Газові котельні vs сонячна енергія

Газові котельні українських міст щорічно виробляють близько 80 млрд кВт∙год тепла, спалюючи приблизно 10 млрд кубометрів імпортного газу, вартість якого в кілька разів перевищує воєнні витрати на сході країни. Водночас на територію України за рік падає майже в 10 тис. разів більше сонячної енергії (700 трлн кВт∙год ), яку вже давно навчилися перетворювати на тепло, використовуючи різноманітні так звані вакуумні трубки або плоскі колектори.

Такі сонячні котельні для опалення міст - не фантастика: перші з них запрацювали ще 1979 р. у шведському Інгелстаді та австрійському Біндерланді. А найвідоміша розміщується в датському Марсталі і дає тепловим мережам містечка понад 50% їхньої теплової потреби (інше забезпечують кілька котелень на біопаливі та тепловий насос). Цікаво зауважити, що на станції Марсталя вівці (див. фото), можна сказати, входять у штат сонячної станції (так само, як у багатьох теплицях є штатні коти для боротьби з мишами). Їхнє завдання - регулярно "стригти" траву, тінь від якої знижує виробництво тепла.

Несонячна Данія - законодавець моди на сонячну енергію

У табл. 1 перераховано найбільші європейські станції (усі вони виявилися в Данії і використовують технологію "плоскі колектори"). Зверніть увагу на другу колонку таблиці, де наведено дату початку роботи: якщо це не бум будівництва сонячних станцій, то що? І невже українці знову опиняться поза черговим європейським трендом?

Данія сьогодні беззаперечний лідер у цій сфері: тут розташовано14 найбільших європейських станцій, а в європейській ТОП–30 станцій - 28 датських. Нині сонячні станції забезпечують близько 1% потреб датських тепломереж, і щороку ця частка збільшується в 1,3–1,5 разу. Причому централізоване теплопостачання поширене там навіть більше, ніж в Україні, охоплюючи 61% жителів (тоді як у нас не дотягає й до 50%), і вважається благом. Це на тему міфу про те, що цивілізована Європа швидко рухається в бік індивідуального опалення квартир, як нас із користю для себе переконують продавці газових котлів.

Практично всі станції використовують сонячну технологію "плоскі колектори". Середні інвестиції в датські станції - 250 євро/кв. м колекторів, а річне виробництво їхнього тепла - близько 440 кВт∙год/кв. м. Усі великі станції розміщуються на землі (а не на дахах), займаючи до 10–20 га на околицях міст. Деякі станції забезпечуються тепловими акумуляторами (це може бути величезний резервуар на тисячі тонн води, накритий тепловою ізоляцією). У сонячну погоду колектори гріють саме цю воду, а місто бере отримане тепло за необхідності: вночі, в несонячні дні, через кілька днів, а на деяких станціях - через кілька місяців.

Чому саме ця несонячна країна стала лідером у використанні сонячної енергії? Якщо хтось думає, що через якісь "зелені" субсидії, то він помиляється. Річ у тім, що Данія - це країна високої ринкової ціни тепла: 2011 р. теплова кіловат-година з датських тепломереж продавалася в середньому по 10 євроцентів. Можна підрахувати, що інвестиції в датські сонячні станції окупаються за 5,7 року (250 євро/(440 кВт∙год х 10 євроцентів/кВт∙год). Звичайно, реальний строк окупності буде більшим (з урахуванням експлуатаційних витрат, теплових витоків із теплотрас тощо), але такі інвестиції все одно залишаються привабливими для дешевого датського капіталу

В Україні капітал дорогий, тож потрібно орієнтуватися на окупність близько п'яти років. І тепло з газу в нас дуже дешеве: приблизно 3,5 євроцента/кВт∙год без ПДВ якщо при умові. що імпортна ціна газу становить приблизно 230 євро за тисячу кубометрів, націнка "Нафтогазу" та облгазів становить близько 10%, ККД котелень - 90%, теплота згоряння газу - 32 МДж/куб. м, а інші витрати котельні збільшують вартість тепла на 10%.

Як Україні рухатися до сонячної енергії

Крок 1. Виходить, що інвестиції в українську сонячну станцію не мають перевищувати
70 євро/кв. м колектора, щоб виконувалася умова п'ятирічного терміну окупності (5 років = 70 євро/(400 кВт∙год х 3,5 євроцента/кВт∙год ). Це дуже близько до сучасного рівня вартості виробництва плоских колекторів і вакуумних трубок (100–120 євро/кв. м без ПДВ).

Згадайте, як швидко падала вартість сонячних батарей: 1977 р. 1 Вт продавали за 77 дол., а 2013-го його середня ціна становила вже 0,74 дол. А той, хто придивлявся до цін на вакуумні трубки, пам'ятає, що п'ять років тому їх продавали приблизно вдвічі дорожче. Спасибі за це працьовитим китайцям, які поставляють на ринки дешевий товар - конкуруючи з ними, європейці змушені переходити на дешевші сонячні технології. І ось вже австрійська Sunlumo Technology GmbH пропонує ринкам на 50% дешевший плоский колектор, у якому використовується пластик замість дорогих міді та алюмінію. І таких прикладів чимало.

Однак ми не чекатимемо, коли вартість традиційних сонячних колекторів опуститься до потрібного нам рівня, а звернемо увагу на те, що вони є західними технологіями, орієнтованими на ситуацію "дорога праця + дешевий капітал". У нас діаметрально інша ситуація ("дешева праця + дорогий капітал"), тому сліпе копіювання західних технологій призводить до наступного парадокса. Багато українців давно помітили, що самостійно виготовити якісний плоский колектор дуже легко - витрати становлять близько 30–50 євро/кв. м, тому вони просто роблять їх у своїх майстернях, а не купують у магазинах по 200 євро/кв. м.

Подивіться, наприклад, ролик "Как сделать дешевые панели солнечных батарей из подручного материала" (знайшовши його за цією назвою через Google), і ви теж приєднаєтеся до кола людей, які зрозуміли, що сонячні технології можна реально зробити дуже дешевими.

Утім, на плоских колекторах або вакуумних трубках світ клином не зійшовся. Існує багато інших сонячних технологій, наприклад, з використанням концентраторів (система дзеркал, що спрямовує сонячне світло на невеликий колектор). Наприклад, є цікаві саморобки канадця Дж. Плхака або ізраїльтянина Алекса Лісбона. Існує також вітчизняна розробка концентратора-колектора вартістю 10 євро/кв. м без ПДВ і з можливістю здешевлення до 5–7 євро (її можна знайти, набравши в Google "Это солнечное тепло уже сейчас дешевле газа").

Отже, якщо ми зможемо вкластися в 70 євро/кв. м, наші сонячні станції виглядатимуть таким чином: вартість близько 1 млн євро (для невеликого міста), розміщуються на кількох десятках гектарів заміської землі, з'єднуються (з міською системою) теплотрасою завдовжки кілька кілометрів, орієнтовані на потребу в гарячому водопостачанні (не на опалення). Якщо гарячу воду повинні мати понад 30–40 тис. жителів, то це буде найбільша у світі "сонячна котельня", яка обжене датські станції.

Станція для гарячого водопостачання Києва приблизно така (її дуже хотіли б мати кияни, щоб уникнути повторення історії минулого літа): близько 7 млн кв. м колекторів (або дзеркал-концентраторів) розміщуються на полях площею до 30 кв. км, теплотраса може мати довжину 20 км (кілька труб діаметром понад 1 м).

Однак потрібно сказати, що сонячні станції такого типу (тільки для гарячого водопостачання) зможуть замінити не більш як 1 млрд кубометрів газу на рік.

Крок 2. Отже, нам потрібно якось виробляти сонячне тепло для централізованого опалення українських міст. Основна проблема полягає в тому, що на опалювальний сезон припадає приблизно третина тепла сонячних колекторів (інші дві третини утворюються за п'ять сонячних місяців - із травня по вересень). А ще нам доведеться викидати багато зайвого тепла на початку та наприкінці опалювального сезону. Виходить, що 1 кв. м колекторів виробить тільки близько
100 кВт∙год для опалення за один сезон. На жаль, нам трохи не пощастило з розташуванням країни (і річ тут не в хронічно агресивному північно-східному сусіді): у південній Канаді 1 кв. м дав би приблизно 150 кВт∙год завдяки їхнім більш сонячним зимам, а в північно-східному Китаї - 200–250 кВт∙год.

Таким чином, інвестиції в сонячну станцію для централізованого опалення мають бути менше 17,5 євро/кв. м колектора; це потрібно для виконання умови 5-річного терміну окупності:
5 років = 17,5 євро/(100 кВт∙год х 3,5 євроцента/кВт∙год). Таке жорстке обмеження вимагає здешевлення не тільки сонячних колекторів, а й іншого обладнання станції, наприклад, теплові акумулятори мають обходитися менш як 50–100 євро/т води.

Для сонячних станцій централізованого опалення необхідні великі площі землі, оскільки потрібно по 10–50 кв. м колекторів (або дзеркал) на кожного мешканця, підключеного до тепломереж (а не приблизно по 2 кв. м, як у випадку для централізованого гарячого водопостачання). У цілому для заміни 50% виробництва нинішніх українських котельних станції повинні мати близько 600 млн кв. м колекторів (дзеркал) і розміщуватися на 0,4% української території. На жаль, 5–15% зайнятих земель будуть тимчасово втрачені для вирощування продовольства. Але це тільки близько 0,05% українського аграрного потенціалу; тому навряд чи сонячні станції колись увійдуть у першу двадцятку ворогів сільського господарства.

Скільки такі станції можуть замінити газу? Вони можуть замінити 30–70% виробництва газових котелень. Чому не всі 100%, видно з даних табл. 2 (на прикладі кліматичних умов Центральної України).

Можна помітити, що станція з 50 тис. кв. м колекторів (або дзеркал) замінить 30% газу, який споживають 4 тис. городян. Її сонячне тепло буде повністю опалювати місто в жовтні та квітні (причому в ці місяці доведеться викидати багато його надлишків), а також понад половину березня, але в інші місяці станція покриє тільки від 8 до 25% потреб опалення.

Обсяг продажів (88,6 кВт∙год/кв. м) вимагає, щоб інвестиції в сонячне опалення не перевищували 15,5 євро/кв. м, аби виконувалася умова: 5 років = 15,5 євро/(88,6 кВт∙год х 3,5 євроцента/кВт∙год).

Якщо станція (для тих самих 4 тис. жителів) збільшиться вдвічі, частка заміни газу підніметься до 48%, але продажі з 1 кв. м зменшаться до 71,5 кВт∙год. Річ у тім, що за таких умов зайве сонячне тепло доведеться викидати ще й у березні, а в жовтні та квітні затребуване буде тільки 20–25% виробленого станцією тепла. Тому вимоги до вартості станції ще більше посилюються (менш як 12,5 євро/кв. м), щоб виконати умову: 5 років = 12,5 євро/(71,5 кВт∙год х 3,5 євроцента/кВт∙год). Такі дешеві сонячні станції ще виглядають реальними.

Якщо станцію збільшити ще вдвічі, частка сонячного тепла збільшиться до 72% опалювальних потреб цих 4 тис. осіб. Але це зменшить продажі до 53,7 кВт∙год /кв. м, що зробить вимоги до обсягу інвестицій дуже жорсткими: має бути дешевше 9,4 євро/кв. м, щоб виконати умову: 5 років =
9,4 євро/(53,7 кВт∙год х 3,5 євроцента/кВт∙год). Така низька вартість сонячної станції може здатися вже нереальною, тому навряд чи колись рівень 70% буде перевищено. Хіба що якщо газ подорожчає або український капітал подешевшає настільки, що дозволить продовжити строки окупності до 6–8 і більше років.

Крок 3. Щоб рухатися далі (до 100-відсоткової заміни газу сонячною енергією), потрібно відшукати (придумати) спосіб, як використати тепло, яке викидається в березні–жовтні. Звичайно, відразу можуть з'явитися ідеї про його продаж якимось теплицям, заводам тощо. Але це радикально проблеми не вирішить, тому залишається тільки одна реальна можливість використання зайвого тепла - виробництво електроенергії. Це буде трохи схоже на наші ТЕЦ (або європейські CHP), коли зимове тепло сонячної станції спрямовуватиметься на опалення міст, а літнє - на генерацію електрики.

Метод і спосіб виробництва електроенергії придумувати не потрібно - краще використати традиційний RC (Rankine Cycle), який застосовується всіма АЕС і ТЕС та який неспеціалісти часто називають "парова турбіна". Або ж його різновид - ORC (Organic Rankine Cycle), який зазвичай рекомендують для генерації електрики з тепла низької температури (50–300 градусів). ORC дуже нагадує кондиціонери, холодильники або теплові насоси, але замість компресора з електродвигуном використовується турбіна з електрогенератором, а також додається невеликий насос для рідкого фреону. (Для фізиків та інженерів-енергетиків скажемо так: це в точності відповідає турбогенераторам АЕС і ТЕС, але замість води використовується фреон). ORC-системи виробляються десятками компаній, серед яких можна виділити ізраїльську Ormat та американську Infinity. Остання продає установки, спроможні "робити" електрику з води з температурою 80–120 градусів, а лінійка її продуктів розпочинається з електричної потужності 10 кВт.

Працювати все буде приблизно так: якщо потрібно, станція прокачає гарячу воду своїх теплових акумуляторів через ORC-систему, яка відбиратиме з цієї води тепло та вироблятиме з нього електроенергію. Причому ця електрика буде маневреною (генерується, коли потрібно), на відміну від продукту сонячних батарей (виникає тільки за наявності сонця) або виробництва АЕС (практично рівне впродовж доби).

Фізики підкажуть, що на високий ККД розраховувати не доведеться: для виробництва
1 кВт∙год електрики потрібно буде витрачати 10–20 кВт∙год тепла. Але це однаково буде "викинуте тепло", тому вартість електроенергії виявиться низькою. Вийде приблизно так, що 1 кв. м колекторів (або дзеркал) протягом року виробить близько 300 кВт∙год тепла: 30–50 кВт∙год підуть на опалення міста, а з інших 250–270 кВт∙год буде вироблено 15–20 кВт∙год електрики. Її продажі збільшать виручку станції приблизно вдвічі, що може зробити її рентабельною, навіть якщо вона вимушена забезпечувати місту 70–100% його потреб в опаленні.

Що потрібно зробити: замість висновків

Звичайно, гроші знадобляться. А бюджети в нас порожні, борги великі та багато проблем. Але є багатомільйонні програми ЄБРР, інших європейських організацій, є різноманітні американські (та інші) фонди й гроші. Є також наші українські інвестори, які хоча й багато втратили останнім часом, але щось у них ще залишилося. І не потрібно ніяких "зелених" тарифів на тепло: це не "потемкинская деревня", перемішана з корупцією (як це було з кримськими сонячними електростанціями). Це мета на багато мільярдів доларів, і вітчизняні платники податків замучаться все це оплачувати. До того ж "зелені" тарифи порушать чесну конкуренцію сонячних технологій; отже, нехай у цій боротьбі виживе найсильніша.

Необхідно змінювати земельне законодавство, щоб великі сонячні станції можна було розміщувати на землях сільгосппризначення. Але при цьому ввести різноманітні обмеження, щоб розміщення станцій практично не заважало аграрній діяльності на зайнятій землі. Якщо хтось вважає, що їхнє місце - на непридатних землях, нехай складе проект рентабельної станції для теплопостачання будь-якого міста та нехай спробує знайти там хоч одну підходящу "непридатну" ділянку. Якщо хтось вважає, що сонячні колектори потрібно розміщувати тільки на дахах будинків, нехай спрогнозує, куди все це полетить у випадку аномального урагану (який буває кожні 10–50 років), і нехай порахує, чи вистачить наявних дахів для виробництва хоча б 10% потрібної йому кількості тепла.

Людям, які ухвалюють рішення (місцева влада, уряд, депутати, інвестори, підприємці), потрібно спробувати трохи попрацювати над собою та чесно собі зізнатися, що вони не знають, як виглядатиме сонячна енергетика майбутнього. І не засмучуватися, якщо їхнє уявлення про майбутнє (вакуумні трубки будуть ще гарнішими, плоскі колектори будуть ще компактнішими тощо) розійдуться з реальністю, а оцінювати все на підставі чітких абстрактних критеріїв. Такими критеріями можуть бути ціна, кількість робочих місць, максимум вітчизняних комплектуючих. Адже саме в цьому може полягати рецепт, як Україні розбагатіти: не витрачати гроші даремно, давати людям роботу (що підніматиме рівень легальних зарплат) і менше імпортувати, що, у свою чергу, зміцнить гривню.