Газовые котельные vs солнечная энергия

Газовые котельные украинских городов ежегодно производят около 80 млрд кВт∙ч тепла, для чего сжигают примерно 10 млрд кубометров импортного газа, стоимость которого в несколько раз превышает военные расходы на Востоке страны. В то же время на территорию Украины ежегодно падает почти в 10 тыс. раз больше солнечной энергии (700 трлн кВт∙ч), которую уже давно научились преобразовывать в тепло, используя разнообразные так называемые вакуумные трубки либо плоские коллекторы.

Такие солнечные котельные для отопления городов - не фантастика: первые из них заработали еще в 1979 г. (шведский Ингелстад (Ingelstad) и австрийский Биндерланд (Bilderland), а самая известная располагается в датском Марстале (Marstal). Эта солнечная станция дает тепловым сетям городка более 50% их тепловой потребности (остальное обеспечивают несколько котельных на биотопливе и тепловой насос).

Несолнечная Дания - законодатель моды на солнечную энергию

В табл. 1 перечислены крупнейшие европейские станции (все они оказались в Дании и все используют технологию "плоские коллекторы"). Обратите внимание на второй столбец таблицы, где приведена дата начала работы: если это не бум строительства солнечных станций, то что? И неужели украинцы опять окажутся вне очередного европейского тренда?

Интересно заметить, что на станции Марсталя овцы (см. фото), можно сказать, входят в штат солнечной станции (так же, как и во многих теплицах есть штатные коты для борьбы с мышами). Их задача - регулярно "стричь" траву, тень от которой снижает производство тепла.

Дания сегодня безоговорочный лидер в этой сфере: 14 самых крупных европейских станций находятся в этой маленькой стране, а в европейской первой тридцатке станций датских - 28. Сейчас солнечные станции обеспечивают около 1% потребностей датских теплосетей, и ежегодно эта доля увеличивается в 1,3–1,5 раза. Причем централизованное теплоснабжение распространено там даже больше, чем в Украине, охватывая 61% жителей (тогда как у нас не дотягивает и до 50%), и считается благом. Это на тему мифа о том, что цивилизованная Европа быстро движется в сторону индивидуального отопления квартир, как нас с пользой для себя убеждают продавцы газовых котлов.

Практически все станции используют солнечную технологию "плоские коллекторы". Средние инвестиции в датские станции - 250 евро/кв. м коллекторов, а годовое производство их тепла - около 440 кВт∙ч/кв. м. Все крупные станции располагаются на земле (а не на крышах), занимая до 10–20 га на окраинах городов. Некоторые станции снабжаются тепловыми аккумуляторами; например, это может быть большой резервуар с водой (тысячи тонн), накрытый тепловой изоляцией. В солнечную погоду коллекторы греют именно эту воду, а город берет полученное тепло при необходимости: ночью, в несолнечные дни, через несколько дней (а на некоторых станциях - через несколько месяцев).

Почему именно эта несолнечная страна стала лидером в использовании солнечной энергии? Если кто-то думает, что из-за каких-то "зеленых" субсидий, то он ошибается. Дело в том, что Дания - это страна высокой рыночной цены тепла: в 2011 г. тепловой киловатт-час из датских теплосетей продавался в среднем по 10 евроцентов. Можно подсчитать, что инвестиции в датские солнечные станции окупаются за 5,7 года (250 евро/(440 кВт∙ч х 10 евроцентов/кВт∙ч). Конечно, реальный срок окупаемости будет больше (с учетом эксплуатационных расходов, тепловых утечек из теплотрасс и др.). Но все равно такие инвестиции остаются привлекательными для дешевого датского капитала

В Украине капитал дорогой - нужно ориентироваться на окупаемость порядка пяти лет. И тепло из газа у нас очень дешевое: примерно
3,5 евроцента/кВт∙ч без НДС (если импортная цена газа примерно 230 евро за тысячу кубометров, наценка "Нафтогаза" и облгазов составляет около 10%, КПД котельных - 90%, теплота сгорания газа - 32 МДж/куб. м, а другие расходы котельной увеличивают стоимость тепла на 10%).

Как Украине двигаться вперед, к солнечной энергии

Шаг 1. Получается, что инвестиции в украинскую солнечную станцию не должны превышать 70 евро/кв. м коллектора, чтобы выполнялось условие пятилетнего срока окупаемости (5 лет = 70 евро/(400 кВт∙ч х 3,5 евроцента/кВт∙ч). Это очень близко к современному уровню стоимости производства плоских коллекторов и вакуумных трубок (100–120 евро/кв. м без НДС).

Вспомните, как быстро падала стоимость солнечных батарей: в 1977 г. 1 Вт продавали за
77 долл., а в 2013-м его средняя цена составляла уже 0,74 долл. А тот, кто присматривался к ценам на вакуумные трубки, помнит, что пять лет назад их продавали примерно в два раза дороже. Спасибо за это трудолюбивым китайцам, поставляющим на рынки дешевый товар, конкурируя с которым, европейцы вынуждены переходить на более дешевые солнечные технологии. И вот уже австрийская Sunlumo Technology GmbH предлагает рынкам на 50% более дешевый плоский коллектор, в котором используется пластик вместо дорогих меди и алюминия. И таких примеров немало.

Но мы не будем ждать, когда стоимость традиционных солнечных коллекторов опустится до нужного нам уровня, а обратим внимание на то, что они являются западными технологиями, ориентированными на ситуацию "дорогой труд + дешевый капитал". У нас диаметрально иная ситуация ("дешевый труд + дорогой капитал"), поэтому слепое копирование западных технологий приводит к следующему парадоксу. Многие украинцы давно заметили, что самостоятельно изготовить качественный плоский коллектор очень легко - расходы составляют около 30–50 евро/кв. м, поэтому они просто делают их в своих мастерских, а не покупают в магазинах по 200 евро/кв. м.

Посмотрите, например, ролик "Как сделать дешевые панели солнечных батарей из подручного материала" (найдя его по этому названию через Google), и вы тоже присоединитесь к кругу людей, понявших, что солнечные технологии можно реально сделать очень дешевыми.

Впрочем, на плоских коллекторах или вакуумных трубках свет клином не сошелся. Существует много других солнечных технологий, например, с использованием концентраторов (это система зеркал, направляющая солнечный свет на небольшой коллектор). К примеру, есть интересные самоделки канадца Дж. Плхака (George Plhak) или израильтянина Алекса Лисбона. Существует также отечественная разработка концентратора-коллектора стоимостью 10 евро/кв. м без НДС и с возможностью удешевления до 5–7 евро (ее можно найти, набрав в Google "Это солнечное тепло уже сейчас дешевле газа").

Итак, если мы сможем уложиться в 70 евро/кв. м, наши солнечные станции выглядят следующим образом: стоимость около 1 млн евро (для небольшого города), располагаются на нескольких десятках гектаров загородной земли, соединяются (с городской системой) теплотрассой длиной несколько километров, ориентированы на потребность в горячем водоснабжении (не на отопление). Если горячую воду должны иметь более 30–40 тыс. жителей, то это будет самая крупная в мире "солнечная котельная", которая обгонит датские станции.

Станция для горячего водоснабжения Киева примерно следующая (ее бы очень хотели иметь киевляне, чтобы избежать повторения истории прошлого лета): около 7 млн кв. м коллекторов (или зеркал-концентраторов) располагаются на полях площадью до 30 кв. км, теплотрасса может иметь длину 20 км (это несколько труб диаметром более 1 м).

Но нужно сказать, что солнечные станции такого типа (только для горячего водоснабжения) смогут заменить не более 1 млрд кубометров газа в год.

Шаг 2. Итак, нам нужно как-то производить солнечное тепло для централизованного отопления украинских городов. Основная проблема состоит в том, что на отопительный сезон приходится примерно треть тепла солнечных коллекторов (остальные две трети образуются за пять солнечных месяцев - с мая по сентябрь). А еще нам придется выбрасывать много лишнего тепла в начале и конце отопительного сезона. Получается, что 1 кв. м коллекторов произведет только около 100 кВт∙ч для отопления за один сезон. К сожалению, нам немного не повезло с расположением страны (и дело тут не в хронически агрессивном северо-восточном соседе): в южной Канаде 1 кв. м дал бы примерно
150 кВт∙ч благодаря их более солнечным зимам, а в северо-восточном Китае - 200–250 кВт∙ч.

Таким образом, инвестиции в солнечную станцию для централизованного отопления должны быть менее 17,5 евро/кв. м коллектора; это нужно для выполнения условия 5-летнего срока окупаемости (5 лет = 17,5 евро/(100 кВт∙ч х 3,5 евроцента/кВт∙ч)). Такое жесткое ограничение требует удешевления не только солнечных коллекторов, но и остального оборудования станции, например, тепловые аккумуляторы должны обходиться менее 50–100 евро/т воды.

Для солнечных станций для централизованного отопления необходимы большие площади земли, поскольку требуется по 10–50 кв. м коллекторов (или зеркал) на каждого жителя, подключенного к теплосетям (а не примерно по 2 кв. м, как в случае для централизованного горячего водоснабжения). В целом для замены 50% производства нынешних украинских котельных станции должны иметь около 600 млн кв. м коллекторов (зеркал) и располагаться на 0,4% украинской территории. К сожалению, 5–15% занятых земель будут временно потеряны для выращивания продовольствия. Но это только около 0,05% украинского аграрного потенциала; поэтому вряд ли солнечные станции когда-то войдут в первую двадцатку врагов сельского хозяйства.

Сколько такие станции могут заместить газа? Они могут заменить 30–70% производства газовых котельных. Почему не все 100%, видно из данных табл. 2 (на примере климатических условий Центральной Украины).

Можно заметить, что станция с 50 тыс. кв. м коллекторов (или зеркал) заменит 30% потребляемого газа для 4 тыс. горожан. Ее солнечное тепло будет полностью отапливать город в октябре и апреле (причем в эти месяцы придется выбрасывать много его излишков), а также больше половины марта, но в остальные месяцы станция покроет только от
8 до 25% нужд отопления.

Объем продаж (88,6 кВт∙ч/кв. м) требует, чтобы инвестиции в солнечное отопление не превышали 15,5 евро/кв. м (чтобы выполнялось условие "5 лет = 15,5 евро/(88,6 кВт∙ч х 3,5 евроцента/кВт∙ч)").

Если станция (для тех же 4 тыс. жителей) увеличится в два раза, доля замены газа поднимется до 48%, но продажи с 1 кв. м уменьшатся до 71,5 кВт∙ч. Дело в том, что при таких условиях лишнее солнечное тепло придется выбрасывать еще и в марте, а в октябре и апреле востребовано будет только 20–25% производимого станцией тепла. Поэтому требования к стоимости станции еще больше ужесточаются (менее 12,5 евро/кв. м), чтобы выполнить условие "5 лет = 12,5 евро/(71,5 кВт∙ч х 3,5 евроцента/кВт∙ч)". Такие дешевые солнечные станции еще выглядят реальными.

Если станцию увеличить еще в два раза, доля солнечного тепла увеличится до 72% отопительных нужд этих 4 тыс. человек. Но это уменьшит продажи до 53,7 кВт∙ч/кв. м, что сделает требования к объему инвестиций очень жесткими: должно быть дешевле 9,4 евро/кв. м, чтобы выполнить условие "5 лет = 9,4 евро/(53,7 кВт∙ч х 3,5 евроцента/кВт∙ч)". Такая низкая стоимость солнечной станции может показаться уже нереальной, поэтому вряд ли когда-либо уровень 70% будет превышен. Разве что если газ подорожает или украинский капитал подешевеет настолько, что позволит продлить сроки окупаемости до 6–8 и больше лет.

Шаг 3. Чтобы двигаться дальше (к 100-процентной замене газа солнечной энергией), нужно отыскать (придумать) способ, как использовать выбрасываемое в марте-октябре тепло. Конечно, сразу могут появиться идеи о его продаже каким-то теплицам, заводам и т.п. Но это радикально проблему не решит, поэтому остается только одна реальная возможность использования лишнего тепла - производство электроэнергии. Это будет немного похоже на наши ТЭЦ (или европейские CHP), когда зимнее тепло солнечной станции будет направляться на отопление городов, а летнее - на генерацию электричества.

Метод и способ производства электроэнергии придумывать не нужно - лучше использовать традиционный RC (Rankine Cycle), который применяется всеми АЭС и ТЭС и который неспециалисты часто называют "паровая турбина". Или же его разновидность - ORC (Organic Rankine Cycle), который обычно рекомендуют для генерации электричества из тепла низкой температуры (50–300 градусов). ORC очень напоминает кондиционеры, холодильники или тепловые насосы, но вместо компрессора с электродвигателем используется турбина с электрогенератором, а также добавляется небольшой насос для жидкого фреона. (Для физиков и инженеров-энергетиков скажем так: это в точности соответствует турбогенераторам АЭС и ТЭС, но вместо воды используется фреон). ORC-системы производятся десятками компаний, среди которых можно выделить израильскую Ormat и американскую Infinity. Последняя продает установки, способные "делать" электричество из воды с температурой 80–120 градусов, а линейка ее продуктов начинается с электрической мощности 10 кВт.

Работать все будет примерно так: если нужно, станция прокачивает горячую воду своих тепловых аккумуляторов через ORC-систему, которая будет отбирать из этой воды тепло и производить из него электроэнергию. Причем это электричество будет маневренное (генерируется, когда нужно), в отличие от продукта солнечных батарей (возникает только при наличии солнца) или производства АЭС (практически ровное на протяжении суток).

Физики подскажут, что на высокий КПД рассчитывать не придется: для производства
1 кВт∙ч электричества нужно будет тратить 10–20 кВт∙ч тепла. Но это все равно будет "выбрасываемое тепло", поэтому стоимость электроэнергии окажется низкой. Получится примерно так, что 1 кв. м коллекторов (или зеркал) на протяжении года произведет около 300 кВт∙ч тепла: 30–50 кВт∙ч пойдут на отопление города, а из остальных 250–270 кВт∙ч будет произведено 15–20 кВт∙ч электричества. Его продажи увеличат выручку станции примерно вдвое, что может сделать ее рентабельной, даже если она вынуждена обеспечивать городу 70–100% его потребностей в отоплении.

Что нужно сделать: вместо выводов

Конечно, деньги понадобятся. А бюджеты у нас пустые, долги большие и много проблем. Но есть многомиллионные программы ЕБРР, других европейских организаций, есть разнообразные американские (и другие) фонды и деньги. Есть также наши украинские инвесторы, которые хоть и много потеряли в последнее время, но что-то у них еще осталось. И не нужно никаких "зеленых" тарифов на тепло: это не "потемкинская деревня", перемешанная с коррупцией (как это было с крымскими солнечными электростанциями). Это цель на многие миллиарды долларов, и отечественные налогоплательщики замучаются все это оплачивать. К тому же "зеленые" тарифы нарушат честную конкуренцию солнечных технологий; так что пусть в этой борьбе выживет самая сильная.

Необходимо менять земельное законодательство, чтобы крупные солнечные станции можно было размещать на землях сельхозназначения. Но при этом ввести разнообразные ограничения, чтобы расположение станции практически не мешало аграрной деятельности на занятой земле. Если кто-то считает, что их место - на бросовых землях, пусть составит проект рентабельной станции для теплоснабжения какого-либо города и пусть попробует найти там хоть один подходящий "бросовый" участок. Если кто-то думает, что солнечные коллекторы нужно располагать только на крышах зданий, пусть спрогнозирует, куда все это полетит в случае аномального урагана (который бывает каждые 10–50 лет), и пусть посчитает, хватит ли имеющихся крыш для производства хотя бы 10% нужного ему количества тепла.

Людям, принимающим решения (местные власти, правительство, депутаты, инвесторы, предприниматели), нужно попытаться немного поработать над собой и честно себе признаться, что они не знают, как будет выглядеть солнечная энергетика будущего. И не расстраиваться, если их представления о будущем (вакуумные трубки будут еще красивее, плоские коллекторы будут еще компактнее и т.п.) разойдутся с реальностью, а оценивать все на основании четких абстрактных критериев. Такими критериями могут быть цена, количество рабочих мест, максимум отечественных комплектующих. Ведь именно в этом может заключаться рецепт, как Украине разбогатеть: не тратить деньги зря, давать людям работу (что будет поднимать уровень легальных зарплат) и меньше импортировать, что, в свою очередь, укрепит гривню.