Генеральный конструктор ТСКБ    АЛЭНТ,

канд.техн. наук   Низовкин  В. М.

 

Анализ основных средств «чистой» энергии и формула их развития.

 

Сегодня прогрессивное человечество озабочено тем, чтобы не было атомных катастроф, но было бы достаточно «чистой энергии».

Всем известно, что запасы не «чистой» энергии все убывают, а «чистой» практически неограниченны и возобновляемы.

Для ее практического использования  и замены нефти, газа, угля, урана и проч. человечеству потребуется пройти через гибридную энергетику, когда используются оба типа энергии с ростом доли «чистой» при повышении ее конкурентоспособности (рентабельности в эксплуатации).

Прогнозный график динамики мощности мировой энергетики на основе известных исследований [1 – 3] приведен на рис.1.

 

 

 

 

Рис. 1. Прогноз мировой энергетики до 2175 года.

1 – общая потребляемая мощность, 2 – «грязная» мощность, 3 – «чистая» мощность

 

Из приведенных зависимостей следует, что при ограничении мощности и сроков использования «грязной энергии», имеющей относительно небольшие запасы, около 50 – 60 лет, значительно  большие мощности и практически неограниченные сроки использования «чистой» энергии после 2100 г. могут полностью обеспечивать энергией все человечество.

 Насколько это реально рассмотрим ниже.

При системном технико-экономическом анализе перспективных проектов были изучены следующие основные средства на «чистой» (альтернативной, возобновляемой) энергии:

1.Гелиоколлекторы (параболоцилиндрические, плоские, грунтовые) [4,5,8].

2. Гипотетические транспортные аппараты (наземные, водные, воздушные) [3,8].

3. Ветроэнергостанции (многомодульные, двухроторные, стратосферные) [6,8].

4. Нанотехнологии энергетики (рекомбинация топлив, теплоаккумуляторы критических    параметров, фулереновые гелиопокрытия) [3,8].

5. Агрокомплексы (гелиотеплицы, сельхозагрегаты) [8].

6. Гелиомагистрали Земли (широтные, меридиональные) [3,8].

7. Солнечные электростанции (бытовые, городские, стратосферные) [4,8].

8. Гидроэлектростанции (деривационные, волновые, поплавковые) [3,8].

9.Экогорода, экодома (купольные,водные,подземные) [3,8].

10. Кремниевые стационарные фотопанели [4].

Анализ этих средств проводился по следующим показателям:

1.      Капитальные К и эксплуатационные Э проектные затраты  ($ США).

2.      Себестоимость 1 кВт-ч энергии: /кВт-ч,

где:  - срок службы, лет.

3.      Е – годовая выработка энергии, кВт-ч

Е = Р_г, кВт-ч/год,

где:  _г - годовое количество часов поступления «чистой»  энергии, час/год.

4.       Р – установленная мощность средства, кВт

Р = q∙ S∙ η, кВт,

            где: q – удельное поступление « чистой» энергии, кВт/м²,

                    S – площадь приема «чистой» энергии, м²,

                    η – коэффициент использования «чистой» энергии.

5.      Годовой доход при эксплуатации:

D = (С_о – С) ∙ Е, $.

Принято С_о = 0,15 $/кВт-ч.

6.      Рентабельность за 1 год эксплуатации:

R=

7.      Срок окупаемости капитальных затрат:

Т_о = , год

Результаты расчетов перспективных проектов ТСКБ АЛЭНТ [8] приведены в таблице.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет рентабельности перспективных проектов ТСКБ АЛЭНТ

                                                                                                                                                                                             Таблица

Рей-тинг	Сфера использова-ния	Наименование проекта	К, $	Э, $/год	С, $/кВт-ч	Р, кВт	Е, МВт-ч/год	D, $/год	R, %	Примеча- ние
1.	Гелиоколек-торы тепловые, ηср = 0,6	Параболоцилиндри-ческие 324 м2, Крышные 324 м2 Грунтовые ГК-450	148∙103 38∙103 18∙103	- 6∙103 2∙103	0,014 0,043 0,085   0,023	170 64 400	420 35 600	1,77∙106 0,684∙106 35∙103	1200 1800 500   1200	Бани «Арасан»   Парк «Lovitva» В среднем
2.	Транспорт-ные аппараты, ηср = 0,2	Гелиоэлектромо-биль СМР – 8 Гелиосудно БТА – 10 Аэролет ЛАВП – 4	50∙103   20∙106 2,5∙106	103   16∙106 2,5∙106	-   - -	60   120∙103 4∙103	-   - -	150∙103   238∙106 97,5∙106	360   1100 1300 920	8 чел.   2500 чел. 332 чел. В среднем
3.	Ветроэлек-тростанции, ηср = 0,5	Многомодульная МЭТ – 12 – 19 Двухроторная 2WR – 600 Стратосферная ЭССВ - 300	1,2∙106   77∙103   300∙103	0,12∙106   8∙103   15∙103	0,001   0,006   0,002 0,03	960∙103   600   200∙103	960∙103   100   109	144∙103   108   25∙103	1200   140   250 533	Джунгары   Генер. ЛЭП   Везде В среднем
4.	Нанотехно-логии энергетики, ηср = 0,6	Рекомбинатор топлива Аккумулятор Ркр,Ткр Фулереновое покрытие 1 м2	100   500   500	-   50   -	-   -   0,016 0,016	-   300   0,5	-   -   1250	480   3000   1800	400   500   360 353	г.Алматы         В среднем
5.	Агрокомп-лексы, ηср = 0,4	Гелиотеплица ТVС – 1000 Сельхозагрегат ГАТА – 400	100∙103   600∙103	17∙103   30∙103	0,024   0,004 0,014	600   1800	1250   5600	10,6∙103   840∙103	366   140 250	г.Алматы       В среднем
6.	Гелиомаги-страли Земли ηср = 0,3	Широтная 15000 км   Меридиональная 1000 км	200∙109     40∙106	2∙109     40∙103	0,01     0,014   0,012	145∙109     4200	290000     12600	600∙109     4,8∙106	200     120   160	1,5 млрд.чел.   700 млн. чел. В среднем
7.	Солнечные электро-станции ηср = 0,6	Бытовая ВАН – 30 Городская САКЭС – 5 Стратосферная ЭССВ – 400	20∙103   375∙106   250∙103	-   200∙103   25∙103	0,01   0,004   0,001 0,003	30   2,5∙106   200∙109	90   345∙106   109	12,6∙103   412∙106   480∙103	60   110   160 111	Парк «Lovitva»       В среднем
8.	Гидро-электро-станции ηср = 0,7	Деривационная ГА – 9 Волновая ВПЭС – 40 Наплавная НМК - 3	200∙106     2,5∙106 6∙103	20∙103     0,3∙103 -	160∙103     40∙103 10	0,05     0,005 0,02 0,023	1,38∙106     362∙109 94	100∙106     5∙106 13700	50     200 60 103	Ч/х Бектаева         В среднем
9.	Экограды, экодома ηср = 0,5	Купольный КЭГ – 20 Водный ВЭГ – 20 Автономный АТЭС - 200	162∙109 150∙109 34∙103	4∙109 5∙109 -	0,02 0,04   0,004 0,021	6400∙106 600∙106   44	20∙106     20∙106 62	60∙109     45∙109 9,5∙103	37   30 28 32	40 млн.чел.   20 млн.чел. 6 чел. В среднем
10.	Кремниевые стационар-ные фотопанели ηср = 0,1	Монокремниевые Поликремниевые	750 450	- -	0,12 0,10     0,11	0,15 0,10	250 160	5 8	0,6 1,7     1,1	В среднем

Из таблицы следует, что высшим рейтингом  (рентабельностью) обладают грунтовые тепловые гелиоконцентраторы ввиду их низкой стоимости.

Они уже сегодня могут найти широкое применение как крышные грунтовые и автономные теплогенераторы в сочетании с грунтовыми теплоаккумуляторами.

Затем по рейтингу идут транспортные аппараты большой грузоподъемности, мощные ветроэлектростанции, наконец гелиоконцентраторы с к.п.д. 0,5 – 0,65,    агрокомплексы с гелиоветроснабжением, широтные и меридиональные гелиомагистрали большой длины, солнечные электростанции типа САКЭС, гидроэлектростанции и замыкают рейтинг экограды и экодома замкнутого цикла и кремниевые фотопанели.

Зависимость рейтинга и средняя рентабельность этих проектов приведена на рис.2.

 

 

 

 

 

Рис.2. Зависимость удельных показателей проектов от рейтинга.

R_o – относительная рентабельность, η – общий к.п.д., С – себестоимость 1 кВт-ч, R_об – относительная банковская рентабельность (0,16).

Очевидно, что наиболее четкая зависимость наблюдается у средней рентабельности проекта в виде гиперболы:

, 

где:   к = 12 – коэффициент гиперболы;

          r – рейтинг проекта  (r = 1÷10);

          R_о – относительная рентабельность проекта: 

 

R_об = 0,16 – относительная банковская рентабельность инвестирования проектов.

Все рассмотренные проекты имеют R_о ˃ R_об.

Если учесть тенденцию роста альтернативной энергетики (рис.1), то в течение определенного времени τ использование  «чистой» энергии F будет возрастать по зависимости:

где: А – степень прироста;

            N_o –  современный уровень.

Степень прироста будет зависеть от рентабельности R_o, относительного времени прироста τ_о и коэффициента ускорения прироста i (0,2 – 0,4), зависящего в свою очередь от многих технических, интеллектуальных, социальных и политических ситуаций, т. е  является сложной  эмпирической зависимостью развития:

 ;

Подставив значение  А, получим общую формулу получения «чистой» энергии:

где: τ_о = 0 – 2,0 (50 – 200 лет) -  расчетный период прогноза.

Оптимистический и пессимистический прогнозы степени прироста «чистой» энергии на период до 200 лет приведен на рис.3.

 

 

 

 

 

Рис.3.  Прогноз прироста А и среднего количества F «чистой» энергии.

А_ср, А_опт, А_песс – средний, оптимистический и пессимистический приросты «чистой» энергии.

Из приведенного графика следует, что вероятный полный переход на «чистую» энергию произойдет в среднем через 90 – 100  лет, причем в первую очередь на транспорте и тепловых гелиогенераторах. Средний темп прироста 1.8 % в год. В расчетах не учтены снижение экологического ущерба и повышение  безопасности «чистой» энергии.

По-видимому, эта формула с уточнением R_o, i и τ может использоваться при прогнозе роста населения Земли, производства продуктов питания, объемов строительства жилья, уровня жизни населения, выбросов СО₂ и проч. и открывает широкие возможности для предпринимателей, инвесторов и государственных органов и международных организаций.

 

Литература

1.      Энергия в органическом мире. ИИАСЛ. ООН. 1981. 200 с.

2.      Более чем достаточно. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира. Энергоиздат. М. 1984. 215 с.

3.      Надиров Н.К., Низовкин В. М. Энергоэкологичекая  ситуация XXI века. Алматы. 2008. 215 с.

4.      Солнечная энергетика. Мир. М.1979. 390 с.

5.      Преобразование солнечной энергии. Вопросы физики твердого тела. Энергоиздат. М. 1982. 319 с.

6.      Ветроэнергетика. Под редакцией Д.Рензо. Мир. М. 1982. 256 с.

7.      Кларк А. Черты будущего. Мир. М. 1960. 150 с.

8.      Альбом проектов ТСКБ альтернативной энергетики и транспорта. Алматы. 2011. 100с.