Преимущества использования солнечной энергии, и её производных в малой энергетике Омской области

Если мы обратимся к литературе, то технический потенциал части видов ВИЭ в России огромен. Потенциал, который может быть реализован на современном уровне развития техники в России составляет 4,6 млрд т у. т. Это в 5 раз больше общего энергопотребления. Если говорить о цифрах по различным видам ВИЭ, то они представлены в таблице 6 из источника [Алексеенко С. В. Нетрадиционная энергетика и энергоресурсосбережение / С. В. Алексеенко // Инновации Технологии Решения. 2006. № 3. С. 36 — 39.] и [Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт [Текст]: ч. 1 / под ред. В. П. Горелова, С. В. Журавлева, В. А. Глушец. — Омск: Иртышский филиал ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», 2007. — 265 с. (Труды 3-й международной науч.-техн. конф., 5 — 8 июня 2007)].

Таблица 6

Технический потенциал ВИЭ в России (Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск).

Как следует из таблицы 6 для России технические потенциалы солнечной и ветровой энергии на порядок превосходят остальные виды ВИЭ.

К серьезным недостаткам этих ВИЭ, ограничивающих их широкое практическое применение, относятся невысокая плотность энергетических потоков и их непостоянство во времени и, как следствие этого, необходимость значительных затрат на оборудование, обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразование энергии.

Так, например, плотность потока солнечного излучения на поверхность земли в полдень ясного дня составляет всего около 1 кВт/м², а его среднегодовое значение (с учетом сезонных и погодных колебаний) для самых солнечных районов земного шара не превышает 250 Вт/м² (для средней полосы России 120 Вт/м²).

Средняя удельная плотность энергии ветра, как правило, не превышает нескольких сотен Вт/м². Так при скорости ветра 10 м/с удельная плотность потока энергии (Е = ??сV³, с — плотность воздуха, V — скорость ветра) приблизительно равна 500 Вт/м².

Плотность энергии водного потока, имеющего скорость 1 м/с, также составляет всего около 500 Вт/м². Для сравнения укажем, что плотность теплового потока на стенках топки парового котла достигает нескольких сотен кВт/м².

Однако, несмотря на это, технологии использования этих видов ВИЭ активно развиваются во многих странах мира, многие из них достигли коммерческой зрелости и успешно конкурируют на рынке энергетических услуг, в том числе при производстве электрической энергии. Хотя неустойчивость ветра приводит к необходимости применения средств аккумуляции энергии, что удорожает установку, и в целом стоимость получаемой энергии оказывается выше, чем на гидроэлектростанциях (ГЭС) и теплоэлектростанциях.

При современных аэродинамически совершенных винтах и преобразующих устройствах 2,6•10⁶ м² фронта ветра могут дать мощность 150 МВт при любой скорости ветра, превышающей 6 — 8 м/с. Обычно в мировой практике принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 5 — 6 м/с, то использование ветроэлектрических установок (ВЭУ) на территории перспективно.

К особенностям этих видов ВИЭ относится то, что они в максимальном своем проявлении как бы «затеняют» друг друга, особенно в летний период. Так, если сильный ветер, при перемене погоды, то обычно большая облачность и меньше инсоляция, а при слабом ветре — больше интенсивность солнечного излучения. При солнечной погоде, когда нет облаков, обычно не бывает сильных ветров. Длительная жаркая (без дождей) погода, практически безветренная, способствует образованию смога, уменьшает сток рек, а значит и выработку электроэнергии на ГЭС.

Во время дождя плоские солнечные коллекторы быстро охлаждаются. А после дождя, когда воздух очищен от пыли и аэрозолей, инсоляция повышена, поскольку плотность влажного воздуха меньше, чем сухого, при одинаковых условиях, т.к. молекулярная масса паров воды меньше, чем средняя молекулярная масса воздуха, «работоспособность» ветра понижается. Сила ветра влияет на возможность гелиооборудования принимать и сохранять аккумулированную солнечную энергию. Так чем сильнее ветер, тем больше потери тепла из плоских солнечных коллекторов, а также меньшее количество солнечного излучения проникает в солнечный соляной пруд.

Если небо облачное, то вода (теплоноситель) в плоском солнечном коллекторе, когда Солнце «выходит» из-за туч на непродолжительное время не всегда успеет нагреться до рабочей температуры. Поэтому когда Солнце «заходит» за тучу, теплоноситель остывает, без аккумулирования теплоты, например, водяным баком-аккумулятором. При определенной периодичности чередования солнечных и пасмурных периодов в течение дня аккумулятор может и не восполнить запас теплоты.

Если изложенное выше соотнести с территориями, то, несомненно, на Севере потенциал энергии ветра многократно выше, чем в средней полосе России, а солнечный наоборот, ниже, чем, например, в Омской области.

В направлении экономии энергетических ресурсов в России делаются определенные шаги по развитию и геотермальной энергетики на равнинных территориях, где отсутствует вулканическая деятельность, в частности в Омской области. Всего в регионе разведано около сотни термальных подземных источников, которые можно было бы использовать как в коммунальных, так и в промышленных целях. Источники расположены на глубине 600 — 900 м с температурой на устье скважины свыше 60? С.

Однако при освоении этих геотермальный месторождений был достигнут лишь кратковременный положительный результат, не приведший к окупаемости капвложений. Так в селе Чистово Оконешниковского муниципального образования, геотермальная котельная подтвердила в морозы свою эффективность только в период пуска и срока эксплуатации в течение всего нескольких лет. В этот период геотермальная котельная позволила значительно сэкономить деньги Оконешниковского муниципального образования. В селах, где до этого работали мазутные котельные, по ценам 2010 года 1 Гкал обходилась в 2600 рублей. А стоимость тепла от термальных вод составила 1600 рублей за Гкал. За отопительный сезон геотермальная котельная сэкономила бюджету 1,7 млн рублей. При таких показателях она должна была окупиться за 7 — 8 лет. Однако сейчас ситуация изменилась, поскольку «производительность» геотермальной скважины начала падать. И масштабное освоение геотермального месторождения отложено.

Геотермальная котельная в селе Чистово была построена в 2006 году в рамках региональной программы освоения альтернативных теплоисточников. На её строительство было потрачено 16 млн рублей из областного бюджета. При этом структура затрат на теплоснабжение в селе кардинально изменилась. Более 50% расходов — это электроэнергия, которая приходит по ЛЭП. Остальное — заработная плата персонала, обслуживающего котельную. В селе не стало проблем с тем, завезли или не завезли мазут. Вода с температурой 70? С поступала прямо из-под земли. Это, конечно же, очень важно. В образовании десятки поселков находятся в 130 км от областного центра и в 100 км от железной дороги [Медведев А. Термальное отопление доказало свою эффективность/ А. Медведев // Энергосбережение в Сибири. 2010. № 1. С. 92 — 93].

Падение «производительности» геотермальных скважин присуще большинству месторождений. Так анализ работы геотермальных элепктростанций в Новой Зеландии и Италии показал, что со временем падают давление и температура в скважине и в отдельных местностях значительно оседает поверхность земли вокруг скважины на площади примерно 6 км², а производительность скважины убывает по экспоненциальному закону. Это подтверждается исследования Дядькина Ю. Д. и Парийского Ю. М. [Дядькин Ю.Д., Парийский Ю. М. Извлечение и использование тепла Земли. Л.: 1997].

Эти два примера использования ВИЭ наглядно показывают, каким взвешенным должен быть выбор использования дополняющих друг друга ВИЭ, как на региональном, так и на муниципальном уровне. Снижение теплоотдачи геотермально источника наводит на мысль возможности его крайне ограниченного использования в Омской области только в зимний период, возложив на солнечную энергетику, и в отдельных муниципальных образованиях дополнительно на энергию ветра широкое обеспечение потребителей летом тепловой и электрической энергией и ограниченно зимой.