergijajakchinnik ріс1\^1і1іеппіа efektivnosti u sli's'komugospodarstvl [Renewableenergyas a factorinimprovingefficiencyinagriculture]. Proceedingsfrom 2: ІІ Mizhnarodnoї naukovo-praktichnoi konferencii “Strategichniprioritetirozvitkupidpriemnictva, torgivlitabirzhovoidijal'nosti” - The II

International scientific-practical conference “Strategicprioritiesforentrepreneurship, tradeandexchange: materialsofthe II International scientific-practical conference” (pp. 16-18). Zaporizhzhja : NU «Zaporiz'kapoktehmka» [inUkrainian].

4. fvanenko, V. F., fvanenko, F. V. (2021). Tehnologkhnijmenedzhmenttaenergoefektivrnst'agrarnogovirobnictva [Technologicalmanagementandenergyefficiencyofagriculturalproduction]. IntelektXXI- IntellectXX,5, 26-31 [inUkrainian].

Размещено на Allbest.ru