"Аналоги" ВТЭС

Аналогами ВТЭС "КРОПАТ" можно назвать такие малые электростанции, которые способны работать на твердом топливе и полностью обеспечивать энергоснабжение потребителя, такого как частный дом или предприятие. Существуют несколько технологии, которые позволяют создавать такие электростанции, они подробно разобраны в тексте ниже.

В ходе рассмотрения этих "аналогичных" технологий можно убедиться, что все они имеют существенные ограничения, которые пока не позволили им занять нишу малых твердотопливных электростанций, в том числе "домашнего" назначения, подобно ВТЭС-1. В результате сегодня на рынке нет предложения серийных электростанций на твердом топливе в диапазоне мощности (примем условно как "малые") от 500 Вт до 50 КВт. Также нет информации о проектах подобных электростанций на этапе внедрения в производство. Поэтому настоящих аналогов ВТЭС "КРОПАТ" пока не существует.

Двигатели Стирлинга

Двигатели Стирлинга известны уже давно, и существует много различных видов этой технологии. Двигатель Стирлинга, как и паровой - внешнего сгорания, а это значит, что источником тепла для их работы может служить сжигание любого топлива, в том числе твердого. Кроме того, в теории двигатель Стирлинга может иметь гораздо больший КПД, чем паровой - свыше 30%. Поэтому и в прошлом, и в настоящее время ведется много исследований и проектов по внедрению двигателей Стирлинга на транспорте, для генерации электричества, и т.д.

Но, помимо достоинств, у современных версий двигателя Стирлинга есть ряд существенных недостатков. Во-первых, это необходимость иметь большие и сложные теплообменники. Это связано с тем, что рабочее тело в двигателе Стирлинга - газ (в отличие от парового двигателя, где рабочее тело - вода), а газ сравнительно медленно отдает и принимает тепло через стенки радиаторов (теплообменников). Это ведет к большой материалоемкости, увеличению в размерах и удорожанию всей конструкции. Во-вторых, для получения хороших рабочих показателей в двигателе Стирлинга необходимо использовать легкие газы (гелий, водород) под большим давлением. Это значит, что нужны специальные уплотнения с очень высокими параметрами по износостойкости, работе под высоким давлением, сохранению характеристик в течение долгого времени.

В результате, в настоящее двигатели Стирлинга в серийном виде имеют очень ограниченное применение, в основном в оборонной сфере. В частности, существуют военные подводные лодки на двигателях Стирлинга. А в гражданской энергетике есть только один реализованный производственный проект - это 1-киловаттный двигатель Стирлинга американской компании Microgen. Несколько европейских компаний (Viessmann, Baxi, Valliant) на базе этого двигателя разработали свои бытовые электростанции для частных домов, и в 2010-х годах выпустили небольшие партии на рынок. Но эксплуатация этих электростанций реальными потребителями в своих домах показала, что по ряду технических причин двигатель Microgen не может постоянно и долговременно работать в качестве привода генератора для домашней электростанции. В основном эти причины касались утечек рабочего газа (гелия). После первых продаж дальнейший выпуск таких электростанций этими компаниями был прекращен. В настоящее время этот двигатель еще присутствует на рынке, и Microgen предлагает желающим интегрировать его в свои электростанции. Но уже понятно, что без радикальной переработки конструкции этого двигателя создать на его базе серийную (и надежную) электростанцию не получится.

Подводя итог, делаем вывод: в настоящее время двигатель Стирлинга, несмотря на многообещающие теоретические обоснования, не реализован в виде серийной (и проверенной в эксплуатации) домашней электростанции, и на практике пока не является реальным конкурентом ВТЭС "КРОПАТ".

Термоэлектрические модули

Термоэлектрические модули, или элементы Пельтье, широко применяются в термоэлектрических холодильниках. Эти элементы преобразовывают электрическую энергию в работу по разделению тепловых потоков - емкость холодильника охлаждается, а помещение снаружи холодильника нагревается. Этот эффект можно развернуть в обратную сторону - тогда, нагревая одну сторону элемента и охлаждая противоположную, можно получить электрический ток для потребления. Конструктивно воплотить это в виде малой электростанции несложно (с технической точки зрения), и можно будет получать электричество буквально из любой горючей субстанции, даже твердой. И в настоящее время в России уже существуют серийные образцы термоэлектрических электростанций. Но можно предположить, что большого распространения такая техника не получит. Основных причин две: во-первых, стоимость только "голых" элементов довольно велика, примерно 2 тыс. руб. за 1 шт. на 5 Вт. Соответственно, цена готовой электростанции будет намного больше, чем стоимость суммы всех элементов. А во-вторых, КПД самих элементов очень мал, на уровне 2-3% в идеальных условиях, а с учетом прочих потерь КПД электростанции не превысит 1%. Это значит, что для получения необходимого количества электроэнергии нужно будет сжечь "гигантский" объем топлива. Поэтому есть примеры применения термоэлектрических модулей в промышленности, для генерации электричества от "бросового", или избыточного тепла, остающегося неиспользованным после какого-либо теплоемкого технологического процесса. Это имеет экономический смысл, поскольку иначе это тепло просто будет бесполезно рассеяно в атмосфере.

В результате создание малой термоэлектрической электростанции, способной обеспечить электроснабжение частного дома, при существующем уровне технологии элементов Пельтье - экономически нецелесообразно. Те твердотопливные микро-электростанции, которые сейчас есть в продаже, представляют собой дровяные печки с тепловой мощностью несколько КВт и электрогенераторным модулем от 25 до 60 Вт, что хватит только на локальное освещение и зарядку мобильных устройств. Такие устройства можно назвать походными, для "домиков выходного дня", или аварийными, на случай отключения электричества. А полноценные "домашние" электростанции на элементах Пельтье пока остаются в виде разработок, моделей и проектов.

Газогенераторные двигатели

Газогенераторные двигатели - это двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в качестве топлива использующие газогенераторный газ, вырабатываемый в так называемом газгене. Газген - это котловая установка, в которой топливо претерпевает частичное сжигание, и после ряда химических процессов преобразуется в смесь газов, пригодную для дальнейшего сжигания в ДВС. Газогенераторные двигатели довольно широко применялись в первой половине 20-го века во всем мире. В основном они использовались для привода различных транспортных средств, главным образом автомобилей. Основная причина массового распространения газогенераторных двигателей была в их способности работать на доступном твердом топливе (дрова, щепа, уголь и т.д.). Хотя они и проигрывали другим видам ДВС (бензиновым и дизельным) по мощности, общей массе, наличию громоздкого дополнительного оборудования, долгой подготовки к запуску, трудоемкому обслуживанию, малому межсервисному пробегу. Но в тот период времени во многих странах доступ к жидкому топливу был сильно ограничен, особенно в период обострения международной обстановки и военных действий. И все недостатки газогенераторных двигателей компенсировались дешевизной и доступностью твердого топлива, что давало хотя бы принципиальную возможность ездить и возить людей и грузы. А после второй мировой войны, когда было открыто много новых месторождений нефти, была налажена логистика доставки нефти по миру, были построены многочисленные нефтеперерабатывающие заводы - цена бензина и дизтоплива сильно упала и они стали доступны повсеместно. И небольшая разница в цене между жидким и твердым топливом уже не компенсировала все неудобства и недостатки газогенераторных двигателей - мир отказался от них и перешел на бензиновые и дизельные аналоги.

Но сейчас разница между жидким и твердым топливом опять велика. Можно ли сделать малую электростанцию на газогенераторном двигателе? Да, можно, но вышеописанные недостатки не исчезли. Во-первых, вся газогенераторная электростанция будет довольно громоздкой и дорогой установкой, так как помимо ДВС с генератором нужен газген, в составе которого - котел с газовой арматурой, охлаждающий блок для газа, мощную фильтровальную установку, дополнительные системы безопасности (из-за ядовитости СО). Во-вторых, не получится использовать любое твердое топливо - газген требует подготовленное топливо, отобранное по типу, составу, фракциям, влажности, включениям, загрязненности и т.д. И в-третьих, и это самое главное - газогенераторная установка подлежит частому и трудоемкому обслуживанию. Дело в том, что в процессе работы газогенераторного двигателя он покрывается изнутри отложениями, образующимися от сжигания газов, поступающих из газгена. Поэтому периодически (и часто) необходимо частично разбирать двигатель и производить очистку цилиндров, поршней и т.д. Применение фильтров полностью не решает эту проблему, хотя они в любом случае необходимы для работы газгена. Кстати, очистка и замена фильтров также представляет собой периодическую (трудозатратную и/или дорогостоящую) операцию по техобслуживанию газгена.  

Таким образом, создание твердотопливной газогенераторной электростанции возможно, но в наше время не будет иметь нужных потребительских качеств: умеренной стоимости установки и расходных материалов, удобства пользования, автоматизации работы, и главное - она потребует слишком большого и частого обслуживания.

Паровые микротурбины

Использование паровых турбин для генерации электроэнергии широко распространено во всем мире. Большинство крупных электростанций - тепловых, атомных, и даже часть солнечных - работают на паровых турбинах. Сам принцип работы довольно прост - источник тепла (сжигание топлива, расщепление урана или концентрированное солнечное излучение) нагревает воду в паров котле, превращает ее в пар под давлением, который направляется на лопатки турбины. Пар воздействует на лопатки, заставляя турбину вращаться и приводить в действие электрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию.

Поскольку источник тепла в принципе может быть любым, то до недавнего времени тепловые электростанции почти всегда строили для работы на недорогом твердом топливе. В зависимости от региона, таким топливом может быть уголь, торф, горючий сланец, древесные отходы и так далее. Тепловые электростанции с паровыми турбинами на мазуте или газе встречаются гораздо реже, так как это более дорогие виды топлива.

Казалось бы, это идеальное решение для малой твердотопливной электростанции. Паровая турбина выглядит как простое инженерное решение, имеет минимум движущихся частей, а значит - простая система смазки, недорогое и редкое обслуживание, и само изделие должно стоить недорого. Но абсолютное большинство существующих электростанций с паровыми турбинами имеют очень большую мощность - от 5 МВт и выше, причем у более-менее современных турбин нижняя граница - 25 МВт. Причина отсутствия маломощных паровых электростанций не в том, что нет небольших паровых турбин - они существуют (иногда называются турбогенераторами). Настоящая причина обусловлена физическими ограничениями на эффективность передачи энергии от паровой струи к лопаткам турбины. Если упрощенно, то для достижения приемлемого КПД турбины скорость встречи струи с лопаткой должна быть очень высока. А значит, либо внешний диаметр колеса турбины должен очень большим, и тогда вся конструкция получится большой, тяжелой и дорогой и будет иметь экономический смысл только при большой мощности. Либо при маленьком диаметре колеса скорость турбины должна быть очень высокой, что тоже имеет конструктивные ограничения и ведет к сильному удорожанию всей установки. Кроме того, для достижения хорошего КПД турбина должна быть многоступенчатой, сами лопатки должны иметь специальную форму, все размеры выдерживать с очень большой точностью - словом, такая турбина должна быть достаточной сложной и дорогой в изготовлении, что может быть экономически обосновано для больших мощностей, но слишком дорого для малых электростанций.

 

Подводя итог, можно сделать следующий вывод: технически возможно сделать твердотопливную электростанцию на паровой микро-турбине. Но у нее будет слишком маленький КПД - не более 1-2%, и эксплуатировать ее будет нерентабельно из-за слишком большого расхода топлива.

Паровые двигатели

Когда-то паровые (поршневые) двигатели были широкое распространены и использовались для привода буквально всех механизмов: электрогенераторов, станков, насосов, паровозов, пароходов и даже автомобилей. Но во второй половине 20 они постепенно были заменены на двигатели внутреннего сгорания (ДВС), работающие на жидком и газовом топливе. Основные причины - малый КПД по сравнению с ДВС, отсутствие автоматизации (необходимо постоянное присутствие 1-2 человек для управления паровым котлом, двигателем, и подачи воды и топлива), высокая материалоемкость по сравнению с ДВС. Разница в цене между твердым и жидким топливом не компенсировала недостатки парового двигателя в сравнении с достоинствами ДВС.

Но в начале 21 века стоимость бензина и дизельного топлива пошла в рост, а твердое топливо осталось сравнительно недорогим. Двигатели на твердом топливе снова стали востребованными, а паровой двигатель - один из главных кандидатов на замену ДВС в малых и средних электростанциях. Ведь раньше паровые двигатели были самыми распространенными источниками энергии, тем более что всеядность по топливу - отличительная черта двигателей внешнего сгорания, к которым относятся и паровые двигатели.

Но в современных условиях невозможно использовать паровые двигатели образца прошлого века. Необходимо, используя современные материалы и актуальные технологические достижения, повысить КПД парового двигателя, автоматизировать его работу до уровня ДВС, применить конденсацию для повторного использования воды. И такие разработки ведутся и в России, и в мире, как отдельными энтузиастами, так и проектными командами в виде стартапов и научно-технических подразделений компаний и корпораций.

Тем не менее, на сегодня создать паровую электростанцию малой мощности никому не удалось (кроме команды проекта "КРОПАТ"). Да, существует много различных работающих моделей, экспериментальных образцов и так далее. Но сделать паровой двигатель и показать его работу в коротком видеоролике - это одно, а продемонстрировать работу "домашней" электростанции в течение хотя бы нескольких часов, с размещением в помещении котельной, в полностью автоматическом режиме (без участия человека), в замкнутом режиме без выброса пара и без долива воды, с полной электрической нагрузкой - это совершенно другое. Кроме ВТЭС-1 "КРОПАТ", другой "аналогичной" электростанции на паровом двигателе, способной работать в таком режиме, не существует.