Нетрадиционная и малая электроэнергетика России

1. Общие сведения

2. Энергия ветра

3. Энергия волн

4. Солнечная энергетика

5. Геотермальная энергетика

6. Энергия биомассы

7. Энергия «морского» газа

8. Малая гидроэнергетика Заключение Список использованных источников

Объект исследования — нетрадиционная и малая электроэнергетика России.

Предмет исследования — виды нетрадиционной электроэнергетики (энергия ветра, энергия волн, солнечная энергетика, геотермальная энергетика, энергия биомассы, энергия «морского» газа); особенности их развития и функционирования в настоящее время.

Цель работы — охарактеризовать виды нетрадиционной электроэнергетики России, выявить наиболее перспективные отрасли, в сравнении с мировым развитием альтернативной электроэнергетики, рассмотреть направления по преодолению препятствий на пути развития НВИЭ в России.

1 Общие сведения

Обеспечение жизнедеятельности человека, при все возрастающих его потребностях, связано с ростом производства промышленной продукции, продуктов питания, повышением комфортности среды обитания и т. д. И как следствие этого производственная, научная и творческая деятельность, перемещение в пространстве, свет в жилище и обогрев его, приготовление пищи и в целом вся многогранная жизнь человека связана с потреблением различных видов энергии.

Количество предметов, потребляющих энергию и ведущих прямо или косвенно к загрязнению окружающей среды, растет более высокими темпами, чем численность населения.

Объем вырабатываемой в мире энергии возрос и за последние десятилетия более чем на 50% превышает уровень 70-х годов.

Свыше 90% вырабатываемой энергии приходится на долю ископаемого топлива (угля, нефти, газа).

К настоящему времени человек научился производить ее, в основном, при сжигании ископаемых топлив, ядерного топлива и использовании возобновляемых источников энергии.

Нависшая над окружающей средой угроза, придавшая новый импульс наблюдающемуся технологическому взрыву, состоит в глобальном потеплении, вызванном повышением температуры на земном шаре в результате загрязнения атмосферы, прежде всего воздействием углекислого газа.

Уменьшение вредных воздействий на окружающую среду при сжигании органического топлива для производства различных видов энергии представляется возможным при выполнении следующих положений:

— экологизации технологии получения энергии;

— снижении антропогенной нагрузки путем прямого сокращения вредных выбросов действующими предприятиями.

Экологизация производства предполагает комплекс мероприятий по предотвращению отрицательного воздействия производственных процессов на природную среду. Осуществляется путем разработки малоотходных технологий или технологических цепей, дающих на выходе минимум вредных выбросов.

Технологии экологизации производства энергии осуществляются за счет:

— сокращения вредных выбросов при эксплуатации существующих энергопроизводящих установок малой и средней мощности;

— широкого использования возобновляемых источников энергии.

В соответствии с резолюцией 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г.) в понятие «новые и возобновляемые источники энергии» включаются следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия". 2]

Наиболее быстро сейчас в мире развиваются ветровая энергетика, фотоэлектрические установки и производство принципиально новых энергетических установок — топливных элементов. Суммарная мощность установленных в мире ветроэнергоустановок превысила 30 000 МВт. Выпуск фотобатарей в 1999;2001 гг. увеличивался ежегодно на 15−30%, рост их мощности достиг 300 МВт в год. Весьма перспективно использование топливных элементов, КПД которых может превысить 90%.

Европейский парламент высказался за увеличение доли НВИЭ в общем энергопотреблении в 2010 г. с 6 до 12%, а к 2020 г. — до 20%. 1]

Использование НВИЭ в России имеет свою историю. Так, в начале ХХ века их доля в общем топливно-энергетическом балансе достигала 90%, сегодня она составляет много меньше 1%.

Возврат к ускорению развития нетрадиционной энергетики в России может стать важным экономическим, социально-политическим и экологическим фактором (таблица 1).

Таблица 1 — Ресурсы возобновляемых источников энергии России

2. Энергия ветра

За последние несколько лет ветроэнергетика стала одним из важных направлений в освоении возобновляемых источников энергии. В настоящее время в мире установлено ветроагрегатов общей мощностью около 6000 МВт, в США — 2500 МВт. Осуществляются широкие программы строительства ВЭС в Дании, Германии, Голландии и Японии. Главнейшей задачей в ветроэнергетике является создание надежного и эффективного энергооборудования для ВЭС.

В России ведется освоение головных ветроустановок (ВЭУ) единичной мощностью 250 и 1000 кВт. Первая из 22 ВЭУ Калмыцкой ВЭС мощностью по 1000 кВт — Радуга-1 — введена в работу в октябре 1995 г. Закончено изготовление и начат монтаж второй ВЭУ. В ноябре 1998 года итоги освоения установок «Радуга-1» рассмотрены на НТС РАО «ЕЭС России». Предприятия-изготовители ВЭУ (АО «Тушенский машиностроительный завод» АО «Электросила», и АО «Атоммаш») в случае решения финансовых вопросов могут в 1999 году поставить на площадку оборудование еще для 1−2 установок 1-й очереди Калмыцкой ВЭС в составе 9 установок общей мощностью 9000 кВт.

На Воркутинской ВЭС с 1996 г. находятся в эксплуатации 6 ветроагрегатов мощностью по 200 и 250 кВт, однако монтаж остальных 4 установок, предусмотренных проектом ВЭС не ведется по тем же причинам. Из-за отсутствия инвестиционных средств не осуществляется строительство еще ряда ветроэлектростанций, по которым уже утверждено ТЭО. Это — Приморская ВЭС мощностью 30 МВт (Дальэнерго), Магаданская ВЭС мощностью 50 МВт и Морская ВЭС мощностью 30 МВт (Карелэнерго).

В 1998 году в России введен в эксплуатацию ветряк (ветрогенератор) мощностью 600 кВт фирмы Wind World и АО «Янтарьэнерго» (совместный российско-датский проект), решается вопрос о строительстве ВЭС мощностью 5 МВт[1].

3. Энергия волн

Для волновых энергетических установок (ВлЭУ), используемых в настоящее время для автономного потребителя, мощность ветрового волнения определяется на погонный метр фронта волны. Так, при высоте волны 10 м и периоде 15 сек мощность ВлЭУ может достигать 2000 кВт/п.м.

В реальных условиях ветровые волнения являются нерегулярными и для оценки удельной мощности ВлЭУ необходимо иметь долгосрочные статистические данные по высоте и о периодах волн. В качестве примера можно привести результаты расчета величины возможной выработки электроэнергии ВлЭУ в створе Мезенской ПЭС, где при использовании установки в летний период (зимой залив покрыт толстым слоем льда) выработка может достигнуть 191 млн. квтч/год, что составит лишь 0,4% от выработки ПЭС в этом же створе.

В настоящее время сооружены несколько опытно-промышленных ВлЭУ в Норвегии и Исландии. В 2002 г. введена в эксплуатацию волновая опытная электростанция в Португалии, которая при воздействии волн высотой до 5 м вырабатывает в год 6−10 млн квтч электроэнергии. Как показывает накопленный мировой опыт, удельные капиталовложения в строительство ВлЭУ достигают $ 5000/кВт, и их использование в промышленном масштабе в настоящее время экономически неэффективно. В то же время оказывается экономически обоснованным косвенное использование ВлЭУ, например, при устройстве волноломов морских сооружений для упрощения их конструкций и понижения отметок гребня[1].

Этот вид энергии также подходит для такой континентальной страны, как Россия. Но не следует забывать, что хуже других обеспеченная источниками энергии часть нашей страны — это Дальний Восток. Там существуют хорошие возможности для широкого использования энергии волн и приливов. Так, по проекту Тугурская приливная электростанция на южном берегу Охотского моря по своей мощности должна быть равна двум крупным АЭС, а по затратам на её сооружение — вдвое дешевле.

В число районов России, где положение сейчас нестабильное, входят Курильские острова. Эти районы России не меньше Арктики страдают от нехватки топлива. Однако, эти острова вполне могут обеспечить себя энергией за счёт возобновляемых источников. Существует проект бесплотинной волновой электростанции в проливе Екатерины между Кунаширом и Итурупом. Он вполне способен удовлетворить энергетические потребности обоих основных островов Курильской гряды. 4]

4. Солнечная энергетика

Солнечная энергия используется для преобразования ее в электроэнергию и в тепло. В настоящее время суммарная мировая установленная мощность солнечных электростанций (СЭС) составляет 0,4 ГВт. Мощность маломощных автономных солнечных установок не превышает 500 Вт. Однако на сегодня основную роль солнечная энергия играет в производстве тепла: мировая установленная мощность солнечных тепловых установок равна не менее 1,5 ГВт.

В России экспериментальный комплекс в отрасли теплового преобразования солнечной энергии был создан в Крыму вблизи Алушты в 1987 г., и в том же году на ряде заводов было начато серийное производство солнечных коллекторов с суммарным годовым объемом 60 тыс. м².

Преобразование солнечной энергии в электроэнергию реализуется фотоэлектрическим и термодинамическим методами. Для фотоэлектрического метода используются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с непосредственным преобразованием энергии световых квантов (фотонов) в электроэнергию. Появление ФЭП (монокристаллических кремниевых) было вызвано потребностями космической техники, поскольку солнце является единственным источником энергии в космосе. Впервые в мире применение ФЭП началось в 1958 г. на советском искусственном спутнике. С 60-х годов ФЭП начали применять и на Земле.

Термодинамические установки, преобразующие энергию солнца вначале в тепло, а затем в механическую и далее в электрическую энергию, содержат солнечный котел, турбину и генератор. Наиболее крупная отечественная экспериментальная солнечная электростанция мощностью 5 МВт была введена в опытную эксплуатацию в Крыму в 1985 г. Ее основная идея состояла в создании концентрирующей системы из большого числа плоских вращаемых зеркал-гелиостатов (1600 шт. площадью по 25 м2), посылающих отражение солнечных лучей на котел, располагаемый на башне. Подобные СЭС мощностью 1−10 МВт, также экспериментального назначения, были созданы в Японии, Франции, США и Италии.

В России в настоящее время солнечные установки используются в системах бытовых и промышленных объектов: солнечные коллекторы «НПО Машиностроение» для опреснения воды («Оазис» на 8 л/сутки), сушильные камеры (500 Вт) и горячее водоснабжение (панели с нагревом 100 л воды до 45−90oС летом с вероятностью 70% для средней полосы)[2].

5. Геотермальная энергетика

Геотермальная энергия — один из важнейших нетрадиционных возобновляемых источников энергии, который уже сегодня становится конкурентоспособным на мировом рынке энергии. Мощность действующих ГеоТЭС в мире насчитывает около 6 тыс. МВт, более 2 тыс. строится и более 11 тыс. — намечается построить.

К настоящему времени в России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. куб. м/сутки. По 20 месторождениям ведется промышленная эксплуатация. Среди них можно отметить: Паратунское (Камчатка), Казьминское и Черкесское (Карачаево-Черкессия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край)[1].

В России месторождения высокопотенциальных самоизливающихся парогидротерм имеются только на Камчатке и Курилах, где они могут обеспечить создание ГеоТЭС суммарной мощностью в 1 млн кВт. В 1967 г. на Камчатке была пущена в эксплуатацию первая в России Паужетская ГеоТЭС с мощностью первой очереди 5 МВт, а с 1982 г. мощность была увеличена до 11 МВт. В 1993 г. на острове Кунашир Курильской гряды вошла в строй ГеоТЭС мощностью 500 кВт, а в 1999 г. состоялся пуск трех энергоблоков по 4 МВт на Верхне-Мутновской ГеоТЭС первой очереди. На этой же ГеоТЭС в 2002 г. был введён первый из двух модульных блоков по 25 МВт.

Потенциальная их мощность оценивается в 1000 МВт, ее достаточно для удовлетворения полной потребности этих регионов в электроэнергии. Кроме того, отсепарированная на скважинах вода (конденсат) может направляться для нужд теплоснабжения.

Утверждено ТЭО Океанской ГеоТЭС на о. Итуруп мощностью 30 МВт, но, несмотря на сложность энергоснабжения острова, строительство ее не ведется из-за отсутствия финансовых средств. По этой же причине прекращено в 1997 г. строительство ГеоТЭС мощностью 3 МВт на Каясулинском месторождении (Ставропольский край).

В России годовая добыча геотермальных вод в 80-х годах достигала 60 млн м3, что эквивалентно экономии 600 тыс. т.у.т. Большая часть геотермальной энергии применяется в виде тепла в жилищно-коммунальном и сельском хозяйствах. Так, на Кавказе общая площадь обогреваемых геотермальными водами теплиц составила свыше 70 га[2].

В 1998 г. АО НПО «Нетрадиционная электроэнергетика» совместно АО «Калужский турбинный завод» и АО «ЭНИН им. Г.М. Кржижановского» закончено изготовление опытно-промышленного образца турбины полного потока и начаты его испытания.

Важным вопросом, связанным с освоением геотермальных ресурсов, является освоение ресурсов низкопотенциальных вод, особенно в Центральных районах России, лишенных собственных топливно-энергетических ресурсов, а также использование водоносных горизонтов в качестве подземных теплоаккумуляторов.

Сейчас в геотермальной энергетике используются термальные воды с температурой 100−200oС в вулканических районах с месторождениями парогидротерм, залегающих на небольшой глубине. Обычно пароводная термальная вода извлекается из скважин, пробуренных на глубину 2−5 км, и каждая из скважин способна обеспечить электрическую мощность 4−8 МВт с площади геотермального месторождения около 1 км²[3].

6. Энергия биомассы

Термин «биомасса» объединяет все органические вещества растительного и животного происхождения. В настоящее время во многих странах возродился интерес к использованию древесного топлива на основе баланса сжигаемого и возобновляемого леса. Например, в Швеции и Финляндии доля древесного топлива составляет 17% от всего используемого (для сравнения — в России 0,4%), а в США создаются плантации для выращивания «энергетической» древесины из быстрорастущих лиственных пород.

Запасенная в биомассе энергия может быть преобразована в технически удобные виды топлива или энергии путем термохимической или биотехнологической конверсии биомассы в биогаз или высококачественное экологически чистое удобрение. Установки по биотехнологической переработке биомассы, главным образом отходов животноводства и птицеводства, получили массовое распространение в странах Европы и Азии.

Годовой объем биомассы России оценивается в 390 млн. тонн (в пересчете на сухое вещество). Однако практического применения на уровне промышленного использования энергия биомассы в России пока не получила.

Одним из главных направлений биоэнергетики в России должна быть утилизация древесных отходов. Не меньший интерес для энергетиков представляет и утилизация отходов сельского хозяйства, которых в России ежегодно накапливается 700 млн. т.

Большой потенциал есть и в области производства биотоплива для автомобилей — биодизеля и биоэтанола. В России сейчас свободно 20 млн. га пашенных земель, и их можно использовать для выращивания различных сельскохозяйственных культур — прежде всего рапса, из которого производится биодизель.

Что касается биоэтанола, который можно получать из зерновых культур, свеклы, картофеля, то его производство в России пока нерентабельно — биоэтанол, как и другие виды спирта, облагается акцизами. Впрочем, в скором времени акцизы могут быть отменены — соответствующий законопроект уже подготовлен.

В ближайшие годы в России планируется запуск 20−25 предприятий по производству биодизеля и биоэтанола. Однако биоэтанол, по мнению ряда экспертов, не будет востребован за рубежом. А перспективы роста внутреннего спроса на биоэтанол как топливо для автомобилей неясны. В то же время, на биодизель, если качество его будет высоким, покупатели найдутся — особенно в Европе, где популярны автомобили с дизельным двигателем[5].

7. Энергия «морского» газа

МГД-газотурбинные комбинированные морские электростанции на природном газе (КЭС) предназначены для эксплуатации непосредственно на морском (шельфовом) месторождении газа.

Сооружение КЭС предложено РНЦ «Курчатовский институт» с привязкой к разрабатываемому сейчас проекту освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения в Баренцевом море и для других удаленных месторождений на Арктическом шельфе России. Для Штокмановской КЭС рассмотрен вариант преобразования химической энергии газа в электрическую с использованием размещаемой на морской платформе комбинированной электростанции (на основе МГД-генераторов и газотурбинных установок) мощностью 16 ГВт, потребляющей 590 кг/сек природного газа.

КЭС состоит из 4 автономных идентичных энергоблоков мощностью по 4 ГВт, в состав каждого из которых входит дисковый. МГД-генератор работает на инертном газе (Ar) высокого давления (2,5 МПа), ГТУ — на продуктах сгорания природного газа. Размещение КЭС осуществляется на платформе 140×140 м, полная масса которой составит около 60 000 т. В качестве опорной конструкции для размещения КЭС предлагается использовать морские платформы типа платформы Тролль, установленной в Северном море. Предполагается, что платформа с КЭС разместится рядом с газодобывающей платформой. Передача электрической энергии будет осуществляться постоянным током напряжением 500 кВ по подводному кабелю на берег.

Для КЭС разработаны предложения по безопасности, связанные с выбросом в окружающую среду тепла и продуктов сгорания, а также возможности использования остаточного тепла для снижения ледовых нагрузок на платформу[2].

8. Малая гидроэнергетика

ветроэнергетика биодизель электростанция россия Важнейшим направлением нетрадиционной энергетики является использование энергии малых водных потоков для сооружения малых и микро-ГЭС. В настоящее время в России работает около 300 малых ГЭС суммарной мощностью около 1000 МВт, однако гидропотенциал малых водных потоков России практически не используется (используется лишь 1% потенциальной мощности). В отрасли имеется программа развития малой гидроэнергетики до 2010 года, согласно которой намечалось ввести 800 МВт мощности.

Сложившаяся в 60−80-х годах тенденция в строительстве ГЭС ориентировалась на сооружение станций большой мощности. За этот период в стране количество малых ГЭС сократилось в десятки раз. Утраченное было производство гидроагрегатов малой мощности снова начинает возрождаться. К настоящему времени освоен выпуск большого числа гидроагрегатов на малые и средние напоры мощностью в десятки и сотни кВт. Однако на сегодня не освоено производство малых гидроагрегатов, рассчитанных на работу с малым (2−5 м) напором и большим потоком воды, что как нельзя лучше соответствовало бы условиям большинства рек Центральной России и других регионов.

В настоящее время проектирование и строительство малых ГЭС ведется на Северном Кавказе (ГЭС «Голубые озера», ГЭС-3 на канале Баксан-Малка, Усть-Джегутинская МГЭС, Гергебельская МГЭС), Урале (МГЭС в совхозе «Татауровский»), Сибири (МГЭС на реке Тоора-Хем), Дальнем Востоке (МГЭС на р. Быстрой, каскад Толмачевских МГЭС), Калининградской (Правдинская ГЭС) и Кировской областях.

К 1990 г. малых ГЭС в России насчитывалось всего 55. Но в последние годы интерес к малым ГЭС вновь возрос из-за высоких цен на газовое и мазутное топливо для крупных электростанций, значительных затрат на эксплуатацию линий электропередачи 10−35 кВ при энергоснабжении удаленных потребителей электроэнергии, возросших требований к охране окружающей среды, стремления собственников промышленных и сельских предприятий к энергетической независимости.

В настоящее время технический потенциал малых ГЭС России оценивается в 357 млрд. квтч/год. Природные условия, характерные для европейской части России, могут обеспечить выработку электроэнергии на малых ГЭС, полностью удовлетворяющую потребности районов, экономика которых ориентирована на сельхозпроизводство. Строительство малых ГЭС позволяет также эффективно использовать водные ресурсы рек в целях водоснабжения, рыболовства, транспорта и пр.

Заключение

Несмотря на то, что производство электрической и тепловой энергии на основе нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в российской электроэнергетике невелико, заинтересованность, однако, в создании новых энергоустановок нетрадиционной энергетики, как и во всем мире, непрерывно растет. В настоящее время эксплуатируются и строятся электрогенерирующие установки на возобновляемых источниках энергии региональными энергокомпаниями Камчатскэнерго, Ставропольэнерго, Комиэнерго, Дагэнерго, Калмэнерго, Каббалкэнерго, Кубаньэнерго, Колэнерго, Янтарьэнерго. Проектируются нетрадиционные электростанции в АО «Магаданэнерго», «Дальэнерго», «Ленэнерго», «Карелэнерго», «Сахалинэнерго"[3].

Для развития отечественных нетрадиционных источников энергии в настоящее время представляется необходимым:

— установить уровни объемов использования энергии в различных регионах страны, где есть для этого необходимый потенциал;

— устранить существующие барьеры и сократить субсидии для иных источников энергии, мешающих развитию возобновляемых источников энергии;

— принять законодательные акты для защиты и развития нетрадиционных источников энергии[2].

В проекте «Энергетической стратегии России» рассмотрены мероприятия и направления по преодолению препятствий на пути развития НВИЭ. К ним относятся: вывод этих источников на рынок электрической энергии по приемлемым ценам, внесение изменений в строительные нормы для зданий и сооружений, создание соответствующей машиностроительной базы.

Список использованных источников

1. Сайт цифровых учебно-методических материалов ВГУЭС [Электронный ресурс] - Альтернативные источники энергии.- М., 2010.-Режим доступа: http:// abc.vvsu.ru.- Дата доступа: 01.03.2013 г.

2. Рейтинговое агентство «ЭКСПЕРТ РА» Бизнес-справочник «Электроэнергетика России» [Электронный ресурс] - Нетрадиционная энергетика.- СПБ., 2012.-Режим доступа: http:// http://www.raexpert.ru.-Дата доступа: 01.03.2013 г.

3. Новости электротехники — информационно-справочное издание [Электронный ресурс] - Малая и нетрадиционная энергетика России — Пермь, 2012. -Режим доступа: http://www.news.elteh.ru.- Дата доступа: 01.03.2013 г.

4. Большая онлайн библиотека [Электронный ресурс] - Энергия волн и приливов. — М, 2011. Режим доступа: http://www.e-reading-lib.org.- Дата доступа: 01.03.2013 г.

5. Интернет-ресурс компании ООО «АЭнерджи» [Электронный ресурс] - «Биотопливо в России: мифы и реальность». Итоги конференции. — М, 2010. Режим доступа: http://aenergy.ru.- Дата доступа: 01.03.2013 г.