В настоящее время, наступил переломный момент, когда стоимость производства электроэнергии на АЭС в США превысила аналогичную стоимость производства солнечными панелями (см. рис. 1).

Рис. 1 Стоимость производства электроэнергии в ядерной и альтернативной энергетике (http://geektimes.ru/post/100504/)
По данным (http://freshufa.com/news/obschestvo/fond_rokfellerov_nameren_vlojitsya_v_alternativnuyu_energetiku)  Фонд Рокфеллеров объявил о прекращении финансирования нефтяных инвестпроектов и о проработке вопросов вложения в «зеленую энергетику». И они не единственные. Германия раньше считалась одним из мировых лидеров по производству ядерной электроэнергии (140 ГВтч/год), но после аварии на Фукусиме правительство приняло решение полностью отказаться от АЭС. Восемь станций было закрыто немедленно, а остальные девять планируется закрыть до 2022 года. (http://geektimes.ru/post/144636/).

Германия  получает из альтернативных  источников около 20% необходимого электричества, в ней установлено примерно столько же солнечных электростанций, сколько во всех остальных странах мира, вместе взятых.

По данным агентства Bloomberg установленная мощность возобновляемых источников электроэнергии превысила угольную, нефтяную и газовую генерацию вместе взятые и точка невозврата пришлась на 2013 год. Согласно прогнозу крупнейшей международной консалтинговой компании IHS, суммарная установленная мощность солнечных электростанций в мире может достичь 500 ГВт к 2019 году. Таким образом, рынок за ближайшие 5 лет вырастет на 177 процентов, а средний ежегодный объем ввода новых мощностей на солнечной энергии будет на уровне 64 ГВт (средний темп ежегодного роста 48%). (http://sk.ru/news/b/articles/archive/2015/04/22/bolshe-ne-konkurent-tradicionnaya-generaciya-proigrala-vozobnovlyaemoy-energetike.aspx)

Но  так ли уж выгодно использовать в солнечной энергетике только солнечные панели? На повестку дня выходят двигатели Стирлинга (см. рис.2), где  кпд выше и есть возможность использования избытка тепла для бытовых и промышленных нужд. Причем, двигатели Стирлинга можно использовать не только в солнечной энергетике в совокупности с зеркалом–концентратором (рис. 2), но и в локальной когенерации (СНР), тригенерации (ССНР), нефте и газодобыче, на утилизации мусора и биогаза, в подводных лодках и т.д. Из-за неприхотливости движка на вход ему можно подать просто теплый воздух от дровяной печи или никель-водородного теплогенератора Росси-Пархомова.

Ключевые особенности двигателей Стирлинга:
·        Независимость от топливного источника за счет внешнего сгорания;
·        Высокая эффективность;
·        Без обслуживания;
·        Очень низкий уровень шума;
·        Конкурентная цена.



Рис. 2 Солнечная установка с двигателем Стирлинга (EPAS-Solar Stirling Generation)

В настоящее время за рубежом начато производство двигателей Стирлинга, основные характеристики которых превосходят аналогичные показатели двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных установок (ГТУ). Например, фирма Qnergy Engines (http://www.qnergy.com/ ) производит двигатели 3,5 кВтэ (Модель 3.5кВтэ будет доступна, начиная с 4 квартала 2015) / 7,5 кВт электроэнергии с преобразованием все оставшейся тепловой энергии в полезное тепло. Эти двигатели обладают высокой эффективностью и чрезвычайно надежны. Как двигатель внешнего сгорания, они могут использовать несколько источников топлива. Это спаренный с генератором агрегат, на выходе которого 3 фазы 380В и однофазные 220/110 В.

В работе [1] уже доказывалось, что существующее в стране прямое сжигание газа в котельных настоящее варварство, что ключом к эффективному использованию топлива могут стать локальные  когенерация (одновременное производство тепла и электроэнергии) и  тригенерация (одновременное производство холода, тепла и электроэнергии),  где это необходимо. И двигатель Стирлинга как раз и дает такую возможность осуществлять локально, непосредственно у потребителя процесс когенерации (см. рис. 3)



Рис. 3 Схема работы Micro-ТЭЦ компании Qnergy (http://www.qnergy.com/ )
Как видим из рис. 3, в окружающее пространство выбрасывается только 5%, то есть эффективность использования теплотворной способности топлива составляет 95%. Вот ключ к решению проблемы излишнего теплового воздействия человека на окружающую среду. Пока же мы выбрасываем в окружающую среду 70% от производимого тепла на АЭС и сжигаемого топлива на ТЭС, тысячи тон СО₂ и других вредных газов и пылевых твердых отходов.



Рис. 4 Настенный отопительный котел со встроенным двигателем Стирлинга фирмы Microgen Engine Corporation для производства электроэнергии. (http://www.microgen-engine.com/index.php?option=com_content&view=article&id=6&Itemid=17)

Подобная система создает возможности автономного проживания без зависимости от промышленных электросетей.

Компания Microgen Engine Corporation (МЕС) почти 20 лет занимается созданием малых энергетических установок на основе двигателя внешнего сгорания. Результатом ее деятельности стал компактный электрогенератор мощностью 1,0 кВт на базе двигателя Стирлинга, который можно разместить в корпусе настенного котла. Разработка заинтересовала ведущих производителей отопительной техники, таких как BDR Thermea и Viessmann, имеющих в МЕС пакеты акций по 42,19%.

Компания SenerTec,  входящая в холдинг BDR Thermea, производит напольную когенерационную установку, микроТЭЦ (micro CHP) Dachs Stirling SE, на основе двигателя Стирлинга. 25 тысяч таких установок в настоящее время уже установлены в жилых домах, на предприятиях, в офисах и гостиницах, что делает их самыми популярными когенерационными установками в Европе [3]. Для частных домов компания SenerTec производит когенерационные уcтановки eVita и Ecogen.

Когенерационная часть установки Dachs Stirling SE производит 1,0 кВт электрической и 5,8 кВт тепловой энергии. Для покрытия пиковой тепловой нагрузки модель оснащена встроенной горелкой мощностью 18 кВт. МикроТЭЦ конструктивно совмещена с буферным накопителем тепла.
(http://www.baxi.ru/about/news/baxi-na-vystavke-ish-2011-vo-frankfurte/)

Компания Viessmann выпускает настенный газовый аппарат Vitotwin 300-W с двигателем Стирлинга фирмы МЕС в комплекте с бойлером Vitocell 340-М емкостью 750 л. Он служит накопителем тепла в периоды, когда от микро ТЭЦ требуется только электричество, а потребление тепловой энергии отсутствует. В его корпусе размером 900 х 480 х 480 мм (высота х ширина х глубина) объединены микроТЭЦ и пиковый конденсационный котел Vito dens 200-W. Двигатель Стирлинга имеет собственную кольцевую горелку с отдельной камерой сгорания. Тепло, снимаемое с его водяного теплообменника, идет на нагрев воды для отопления и ГВС. Установка вырабатывает 1,0 кВт электрической мощности и 5,7 кВт тепловой. Когда этого тепла не хватает, включается пиковый котел. Его мощность модулируется в диапазоне от 3,6 до 26 кВт (при эксплуатации в режиме 50/30 °С).

В сентябре 2013 года в Германии стартовали продажи микро ТЭЦ Vitotwin 350-F. Она имеет генератор на базе двигателя Стирлинга и пиковый котел, совмещенный с бойлером-накопителем на 175 л. Площадь, которую займет такая установка, составит всего 0,36 м2 (60 х 60 см). Особенностью модели является возможность регулировать мощность микро ТЭЦ: электрическую - в диапазоне от 0,3 до 1,0 кВт, тепловую - от 3,6 до 5,3 кВт. При включении пикового котла тепловая мощность может быть увеличена до 26 кВт.

Плавное регулирование мощности позволяет сжигать ровно столько топлива, сколько необходимо для получения требуемого количества энергии, а также использовать двигатель Стирлинга в режиме длительной зарядки теплоаккумулятора. Управление Vitotwin 350-F осуществляется с помощью компактного переносного модуля с ЖК-дисплеем. Ввести микроТЭЦ в режим выработки электроэнергии можно простым нажатием кнопки на пульте или запрограммировав включение на определенное время, например, для электропитания стиральной машины. Возможна организация дистанционного управления установкой, включение со смартфона. Предусмотрено автоматическое переключение Vitotwin 350-F на общую сеть при повышении нагрузки.

В отличие от двигателей внутреннего сгорания двигатель Стирлинга не нуждается в сервисном обслуживании (замена масла и т.д.) и работает практически бесшумно.

Настенную микроТЭЦ EcoGen электрической мощностью 1 кВт на базе двигателя Стирлинга достаточно давно выпускает и успешно продает у себя на родине английский завод Baxi. (http://ekort-dom.com/stroiteistvo/stroim-dom/135-kogeneracionnye-ustanovki-maloy-moschnosti.html)

Как обычно не отстает и Южная Корея. А ее возможности мы наблюдаем на примере автопрома. В Москве к концу года можно будет купить настенный котел NAVIEN HYBRIGEN SE. Цены правда пока кусаются, около 12000 Евро. Можно предположить, что в цене заложена прибыль на «инновационность» никак не ниже 50%.

NAVIEN HYBRIGEN SE состоит из двух основных частей - двигатель Стирлинга и конденсационный котёл. Скорее всего используется двигатель Стирлинга фирмы Microgen Engine Corporation (МЕС), так как сама фирма  NAVIEN инвестировала средства в МЕС [2]. На прямой запрос в фирму МЕС о цене просто двигателя Стирлинга, посыпались вопросы о целях, типе топлива и т.д. Из чего можно сделать вывод, что завод на пределе справляется с заказом своих основных учредителей и инвесторов, таких гигантов как  BDR Thermea и Viessmann [2].

Пока эти котлы продаются только в Южной Корее и Голландии, где используются реверсивные счетчики, и излишки электроэнергии можно продавать в сеть. К концу 2015 года можно будет купить и в России, только вот куда девать излишки электроэнергии? Монополия энергопроизводства в России запрещает продавать электроэнергию в сеть. Люди станут слишком энергонезависимы, и ими будет трудно управлять.

Ниже представлены данные по некоторым современным двигателям Стирлинга. (см. таблицу 1).

Таблица 1 Характеристики двигателей Стирлинга

Фирма	Марка	Мощность, электро/тепло, кВт	Удельная масса, кг/кВт	Ресурс, ч	Эффективный КПД, % электро/тепло
Kawasaki Kockums	V4-275R	2900
-		1250	1,2	10 000	30
Philips	4-S12-10	265	3,8	10 000	30
MTI	Mod-III	108	3,0	20 000	36
STM Inc	STM 4-120	52	2,1	50 000	45
	4-95	52	4,1	20 000	41
United Stirling	V4X	48	2,6	20 000	34
	SM-3	40		50 000	40
Daimler Benz	KS15D	15	3,7		37,1
Дин Камен	Маяк	10
Solo	V-160	7,5	2,3	28 000	35
SOLO STIRLING GmbH	SOLO STIRLING V161	2-9,5/8-26			22-24,5/65-75
Qnergy Engines	QB-7500	7.5	103/7.5	>60 000
Qnergy Engines	QB-3500	3.5	67/3.5	>60 000
Sigma Elektroteknisk A.S	PCP 1-130	3/9
Microgen Engine Corporation		1/5,8
Whisper Tech Limited.	Stirling Engine Boiler	1/7,5-14	90/0,75	500000?

Вышеуказанные характеристики двигателей Стирлинга обеспечили их применение в современных зарубежных системах вооружения в странах, принадлежащих к блоку НАТО, где накоплен большой опыт их эксплуатации.

Использование двигателей Стирлинга на шведских подводных лодках берет начало с середины 1980-х годов. Двигатели Стирлинга фирмы Kockums установлены на борту французского 500-т тонного гражданского аппарата подводных исследований Сага, который имеет операционную глубину 600 метров и оснащен системой подводного плавания для работы на глубинах  450 метров. Стоит отметить, что используемая система внешнего сжигания при высоком давлении позволяет отказаться от компрессора.

В конце 1980-х годов установлены двигатели Стирлинга Kockums на подводной лодке Näcken (Швеция). Подводная лодка была доработана в сухом доке вставкой секции с двигателем Стирлинга.

По проекту А26 (Швеция) подлодки «Готланд», «Уппланд» и «Холланд» (Швеция) оснащены двумя двигателями Стирлинга V4-275R Mk 2 Kawasaki Kockums
http://www.stirlingengines.org.uk/manufact/manf/misc/subm.html.

Считается, что эти лодки самые тихие и незаметные в мире. На последних учениях НАТО шведские подлодки с двигателями Стирлинга посрамили атомные субмарины США. Японские подлодки «Сорю» с двигателем Стирлинга также считаются одними из лучших в мире и продаются, например, Австралии.

В качестве курьеза, немецкий авиаинженер Андреас Хаузер сделал первый в мире двигатель Стирлинга на солнечной энергии, напечатанный на 3D-принтере (см. рис. 5). http://geektimes.ru/post/248252/



Рис. 5 Напечатанный на ЗD принтере двигатель Стирлинга (http://geektimes.ru/post/248252/)

Знаменитый создатель Segway, изобретатель Дин Камен разрабатывает новый двигатель Стирлинга Маяк на 10 киловатт (см. рис. 6), который идеально подходит для производства электроэнергии и нагрева воды. Кроме использования в качестве резервного генератора, эти машины в зависимости от цены на природный газ, также могут обеспечить круглосуточное питание для дома или бизнеса. Маяк весит около 1500 фунтов и имеет размеры стиральной машины, а также включает в себя систему батарей, которые могут быть интегрированы с другими системами распределенной генерации, таких как солнечные панели.[4]

Так как 10 кВт многовато на один дом, Маяк предпочтительнее для бизнеса, например, прачечных или ресторанов, которые используют много горячей воды. С партнером по коммерциализации, фирмой NRG Energy, развернуты примерно 20 машин.



Рис. 6 Двигатель Стирлинга Маяк на 10 кВт Дина Камена [4]

Дин Камен имеет для коммерциализации и готовый двигатель меньшей мощности на 2,5 кВт. Он уже работает  в Нью-Гемпшире у него дома в течение четырех лет. Камен считает, что версия на 10 кВт могут быть изготовлены и установлены примерно за $ 10,000 или около $ 1 за ватт. Это, однако, не будет покрывать расходы на разработку, накладные расходы, или прибыли. В планах NRG не продавать, а сдавать их в аренду.  Домовладельцу сдают их в аренду на 20 лет или около того, и лизинг оплачивается из стоимости выработанных киловатт-часов. В случае излишнего производства, электричество будет продаваться в сеть. [4]

 "Не думаю, что мы должны просто продавать коробку," говорит Камен. "Мы считаем, что мы должны быть частью системы будущих смарт-сетей." [4]

При стоимости агрегатов около $ 1 за ватт уже сейчас удельные капитальные расходы АЭС в 3-5 раз выше. С учетом срока возведения АЭС, который только увеличивается, конкурентоспособность АЭС падает ниже плинтуса.

В России на базе более чем 30-ти летнего технологического опыта, накопленного при производстве криогенных газовых машин Стирлинга, есть предпосылки развития этой технологии, например, на ОАО «Машиностроительный завод «Арсенал», НПО «Гелиймаш» и других. Однако, их установки не являются отечественными разработками, а представляют собой копии криогенных машин, ранее выпускавшихся голландскими фирмами «Филипс» и «Werkspoor». [5] 

Неоднократно предпринимались попытки создания отечественных двигателей и холодильных машин Стирлинга в 90-х годах, например,  на АОЗТ «АРСМАШ», однако не доведены до коммерческого результата по известным причинам. [5]

В 1996 году на ОАО “Машиностроительный завод “АРСЕНАЛ” проводились работы по теме “Исследование и разработка электроагрегатов на базе многотопливных двигателей Стирлинга”. Указанная тема входила под шифром “Стирлинг” в комплексную НИР “Передвижка”, включенную постановлением Правительства РФ от 02.03.96 N 227-15 в государственный заказ, но данные работы не были завершены в полном объеме.[5] 

В 1997-1998 гг., на ОАО “МЗ “АРСЕНАЛ” в рамках Федеральной программы реструктуризации и конверсии оборонных предприятий прорабатывалась тема: “Разработка и создание производства экологически чистых двигателей с внешним подводом теплоты, рефрижераторов, тепловых насосов и анаэробных энергоустано­вок на основе цикла Стирлинга”. Выпуск новой продукции планировалось осуществить за счет загрузки высвободившихся после конверсии производственных мощностей завода без строительства новых корпусов. По замыслу проекта планировалось к 2004 го­ду наладить мелкосерийное производство двигателей и холодильных машин Стирлинга производительностью до 100 кВт. Однако, данные работы из-за отсутствия финансирования не были реализованы. [5]

Как пишет автор работы [5]: «В настоящее время сложилась достаточно парадоксальная ситуация, которая заключается в том, что Россия обладает многолетним опытом и технологией производства машин Стирлинга, но не имеет опыта собственных разработок, серийно выпускаемых машин Стирлинга. Данная ситуация обусловлена в основном тем обстоятельством, что в последние 15 лет в России из-за экономического кризиса сложилась крайне неблагоприятная инновационная атмосфера, во многих российских научных организациях, в которых ранее велись работы по тематике создания машин Стирлинга, например, МВТУ им. Баумана, ВНИИГТ, ОмПИ (ТУ), СПбГТУ (Политехнический университет), ЦНИДИ и др., исследования из-за финансовых трудностей были полностью прекращены. В то же время за рубежом именно за последние 15 лет были достигнуты наиболее существенные результаты в создании высокоэффективных машин Стирлинга.»[5] 

А теперь предположим, что вместо сжигания газа или другого органического топлива на вход в двигатель Стирлинга будем подавать горячий воздух от никель -водородного теплогенератора Росси-Пархомова. Можно использовать хорошо проработанные микро ТЭЦ (micro СНР), где уже решены вопросы аккумуляции тепла, горячей воды, интерфейсы с системами отопления и горячего водоснабжения.  Одного картриджа с никель-водородным топливом  хватит где-то на полгода. Установка может получиться компактной и практически без обслуживания. Стоимость выработки электроэнергии в когенерационном цикле с учетом вырабатываемого полезного тепла для бытовых нужд может быть на порядок ниже, чем на существующих ТЭЦ, ТЭС и АЭС. Понятно, что для существенного снижения цены изделия необходимо серийное производство двигателей Стирлинга конкурирующими компаниями. Сейчас практически все производство замкнуто на завод компании МЕС в Китае, именно поэтому пока микро ТЭЦ на базе двигателей Стирлинга дороги для российского покупателя. Есть надежда, что Дин Камен доведет свой Маяк до победного конца и стоимость агрегата составит $1000 за кВт мощности. Двигатель Маяк тоже хороший претендент на кооперацию с никель-водородным теплогенератором Росси-Пархомова.

Заключение

Даже в Москве и Подмосковье, не говоря уже о глубинке, продолжается проектирование и строительство устаревших газовых котельных. Понятие когенерации и тригенерации напрочь отсутствует у наших коммунальщиков и лиц, принимающих решения. Приход в массы микро ТЭЦ с двигателями Стирлинга может покачнуть эту ситуацию, и народ сам станет в собственных домах производителем электроэнергии в локальном когенерационном цикле, который гораздо эффективнее простого сжигания газа в котельной или раздельного производства электроэнергии. Активные товарищества собственников жилья могут также потеснить коммунальщиков и отказаться от централизованного отопления, счета за которые каждый месяц только «прибавляют в весе».

Военные проморгали перспективу использования мощных двигателей Стирлинга на подводных лодках, а ведь эти лодки сейчас самые бесшумные и неуязвимые. Догнать Швецию, имеющую 30-летний опыт, будет очень трудно. Перспективы использования двигателей Стирлинга в совокупности с никель-водородными теплогенераторами Росси-Пархомова на подводных лодках не поддаются сомнению. Видимо, не случайно именно шведские ученые и компании помогают А.Росси тестировать аппарат Е-Сат НТ. Пока только россиянину А.Г.Пархомову удалось повторить опыты А.Росси, и не использовать этот задел в России было бы неразумно.

По всей видимости, двигатели Стирлинга наиболее подходят для никель-водородного теплогенератора Росси-Пархомова в качестве преобразователя тепловой энергии в электрическую, так как обладают очень существенными полезными факторами. Автор работы [6] обозначил проблему теплового загрязнения планеты и проблемы потепления, но не предложил алгоритма решения этой проблемы. Утилизация всего вырабатываемого тепла без сброса в атмосферу ее излишков может существенно помочь задаче ограничения выбросов, и локальная когенерация (тригенерация) на микро (мини) ТЭЦ на базе двигателей Стирлинга и никель-водородных теплогенераторов Росси-Пархомова может стать ключевым решением этой проблемы. В будущем, будет возможно строить и подводные города с использованием энергоустановок на базе никель-водородного теплогенератора Росси-Пархомова и двигателя Стирлинга с электрогенератором.

Печально, что весь ажиотаж вокруг инновационной деятельности с двигателями Стирлинга сосредоточен в Швеции, Германии, Южной Корее  и Китае и совершенно не затрагивает нашу страну, хотя прежних наработок еще со времен Советского Союза было достаточно.

  
Литература
1.                  Александр Просвирнов, "Как мы прожигаем наше «национальное достояние» 11/03/2014, «Атомная стратегия», http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=5136
2.                  «NAVIEN HYBRIGEN, Домашний супер высокоэффективный котёл-генератор с двигателем Стирлинга (микро ТЭЦ), который производит электрическую энергию», http://www.navien.ru/Download/DownloadFile?type=product&filename=Catalog(NAVIEN%20HYBRIGEN).pdf
3.                  Scott Dwyer, «Seven things you need to know about Micro-CHP in Europe», https://www.di-verlag.de/media/content/GFE/issue_3__13/gfe_03_2013_Dwyer.pdf
4.                  Christopher Helman, Segway Inventor Dean Kamen Thinks His New Stirling Engine Will Get You Off The Grid For Under $10K, Forbse, http://www.forbes.com/sites/christopherhelman/2014/07/02/dean-kamen-thinks-his-new-stirling-engine-could-power-the-world/
5.                  Сергей Иванов, «Русский Stirling. Новые возможности старых систем. Анализ отечественных разработок в области машин Стирлинга». Под редакцией - © "The Russian Engineering", http://www.russianengineering.narod.ru/energie/stirlingrus.htm
6.                  В.И.Поляков, «Экология об «экополитике». (Заметки к конференции в Париже, декабрь 2015)», «Атомная стратегия»,  18/05/2015, http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=6024