Стаття «Енергетика України-інструменти її відновлення та розвитку» розміщена на сайті Українського національного комітету СІГРЕ. Перейти до статті (натисніть тут) перейти до матеріалів її обговорень (натисність тут).
Надаємо узагальнена стислу інформацію отриману за результатами обговорень питань перспектив розвитку водневої енергетики та теплопостачання.
В обговоренні взяли участь: Кравченко В.П, д.т.н,завідуючий кафедрою Одеського політехнічного університету; Нікітін Є.Є, д.т.н., пров. н.с. ІТТФ НАН України; Дубовской С.В.д.т.н, пров.н.с. ІТТФ НАН України; СемейкоК.В. д.т.н., зав. лаб. Інституту проблем безпеки АЕС НАН України, пров. н.с. Інституту газу НАН України, експерт СГРЕ; Кучер С.В. – експерт СІГРЕ.
Воднева енергетика
Воднева енергетика знаходиться у центрі уваги громадськості і це обумовлено тим, що водень пов’язується суспільством з ядерною зброєю, дослідженнями космосу, холодним термоядерним синтезом – передовими проривними технологіями і відповідними очікуваннями. Наприклад, відповідно із Законом Альберта Ейнштейна (Е= МС2) енергія 1 грама якої завгодно речовини (енергія анігіляції) еквівалентна енергії, яку виробляє атомний енергоблок потужністю 1000 МВт за добу, або вибуху стандартної атомної бомби потужністю 20 тис. тонн тринітротолуолу (хімічна енергія) що еквівалентно тепловій енергії ділення 1 кг Урану (ядерна енергія), або енергії синтезу Гелію із 250 грам важких ізотопів Водню (Дейтерію та Тритію), які знаходяться у 20 тонах звичайної води.
Зараз практично впроваджені тільки хімічні технології добичі та використання водню, які базуються на фундаментальних хімічних законах (принципах):
– збереження енергії;
– збереження маси речовини (маса речовин які вступають у реакцію дорівнює масі речовин які отримуються в результаті реакції);
– незмінності складу, тобто кожна хімічна речовина має однаковий склад незалежно від методів її отримання.
Довідково
Атомна маса є маса речовини, яка дорівнює сумі мас елементів які до неї входять. Для хімічних розрахунків атомна маса хімічного елемента дорівнює його номеру у таблиці Дмитра Менделєєва і має відповідно назву Грам – атом, або відповідно Грам – молекула. Наприклад Грам-атом Водню важить – 1 грам, Грам атом Кисню важить – 16 грам. Грам молекула Води Н2О важить 2+16=18 грам.
Для виробництва Водню методом електролізу необхідна чиста знесолена вода та енергоресурси. Що стосується кількості води, то для виробництва 1 кг Водню необхідно 18:2= 9 кг Води. В 1 кг Водню міститься 30 КВт. год. теплової енергії. Для виробництва наприклад 100 млр.КВт-год теплової енергії необхідно 100х10(9)х9/30 =3х10(7) тон Води, а для 100 млрд.КВт.год електроенергії на існуючому рівні доступних технологій перетворення теплової енергії – 10 млрд. метрів куб., що складає 20% середнього багаторічного стоку води в р. Дніпро. Базова інформація з водневої енергетики, міститься, зокрема в матеріалах [1,2,3], які також підкреслюють, наскільки важливо слідкувати за одиницями вимірювання витрат на виробництво та енергоємності Водню (МДж/кг, або МДж /метр. куб.); видом енергоресурсу який витрачається на виробництво Водню (електроенергія, або тепло); врахування що Водень треба штучно отримувати, водневі технології енергозатратні.
Зараз увага громадськості прикута наступнимВодневим проектам та програмам, зокрема:
– виробництва, зберігання та транспортування Водню (електроліз Води, процес Кварнера, біологічне виробництво, електроліз за високого тиску та температур, фотоелектричне розщеплення Води, термохімічне виробництво, виробництво твердих та рідких гідридів, розклад сірководню та ін. );
– утилізації стічних Вод великих міст;
– утилізації синьо-зелених водоростей у напірних водоймах – накопичувачах ГЕС і ГАЕС, ставках охолоджувачах теплових та атомних електростанцій;
– підготовки питної Води для водоканалів міст;
– використання (адаптація) існуючої інфраструктури транспортування та зберігання природного газу для Водневих технологій.
Таким чином, великі Водневі проекти та програми:
1. Мають суттєво комплексний характер, через спільне виробництво Кисню, технічного Вуглецю, добрив та корму для тварин, забезпечення належної якості питної води і потребують відповідно обґрунтованого розподілу витрат між усіма продуктами які виробляються у проекті.
2. Потребують, за кращою світовою практикою, ретельних техніко-економічних та порівняльних оцінок та розрахунків, у тому числі порівняно з існуючими технологіями, виходячи не тільки із вартості обладнання Водневих технологій, а і вартості їх життєвого циклу з урахуванням витрат на ресурси, резервування, забезпечення стійкості до зовнішніх загроз, впливу на навколишнє природне середовище та здоров’я населення, мультиплікативних ефектів на інші галузі економіки та валовий національний продукт.
Оптимізація теплозабезпечення
В енергетичному балансі України останнім часом більше 60% енергоресурсів (більше половини природного газу та 10% електроенергії) використовувалось для теплозабезпечення. Враховуючи що у вартості теплопостачання вартість палива складає до 80%, управління саме цим ресурсом знаходиться у центрі уваги суспільства.
Існують 2 напрямки оптимізації теплозабезпечення
1.Фундаментальний, науковий, який базується на законах термодинаміки (Першому і Другому) та має на меті удосконалення технологічних процесів виробництва, транспортування, розподілу та споживання теплової енергії, економічним наслідком якого є зниження собівартості теплопостачання. У цьому напрямку заслуговують на увагу
1) пропозиції Національного університету »Одеська політехніка» [4,5] щодо розроблення та впровадження методики розподілу витрат при комбінованому виробництві електричної та теплової енергії на основі термодінамічно обґрунтованого ексергетичного методу.
Довідково
В Одесі створені всесвітньо відомі термодинамічні школи:
– професора Гохштейна Д.П. по ексергетичному аналізу енергетичного балансу м. Одеси. За світовим досвідом оптимізований баланс навіть без впровадження нових технологій дає можливість економити до 20% енергоресурсів, а впровадження нових технологій дає можливість знизити витрати енергоресурсів в декілька разів;
– професора Майсоценка В.С. по використанню енергії природної неравновісності атмосферного повітря що дозволяє збільшити коефіцієнт перетворення електричної енергії в тепло з 2-3 у сучасних теплових насосах до 8-9;
– професора Фисенко В.В. по використанню енергії фазового переходу водяного пара у насічену воду (стрибка тиску) для дальнього транспортування тепла, що дає можливість за рахунок зменшення гідравлічного опору збільшити в декілька разів економічно обґрунтовану дальність транспорту тепла.
2) роботи вчених Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України (Інституту електродинаміки, Інституту загальної енергетики, Інституту технічної теплофізики) щодо термодинамічного аналізу за Другим началом термодинаміки (Second Low Analyses) комбінованих виробництв теплоти з виробництвом та /або споживанням електричної енергії та холоду. Означені роботи знайшли втілення у діючих нормативних документах у галузі енергозбереження [6] для трьох основних типів ТЕЦ (паротурбінні, газотурбінні, газопоршневі) і потребують на подальше розроблення та вдосконалення ДСТУ та методик інженерної оцінки енергетичної та екологічної ефективності комбінованого виробництва тепла, електроенергії та енерготехнологічних цілей з урахуванням реальних термодинамічних показників навколишнього природного середовища.
Слід зазначити, що означені ДСТУ, як це зазначається їх розробниками, стосуються оптимізації енергетичної ефективності фізичних процесів з урахуванням реальних температурних режимів виробництва і використання теплової енергії і їх застосування для ціноутворення на теплову енергію, особливо в поточних умовах ринкових трансформацій що потребує обережного підходу з огляду на суттєві відмінності між собівартістю та ринковими цінами на паливо-енергетичні ресурси.
II. Комплексний (економічний), який враховує вартість всіх складових тепло забезпечення на протязі життєвого циклу технології, обладнання, як для об’єктів генерації теплової та електричної енергії так і для об’єктів його споживання
Тут доцільно врахувати досвід інших країн, зокрема:
- США та Японія для конгломерацій з чисельністю населення більше 100 тис. прагнуть використовувати централізоване тепло та холодозабезпечення;
- Країни ЄС прийняли Стратегію теплозабезпечення та охолодження;
- Швеція при введенні в експлуатацію 11 блоків АЕС в 70-80 роках передбачила впровадження електроопалення, а в подальшому теплових насосів як ефективних пасивних великої ємності елементів регулювання енергоспоживання (до 35% обсягу теплопостачання) для забезпечення роботи АЕС в енергосистемі. Електронний ресурс
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378778817338410
Ці рішення обумовлені наступним:
- робота теплових електростанцій в режимах зміни потужності призводить до збільшення на порядок шкідливих викидів;
- робота атомних електростанцій в режимі регулювання призводить до суттєвого зменшення іх ресурсу, необхідності збільшення витрат на ядерне паливо, збільшення кількості радіоактивних відходів;
Чисельні спроби використовувати термодинамічно-обгрунтовані системи тепло та холодо забезпечення в Україні не завершуються результативно через відсутність:
– надійних та ефективних перетворювачів електричної енергії в теплову, наприклад кондиціонерів працюючих по звичайному циклу з коефіцієнтом перетворення 2-3 або за циклом Майсоценко з коефіцієнтом перетворення до 8. Хоча практичне впровадження таких систем дасть можливість відмовитись від розгалужених теплових мереж експлуатаційна надійність яких на порядок менша ніж електричних:
– механізмів стимулювання розроблення та впровадження нових конкурентних на світовому ринку технологій враховуючи їх тривалий життєвий цикл, матеріалоємність, великі первинну вартість та експлуатаційні витрати.
Останнім часом намічається використання вдосконалених методик як для оцінки термодинамічної ефективності обладнання і технологій в яких враховуються реальні температурні інтервали роботи обладнання і систем та методи врахування середньої вартості теплової (електричної) енергії за життєвий цикл -LCOE (LEVELISED COST of ENERGY) обладнання та систем що дозволяє більш об’єктивно оцінити перспективність використання технології комбінованого виробництва теплової енергії, електроенергії та енерготехнологічних цілей у прив’язці до конкретних споживачів.
Як демонструє досвід України та інших країн ціна (тариф) теплової енергії є основним фактором розвитку або ліквідації централізованого теплопостачання та розвитку нових технологій комбінованого виробництва різних видів енерготехнологічної продукції.
Використання вдосконалених методик дозволяє аргументовано оцінити перспективність різних варіантів реконструкції і модернізації на різних видах первинної енергії, включаючи гідроенергію, енергію вітру, Водневі технології, теплову енергетику, атомну енергію що особливо важливо в сучасних умовах України.
Розгорнуту інформація та обґрунтування із зазначених питань можна знайти у літературі[7,8,9,10].
Слід зазначити, що створення суттєвих преваг в економічній конкуренції між країнами можливо вже перевіреними часом в більш ніж 30 країнах світу шляхом – впровадженням аналогів Плану Маршала для України або DARPA. Оцінки мультиплікативних ефектів на інші галузі економіки від масштабного впровадження та експорту конкурентних на світовому ринку проривних технологій дозволяють мати суттєвий внесок в ВВП країн (Наприклад, близько половини для Китаю та Німеччини). Нажаль, подібна комплексна модель, не зважаючи на чисельні спроби в Україні досить не реалізується, в противагу ній впроваджуються механізми підтримки певних галузей економіки, наприклад будівництва або металургії, що відображено у наступній літературі[11,12].
В Технічному комітеті Українського національного комітету СІГРЕ функціонує робоча група «Управління попитом» мета якої розроблення проектів нормативних документів для відновлення та розвитку електроенергетики України. Впровадження напрацювань робочої групи планується традиційно здійснюватися через Нормативно-правові акти включаючи перш за все рішення НКРЕ та КП і Державні стандарти України які оформлюються Технічними комітетами із стандартизації, загальна чисельність яких 321, Електронний ресурс https://docs.google.com/spreadsheets/d/1o_RPetIX9xOC4NBr0sHa7ifM18rjNQG2/edit#gid=1234464286У,
зокрема ТК 197 «Воднева енергетика» у складі двох підкомітетів «Воднева енергетика» та «Ядерна енергетика» засновником якого є Український національний комітет СІГРЕ, а базовою організацією, яка координує розроблення відповідних ДСТУ – «ТОВ Український орган з оцінки відповідності «Сератом» який і підтримує сайт ТК 197. Електронний ресурс
http://www.certatom.kiev.ua/index.php/ua/tk-197-vodnevi-tekhnolohii
Література
1. К.В. Семейко – д.т.н., зав. Лаб. Інституту проблем безпеки АЕС НАН України та пров.н.с. Інституту газу НАН України, Експерт СІГРЕ Розрахунком необхідної кількості тепла для отримання 1 кг водню. (Натиснути тут)
2. І.М. Карп, академік НАН України, Водень в електро та транспортній енергетиці, Електронний ресурс https://doi.org\10.15407\techned2020.01.064
3. Г. Гавриленко, Водородные перспективы, Електронний ресурс https://e-b.com.ua/vodorodnye-perspektivy-409
4. Лист Одеського національного політехнічного університету від 03.03.2023 №386\42-06. (Натиснути тут)
5. В.П.Кравченко д.т.н.,зав.каф.ОПУ, В.О.Дубковский д.т.н ОПУ.Проект методики розподілу витрат палива при комбінованому виробництві електричної та теплової енергії на основі термодінамічно обґрунтованого ексергетичного метода (обґрунтування). (Натиснути тут)
6. С.В. Дубовский, д-р техн. наук, Перелік ДСТУ щодо оцінки ефективності комбінованого виробництва тепла, електроенергії та енерготехнологічних цілей з використанням методів термодинамічного аналізу за Другим початком термодинаміки (Second Low Analyses) (Натиснути тут)
7. Білодід В.Д. к.т.н., Дерій В.О. к.т.н. Граничні обсяги акумуляції теплової енергії в системах централізованого теплопостачання. Проблеми загальної енергетики. 2019. № 2(57). С. 41-45. Електронний ресурс https://doi.org/10.15407/pge2019.02.0
8. С.В. Дубовский, д-р техн. наук, О.С. Твердохліб к.т.н.
Інститут загальної енергетики НАН України. Вдосконалений метод оцінки технологій комбінованого виробництва електричної енергії та теплоти по середній вартості життєвого цикла. Проблеми загальної енергетики,2014,вип1(36) Електронний ресурс
http://pge.org.ua/index.php?option=com_docman&task=art_details&mid=20141&gid=10&lang=ua
9. LAZAR = LCOE. Рівнева вартість енергії. Електронний ресурс https://www.lazard.com/research-insights/levelized-cost-of-energyplus/
10. LCOE відновлювальних джерел в Україні. Електронний ресурс https://ua-еnergy.org/ckeditor_assets/attachments/247/lcoe_res_ukraine_2018_print.pdf
11.Білик Андрій. Поновлення Української й інфраструктури повинно бути іншим.
Електронний ресурс https://gmk.center/opinion/poslevoennoe-vosstanovlenie-ukrainy-dolzhno-byt-zelenym-i-stalnym
12. ДСТУ9171.2021.КЕРІВНИЦТВО З ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БАЛАНСУВАННЯ ВИКОРИСТАННЯ ПРИРОДНИХ РЕСРСІВ ПРИ НОВОМУ БУДІВНИЦТВІ. Електронний ресурс https://uscc.ua/uploads/section/Files/dstu_9171-2021.pdf