Лекция 6. Использование возобновляемых энергетических ресурсов

Содержание лекции: причины, побуждающие к использованию неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсов, перспективы солнечной и ветровой энергетики.

Цель лекции: дать понятие новых видов энергетики, возможных объемов их вклада в энергопотребление в мире и в Казахстане, особенности ветроагрегатов разных схем.

Альтернативная, нетрадиционная энергетика – приоритетное направление развития энергетики. Ее неисчерпаемость, автономность, безопасность, экономичность служат гарантией этого утверждения. Перспективы развития альтернативной энергетики определены Законом Республики Казахстан «О поддержке использования возобновляемых энергетических ресурсов».

Некоторые общие стимулы развития возобновляемой энергетики.

Прогнозируемый недостаток и высокая стоимость энергии от " традиционных" видов энергетического сырья и технологий.

Попытки совершенствования существующих сегодня промышленных способов и средств получения энергии ведут в тупик.

В понятие альтернативной энергетики входят устройства, производящие электричество и тепло, отличающиеся от основных средств энергетики сегодняшнего дня, работающих на углеводородном сырье и ядерном топливе тем, что используют иные источники энергии. Нетрадиционные и альтернативные источники: возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - это солнечное излучение, энергия ветра, энергия малых рек и водотоков, океанских приливов, энергия биомассы, геотермальная энергия, а также рассеянная тепловая энергия (тепло воздуха, воды океанов, морей и водоемов).

Согласно оценке, в 2010 г. возобновляемые источники энергии обеспечат выработку 3, 5 трлн. кВт-ч. В 2009 - 2010 гг. наиболее высокие темпы роста прогнозируются в ветро- солнечной энергетике.

Как известно, страны ЕС поставили задачу повысить долю электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников энергии, с 13, 9% в 1997г. до 22, 1% в 2010г. По оценке Американского общества инженеров-электриков в 1980г. доля производимой электроэнергии на ВИЭ в мире составляла 1%, в 2005г. она достигла 5%, к 2020г. достигнет 17 - 20% и к 2060г.-33%.

- В чем состоят преимущества возобновляемой электроэнергетики?

- Во-первых, следует отметить психологический аспект: производство электроэнергии вплотную приближено к потребителю, который чувствует ответственность за состояние электростанции и за использование электроэнергии.

Во-вторых, быстрая окупаемость небольших энергетических установок - два-два с половиной года. В настоящее время инвестор гораздо охотнее вкладывает деньги в проект, который окупается за такое короткое время. А в строительство крупных электростанций реально вкладывать деньги может только государство или очень крупный инвестор.

Интерес к проблеме малой энергетики обусловлен не только тем, что значительная часть территории нашей страны лишена централизованного энергоснабжения, но и стремлением уйти от диктата естественных монополистов, непомерных затрат на транспортировку, использовать более дешевые местные ресурсы.

Для новых или потерявших питание объектов преимущества автономной энергетики вытекают из существующей стоимости подключения к централизованным энергосистемам, включающей проект, строительство ЛЭП определенной длины и подстанций, плату за отчуждение территорий.

Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в настоящее время оценивается в 20 млрд.тонн условного топлива в год. что в 2 раза превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива. И это указывает путь развития энергетики будущего, не такого уж и далекого.

Основные преимущества возобновляемых источников энергии - неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетического баланса планеты. Возобновляемые источники энергии играют важную роль в решении глобальных проблем, стоящих перед человечеством: экономика, энергетика, экология, продовольствие.

Все причины, по которым развитые страны активно работают в области использования ВИЭ, распространяются и на Казахстан. Ниже в порядке приоритетности приводятся направления использования ВИЭ по экономическим и социальным критериям.

1) обеспечение энергоснабжения удаленных районов, не подключенных к сетям энергосистем в соответствии со Статьёй 7 Закона «О поддержке использования возобновляемых источников энергии».

2) предотвращение или снижение ограничений в потреблении энергии у потребителей, подключенных к сетям энергосистем. Создание конкурентной среды в энергетике, прежде всего в дефицитных энергосистемах.

В последнее время все более широкое применение находят комбинированные ветро-солнечные, дизель-ветровые, дизель-фотоэлектрические или комплексные автономные энергосистемы, использование в которых возобновляемых источников позволяет экономить органическое топливо

Удельные капитальные вложения в оборудование возобновляемой энергетики находятся примерно на уровне капитальных вложений в оборудование традиционной энергетики или несколько выше. Однако существует устойчивая тенденция роста удельных капитальных вложений в оборудование традиционной энергетики и их снижения в оборудование ВИЭ.

Стоимость электроэнергии от ВИЭ по многим видам электростанций находится на уровне традиционной энергетики. Из этой закономерности выпадает фотоэнергетика, где стоимость электроэнергии пока в 4-5 раз выше, но наблюдается устойчивая тенденция ее снижения. Ожидается, что через 5-10 лет она приблизится к ценам энергии от других источников.

По результатам расчетов срок окупаемости различных проектов на ВИЭ составляет 3 -15 лет. Ветростанция мощностью 50 МВт за рубежом монтируется из готовых агрегатов за 5-6 месяцев и окупается за 8-10 лет в зависимости от ветровой активности в месте установки. В то же время тепловая станция строится 6-8 лет, крупная гидростанция -10-12 лет, срок окупаемости капитальных вложений в энергетике в среднем составляет 8-10 лет.

Расчеты, проведенные для различных сочетаний факторов, влияющих на срок окупаемости объектов возобновляемой энергетики, показывают следующее.

В централизованных энергосистемах приемлемый срок окупаемости (5-10 лет) достигается при удельных капитальных вложениях 1 500 долл/кВт и менее и числе часов использования установленной мощности 2200 и более в год. Этим критериям соответствуют практически все виды оборудования возобновляемой энергетики.

Недопустимо в принципе сравнивать себестоимость энергии, получаемой за счет использования невозобновляемых ресурсов и от возобновляемых источников в силу их качественной несопоставимости.

Важно последовательно осуществлять переход к децентрализованной энергетике (ДЭ) – то есть к производству энергии на месте её использования или вблизи него. Технологии ДЭ включают в себя специализированные системы (гибридные системы, обогревательные устройства, работающие на энергии солнца или на биомассе, тепловые насосы, утилизирующие тепло грунта, подземных вод и/или воздуха).

Касаясь экономической целесообразности теплоснабжения потребителей с применением ВЭУ, необходимо отметить, что мощность ВЭУ, участвующей в теплоснабжении, и, соответственно, доля ее участия в балансе покрытия нагрузки имеют свой оптимум, соответствующий, например, минимуму приведенных затрат, после чего дальнейшее наращивание мощности ВЭУ невыгодно. Расчеты показывают, что основными факторами, определяющими эффективность внедрения ВЭУ, являются режим ветра, цена топлива и удельные капиталовложения. Чем выше цена топлива, тем выше доля экономически оправданного участия ВЭУ в покрытии тепловой нагрузки.

Пропеллерные ветряные энергетические установки производят две разновидности шума:

- механический шум - шум от работы механических и электрических компонентов;

- аэродинамический шум - шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки).

В настоящее время при определении уровня шума от ветроустановок пользуются только расчётными методами. Метод непосредственных измерений уровня шума не дает информации о шумности ветроустановки, так как эффективное отделение шума ветроустановки от шума ветра в данный момент невозможно.

В непосредственной близости от достаточно крупной пропеллерной ветроустановки уровень шума может превышать 100 дБ. (Болевой порог человека 120 дБ).

Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов - 300 м.

Низкочастотные колебания, передающиеся через почву от пропеллерных ветроустановок мегаваттного класса, вызывают ощутимый дребезг стекол в домах на расстоянии до 60 м.

Как правило, пропеллерные ветроустановки располагаются на расстоянии не менее 300 м от жилых домов. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковые колебания уже не может быть выделен из фоновых колебаний.

При эксплуатации пропеллерных ветроустановок в зимний период при высокой влажности воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. При пуске ветроустановки возможен разлет льда на значительное расстояние. Как правило, на территории, на которой возможны случаи обледенения лопастей, устанавливаются предупредительные знаки на расстоянии 150м от ветроустановки.

Кроме того, в случае легкого обледенения лопастей отмечено ухудшения аэродинамических характеристик ветроагрегатов

Визуальное воздействие пропеллерных ветрогенераторов — субъективный фактор. Для улучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмах работают профессиональные дизайнеры. Ландшафтные архитекторы привлекаются для визуального обоснования новых проектов.

Отмечается отрицательное действие пропеллерных установок на фауну – снижение продуктивности скота, изменение путей миграции перелетных птиц. Популяции летучих мышей, живущие рядом с ВЭС на порядок более уязвимы, нежели популяции птиц. Возле концов лопастей ветрогенератора образуется область пониженного давления, и млекопитающее, попавшее в неё, получает баротравму. Более 90% летучих мышей, найденных рядом с ветряками обнаруживают признаки внутреннего кровоизлияния. По объяснениям учёных, птицы имеют иное строение лёгких, а потому более резистентны к резким перепадам давления и страдают только от непосредственного столкновения с лопастями ветряков.

Металлические элементы ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигнала. Чем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. Существуют запреты на сооружение ВЭУ вблизи аэродромов и других объектов, использующих радиотехническое оборудование. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы.

При производстве электроэнергии за счет нерегулируемых источников в промышленных масштабах возникают трудности, связанные с необходимостью постоянного согласования производства электроэнергии с ее потреблением. Достаточно мощная энергосистема, включающая ветроэлектрические установки (ВЭУ) или ветроэлектростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), может компенсировать изменения мощности этих станций. Однако при этом, во избежание изменений параметров энергосистемы (прежде всего частоты), доля нерегулируемых электростанций по мощности не должна превышать, по предварительной оценке, 25-35%.

Для стабилизации электроснабжения автономных потребителей от ветровых и солнечных энергоустановок целесообразно применение электрохимических аккумуляторов энергии.

Для преодоления указанных недостатков ветроэнергетики, присущих использованию пропеллерных ветроэнергетических агрегатов и повышения экономических показателей ветроэнергетики, необходим переход на использование вертикально – осевых ветровых роторных турбин.

Важным в развитии возобновляемой энергетики является реализация проектов строительства гидро - и ветроэлектростанций в районах наиболее удаленных от существующих источников электроэнергии, а также прилегающих к городам Алматы и Талдыкорган.

До 2011 года должен быть обеспечен ввод новых мощностей ГЭС и ВЭС, чтобы перекрыть ожидаемый к этому году небаланс производства и потребления электроэнергии в объеме 550 МВт. В том числе 100 МВт по Талдыкорганскому региону, 450 МВт по г. Алматы и Северному региону Алматинской области, предусматривается выполнить 24 проекта строительства малых и мини ГЭС, а также ВЭС в Джунгарских воротах. Однако выполнение программы зависит от появления источников финансирования.

Возобновляемая автономная энергетика – новое направление в энергетике и может существовать и развиваться обособленно. Целесообразно принятие самостоятельного закона по малой и нетрадиционной энергетике дополнительно к закону «О поддержке использования возобновляемых энергетических ресурсов».