ЭнергоэффективнаяЭнергоэффективнаяавтономная энергоустановкаавтономная энергоустановка

нового поколениянового поколения

ПсковскийПсковский

государственныйгосударственный

политехническийполитехнический

институтинститут

2Потребность в вводе генерирующих мощностей

2006 г.2010 г.

2015 г.2020 г.

220258

331

401

220

217

189

169

0

100

200

300

400

Динамика существующей установленной мощности

Потребность в установленной мощности

К 2020 г. К 2020 г. потребность потребность

в вводе новых в вводе новых генерирующих генерирующих

мощностей мощностей составит составит

180 млн. кВт180 млн. кВт

По материалам ОАО РАО «ЕЭС России»

3

Структура выработки электроэнергии

2020 г.

ТЭС газ35%

АЭС20%

ГЭС14%

ТЭС уголь31%

2006 г.

ТЭС газ

43%АЭС16%

ГЭС18%

ТЭС уголь23%

По материалам ОАО РАО «ЕЭС России»

4

Высокий уровень Высокий уровень потерь в потерь в

электрических и электрических и тепловых сетяхтепловых сетях

Высокий уровень Высокий уровень потерь в потерь в

электрических и электрических и тепловых сетяхтепловых сетях

Высокий уровень Высокий уровень удельных расходов удельных расходов

топлива на топлива на производство производство

электрической и электрической и тепловой энергии тепловой энергии

Высокий уровень Высокий уровень удельных расходов удельных расходов

топлива на топлива на производство производство

электрической и электрической и тепловой энергии тепловой энергии

Недостаточная Недостаточная развитость развитость

электрических сетейэлектрических сетей

Недостаточная Недостаточная развитость развитость

электрических сетейэлектрических сетейВысокие темпы Высокие темпы

роста потребления, роста потребления, превышающие превышающие темпы ввода темпы ввода

генерирующих генерирующих мощностеймощностей

Высокие темпы Высокие темпы роста потребления, роста потребления,

превышающие превышающие темпы ввода темпы ввода

генерирующих генерирующих мощностеймощностей

Нарастающий Нарастающий физический износ физический износ

действующего действующего оборудованияоборудования

Нарастающий Нарастающий физический износ физический износ

действующего действующего оборудованияоборудования

Недостаточная Недостаточная надёжность схем надёжность схем внешнего энерго-внешнего энерго-

снабжения крупных снабжения крупных городов и конечных городов и конечных

потребителейпотребителей

Недостаточная Недостаточная надёжность схем надёжность схем внешнего энерго-внешнего энерго-

снабжения крупных снабжения крупных городов и конечных городов и конечных

потребителейпотребителей

Основные проблемы энергетики

ПроблемыПроблемыэнергетикиэнергетики

5

Варианты решения проблем

ТепловаяТепловая энергия энергия

200 млн. Гкал200 млн. Гкал

Потребность

Ввод в эксплуатацию Ввод в эксплуатацию новых генерирующих новых генерирующих

станцийстанций

за 6-7 лет за 6-7 лет 90 электростанций 90 электростанций

по 2 млн. кВтпо 2 млн. кВт

Ввод в эксплуатацию Ввод в эксплуатацию новых генерирующих новых генерирующих

станцийстанций

за 6-7 лет за 6-7 лет 90 электростанций 90 электростанций

по 2 млн. кВтпо 2 млн. кВт

Развитие автономной Развитие автономной энергетикиэнергетики

Когенерация позволит Когенерация позволит получить эффект получить эффект

использования топлива до использования топлива до 90%90%

Развитие автономной Развитие автономной энергетикиэнергетики

Когенерация позволит Когенерация позволит получить эффект получить эффект

использования топлива до использования топлива до 90%90%

ЭлектрическаяЭлектрическая энергия энергия

180 млн кВт180 млн кВт

6

Децентрализованное энергоснабжение

Централизованное энергоснабжение

Централизованное и децентрализованное энергоснабжение

По материалам группы «Living Power»

7

Перспективы электроэнергетики в США

В СШАВ СШАк 2010 г.к 2010 г.

понадобитсяпонадобится

137 млн. кВт137 млн. кВт

Новыеавтономные

электростанции$168 млрд

ММалыалыее автономны автономныее электростанциэлектростанциии

Новые электростанции

Новые электростанции

$84 млрд.+

Новые линии электропередачи

$220 млрд.

Всего $ 304 млрд

Мнение американского эксперта по энергетике

Тома Кастена

8Из концепции технической политики в

электроэнергетике России на период до 2030 г.

Повышение эффективности топливоиспользования за счёт увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении и создание в связи с этим необходимой нормативно-правовой базы, способствующей ускорению развития комбинированной выработки электроэнергии и тепла

Основными принципами в развитии генерирующих мощностей на период до 2030 г. являются: Покрытие тепловых нагрузок преимущественно

источниками, работающими на когенерационном принципе

Максимально возможное использование возобновляемых энергоисточников, а также энергоисточников на местных видах топлива, особенно для изолированных районов

По материалам ОАО РАО «ЕЭС России»

9Области применения

автономных энергоустановок

Область Область примененияприменения Цель примененияЦель применения Эффективность примененияЭффективность применения

Устойчивое снабжение электрической и тепловой энергией

Уменьшение зависимости от внешних электрических сетей

Сглаживание пиковых нагрузок

Получение дешевой тепловой и электрической энергии

Снижение себестоимости продукцииПромышленность

Надежное снабжение тепловой и электрической энергией

Использование бросовых ресурсов для получения тепловой и электрической энергии

Отсутствие затрат на строительство ЛЭП Снижение затрат на энергию в структуре

себестоимости продукции

Сельское хозяйство

Повышение надежности электро- и теплоснабжения

Дополнительные мощности, снижение пиковых нагрузок

Резервирование

Ускорение отдачи капиталовложений Уменьшение затрат на строительство

электросетей и теплосетейЭнергетика

Автономное и независимое снабжение тепловой и электрической энергией

Оперативное снабжение энергией мобильных подразделений

Независимость от внешних электросетей Мобильность, быстрое развертывание,

низкие эксплуатационные затраты

Национальная оборона и чрезвычайные ситуации

Решение проблемы энергоснабжения в условиях недоступности или невозможности подключения к сетям

Получение дополнительного источника электроэнергии

Утилизация попутного газа

Дополнительные мощности Снижение пиковых нагрузок Аварийное снабжение жизненно важных

объектов Решение проблем утилизации отходов

Повышение устойчивости функционирования городского хозяйства

Снижение себестоимости тепловой и электрической энергии

Уменьшение экологических проблем больших городов

Жилищно-коммунальное хозяйство

10Требования к автономным энергоустановкам

Уменьшить периодичность обслуживания

Повысить топливную эффективность

Уменьшить количество вредных выбросов

Уменьшить выброс тепла в атмосферу

Уменьшить шум и вибрации

Увеличить эксплуатационный моторесурс

Использовать для работы любой вид топлива

11Сравнение автономных энергоустановок,

представленных на рынке

ЭнергоустановкиЭнергоустановки КПД,КПД,%%

Уровень Уровень шума, шума,

дБАдБА

Ресурс, Ресурс, часовчасов

Периодичность Периодичность обслуживания, обслуживания,

часовчасов

20 – 30 60 – 80 5 000 – 10 000 200 – 500Бензо-

генераторы(1-20 кВт)

25 – 35 80 – 120 10 000 – 25 000 250 – 600Дизель-

генераторы(30-300 кВт)

30 – 40 90 – 110 40 000 – 50 000 800 – 1 200Газо-

поршневые(500-4000 кВт)

22 – 37 80 – 110 20 000 – 30 000 1 000 – 2 000Газо-

турбинные(2000-10000 кВт)

30 – 35 70 – 90 50 000 – 60 000 8 000Микро-

турбинные(30-60 кВт)

12Недостатки автономных тепловых энергоустановок,

представленных на рынке

Невысокая топливная эффективность

Недостаточный ресурс

Невысокие экологические параметры

Низкая приспособляемость к нагрузке

13

Автономные энергоустановки

Дизель-генераторы Бензо-

генераторы

Микро-турбинные

С внешнимподводом

тепла

Газо-турбинные

Газо-поршневые

14Преимущества двигателей

с внешним подводом теплоты

Различные виды ископаемого топлива

Альтернативные источники тепловой энергии

Высокий моторесурс

Легкий запуск при низкой температуре

Герметичность

Термический КПД составляет до 60%

Регулирование мощности давлением и температурой

15

Проблемы создания двигателей Стирлинга

Проблемы Проблемы созданиясоздания

автономных автономных источников источников

электроэнергии электроэнергии на базе двигателей на базе двигателей

СтирлингаСтирлинга

55

Высокие давления ивысокие температуры

11

Отсутствие математическогоописания и методов расчета

22

Требуют частого обслуживания

44Особенности рабочего тела

(гелий, водород)

33 Дорогостоящие материалы

16

Научно-исследовательская работа

В 2007–2008 годах Псковский политехнический институт (ППИ)

успешно выполнил НИР

в рамках Федеральной целевой программы

по теме «Разработка математической модели

протекания термодинамического цикла с внешним подводом теплоты, позволяющей

создать экологически чистый двигатель роторно-лопастного типа»

17

Конструктивные схемы двигателей

Поршневые Роторно-поршневые Роторно-лопастные

18Конструкция роторно-лопастного двигателя

с внешним подводом теплоты (РЛДВПТ)

Механизм преобразования

движения

Механизм преобразования

движения

Цилиндр с роторами

Цилиндр с роторами

Модуль 2Модуль 2

НагревательНагреватель

ОхладительОхладитель

19В результате

научно-исследовательской работы

Разработана компоновочная схема РЛДВПТ, обладающая новизной конструкций роторно-лопастной группы преобразователя движения

Реализован принципиально новый термодинамический цикл

Разработана методика расчета и проектирования РЛДВПТ

20Сравнение параметров

двигателей Стирлинга с РЛДВПТ

Параметр4S1210

«Дженерал Моторс»

(эксперимент)

4L23 «Дженерал

Моторс»(расчет)

Рядный «Филипс»

(расчет)

РЛДВПТ

(расчет)

650 760 700 427Температура нагревателя, С

280 95 147 300Мощность, кВт

1500 2100 3000 1500Частота вращения, об/мин

35 – – 22,6КПД, %

32 57 40 77Температура охладителя, С

H2 H2 He CO2Рабочее тело

10,35 10,3 21,6 3,1Среднее давление, МПа

4 4 4 2Количество цилиндров

2270 1510 400 1000Объем цилиндра, см3

58 15,7 136 150 Удельная мощность, Вт/см3

2270 725 400 500 Масса, кг

76 116,4 308 463 Объемная мощность, кВт/м3

8 7,6 2,72 1,66 Удельная масса, кг/кВт

21

Энергоустановка на базе РЛДВПТ

Роторно-лопастная машина

Роторно-лопастная машина

НагревательНагреватель

ОхладительОхладитель

ЭлектрогенераторЭлектро

генератор

Система управления

Система управления

22

Преимущества

Значительная Значительная экономия топлива за экономия топлива за счет счет оптимальной оптимальной

работы на работы на переменную переменную

нагрузкунагрузку и и использования использования

тепла для отопления тепла для отопления (когенерация)(когенерация)

Энергосбережение

Возможность Возможность использования использования

широкого спектра широкого спектра первичных первичных

энергоносителей энергоносителей (любые (любые

газообразные, газообразные, жидкие и твердые жидкие и твердые топлива, а также топлива, а также возобновляемые возобновляемые

источники энергии)источники энергии)

Многотопливность

Значительно Значительно меньшие уровни меньшие уровни

шума, вибрации и шума, вибрации и вредных выбросов вредных выбросов

(может быть (может быть установлена в установлена в жилой зоне)жилой зоне)

Экологичность

23

Дополнительные преимущества

Легкость монтажа и Легкость монтажа и запуск в работу без запуск в работу без

больших финансовых больших финансовых и трудовых затрат на и трудовых затрат на

проектные, проектные, монтажные и монтажные и строительные строительные

работыработы

ЗатратыЗатраты

Простота в Простота в обслуживании, обслуживании,

малые габариты, малые габариты, большой большой

моторесурс, который моторесурс, который значительно значительно

превышает ресурс превышает ресурс лучших российских и лучших российских и

зарубежных зарубежных дизельных дизельных

генераторовгенераторов

РесурсРесурс

Возможность Возможность организации организации

кластерной системы кластерной системы энергоснабженияэнергоснабжения

Надежность Надежность системы системы

управления, управления, исключение влияния исключение влияния

человеческого человеческого факторафактора

БезопасностьБезопасность

24

Консорциум для реализации проекта

ОрганизацияОрганизация Вид работВид работ

Проектирование и разработка роторно-лопастного двигателя с внешним подводом тепла

Псковский государственный политехнический институт

Li – ионные аккумуляторыСанкт-Петербургский научный центр РАН

Каталитические беспламенные горелки, генераторы синтез-газа

Институт катализа им. Г.К. Бореского СО РАН

Теплообменники для нагревателя и охладителя

ФГУП «Федеральный ядерный центр»

Испытания надежности и долговечности энергоустановки

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Испытания надежности и долговечности энергоустановки

ФГУП «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша»

ЭлектрогенераторыОАО «Электропривод», г. Киров

Система газовой автоматикиООО «Газомотор-Р», г. Рыбинск

25Вариант реализации

автономного энергоснабжения

К центральной системе

теплоснабжения

Учебный корпус №2а

Административный корпус

Учебный корпус №2в

Учебный корпус №2б

ТипографияУчебный корпус

№3

Спорткомплекс

Столовая

Трансформаторная подстанция

К центральной системе

теплоснабжения

Теплоузел

К центральной системе

электроснабжения

26

Сравнительный расчет топливного баланса

Сравнительный расчет топливного баланса для обеспечения электрической и тепловой энергией Псковской

области с использованием автономной энергоустановки нового поколения

Генерирующиестанции

Установочныемощности

Производствоэлектро-энергии

Производствотепла

Потери Потребление

газа

430 МВт

1480 млн.кВт·час

– 10–15% ГРЭС600

млн. м3

4076 Гкал/час

–2700

тыс. Гкал до 50% Котельные

300 млн. м3

100 шт ×1 МВт =

100 МВт

1620,3 млн.

кВт·час

3800 тыс. Гкал

5–7% Автономные, на базе РЛДВПТ

500 млн. м3

27Псковский государственный политехнический институт

180000, Россия, 180000, Россия, Псков, ул. Л.Толстого, д. Псков, ул. Л.Толстого, д.

4.4.Тел./факс. (8112)- Тел./факс. (8112)- 7373--7070--

1818e-mail: ppi@ppi.psc.rue-mail: ppi@ppi.psc.ru

180000, Россия, 180000, Россия, Псков, ул. Л.Толстого, д. Псков, ул. Л.Толстого, д.

4.4.Тел./факс. (8112)- Тел./факс. (8112)- 7373--7070--

1818e-mail: ppi@ppi.psc.rue-mail: ppi@ppi.psc.ru

180000, 180000, RussiaRussia, , PskovPskov, , LL..Tolstoy st.Tolstoy st., 4., 4.

TelTel././FaxFax. (8112)-. (8112)-7373--7070--1818e-mail: ppi@ppi.psc.rue-mail: ppi@ppi.psc.ru

180000, 180000, RussiaRussia, , PskovPskov, , LL..Tolstoy st.Tolstoy st., 4., 4.

TelTel././FaxFax. (8112)-. (8112)-7373--7070--1818e-mail: ppi@ppi.psc.rue-mail: ppi@ppi.psc.ru