Комбинированное использование энергоустановок на основе возобновляемых источников для электроснабжения локальных потребителей

В настоящее время в мире все больше и больше обсуждается проблема перехода к устойчивому развитию сообщества нации, развитых, развивающихся, слаборазвитых стран или регионов со своими географическими, национальными и историческими особенностями. Одним из общих определяющих параметров устойчивости развития является энергетика (энергоресурсы, потребление, выработка, установленная мощность и т. п.). Создание устойчивой системы энергообеспечения потребителей — необходимое условие обеспечение устойчивости экономического, политического и индустриального развития общества.

До сегодняшнего дня в мире более 90% всей потребляемой человеком энергии, приходится на долю органического топлива. Тем не менее, осознание того, что этот ресурс рано или поздно закончится, говорит о принятии определенных мер для существенных структурных изменений в ресурсной основе всего мирового энергетического сектора.

Сокращение запасов органического топлива усугубляется нерациональным и некомплексным использованием сырья, а также загрязнением окружающей среды. Эта тенденция, а также постоянный рост потребности в энергии выдвигают требования поиска альтернативных источников энергии и эффективного использования имеющихся ресурсов. По мнению многих специалистов в качестве последних могут служить возобновляемые источники энергии (ВИЭ).

О необходимости масштабного использования ВИЭ сегодня упоминается в серьезных государственных и международных программах, в специальной и популярной литературе, о них много говорится на различных форумах и конференциях. По инициативе ЮНЕСКО постоянно проводятся мероприятия, призывающие обратить внимание различных стран мира на необходимость и важность поддержки внедрения ВИЭ в практику, и это имеет за собой теоретические и практические основания. А в целом внедрение энергооборудования на основе ВИЭ имеет для каждой страны существенную целесообразность и актуальность.

Энергия возобновляемых источников поистине огромна и превышает объем годовой добычи всех видов углеводородного сырья. Важно отметить то, что их использование возможно практически во всех регионах мира, в том числе и в Казахстане.

Положительной стороной ВИЭ является то, что их использование не изменяет энергетический баланс планеты, что и послужило причиной бурного развития нетрадиционной энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии. ВИЭ играют значительную роль в решении трех глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетика, экология и продовольствие.

Несмотря на то, что Казахстане имеются огромные запасы углеводородных энергоресурсов, здесь базируются огромные запасы и возобновляемых источников энергии. Однако для их участия в энергетическом балансе страны оставляет желать лучшего (около 2 — 3%).

В настоящее время одними из главных проблем для энергетики Казахстана считается острая нехватка электроэнергии в южном регионе республики. Причиной этому послужило: критически высокая степень износа основных производственных мощностей электростанций Казахстана (до 58,5%) — высокие потери электроэнергии при ее транспортировке по межрегиональным и региональным электросетям (до 60% и более) — острый дефицит инвестиционных ресурсов в отраслях энергетики Казахстанасильно изношенное состояние почти половины электрои тепловых сетей республики. Кроме того, южный регион Казахстана отличает ограниченное количество электростанций, а также ограниченное количество электростанций и подстанций в этом регионе. В связи с этим, одной из главных социальных задач энергетики Казахстан на сегодняшний день является надежное обеспечение электроэнергией потребителей южного Казахстана, особенно тех, которые расположены в районах децентрализованного электроснабжения. Для таких потребителей использование ВИЭ является наиболее перспективным направлением.

Альтернативная энергетика для Казахстана — это важная и разноплановая проблема. Доведение доли использования ВИЭ в целом по Казахстану до 20 -30% от общего энергобаланса, ну, а в последствие увеличение этого показателя, смогло бы сыграть важную роль при полном исчерпании ископаемых ресурсов. А совместная межгосударственная деятельность специалистов в области нетрадиционных технологий, а также со специалистами России и зарубежья, повысила бы стимул к внедрению таких технологий в энергетику региона. При этом решилась бы проблема рационального и эффективного использования топливно-энергетических ресурсов и сокращения вредного воздействия энергетического сектора на окружающую среду. И главным для этого считается необходимость применения соответствующего государственного регулирования с целью создания условий для привлечения инвестиций в энергосбережение, развитие ВИЭ.

Актуальность темы

диссертационной работы определяется тенденцией развития энергетики Казахстана, и необходимостью решения энергетических проблем, связанных с энергосистемой региона, и, прежде всего, проблем энергоснабжения труднодоступного от централизованной системы потребителя. При этом достичь высокого социального эффекта и минимального воздействия на окружающую среду.

Целью диссертационной работы является комплексное изучение и обоснование возможностей эффективного использования ВИЭ в микроэнергосистемах для энергообеспечения автономного потребителя южного Казахстана. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1) проведение оценки ресурсов ВИЭ в Казахстане, с целью определения экономически-эффективного потенциала и расчета технико-экономической целесообразности использования ВИЭ в южном Казахстане;

2) проведение районирования южного Казахстана по потенциалу ВИЭ и выявление регионов благоприятных для комплексного их использования;

3) проведение анализа особенностей микроэнергосистем на основе ВИЭ и технических схем с учетом специфики регионов;

4) выявление основных базовых принципов проектирования и технико-экономического обоснования строительства автономных систем энергоснабжения на основе ВИЭ;

5) разработка методики обоснования выбора микроэнергосистем на основе ВИЭ для децентрализованного потребителя южного Казахстана и выявления их эффективности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• оценены и определены теоретические и возможные к использованию энергоресурсы возобновляемых источников южного Казахстана;

• проведено районирование южного Казахстана по регионам республики, благоприятных для комплексного применения ВИЭ;

• сформулированы основные принципы и этапы проектирования микроэнергосистем на основе ВИЭ;

• обоснована возможность комплексного использования ВИЭ для электроснабжения автономного потребителя в условиях юга Казахстана.

• проведено технико-экономическое обоснование целесообразности использования микроэнергосистем на основе ВИЭ на территории юга республики.

Достоверность полученных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы и не противоречат известным методам и подходам, применяемых в научно-технических основах использования ВИЭ.

Практическая значимость работы Представленная работа, содержит основные принципы формирования и строительства микроэнергосистем на базе ВИЭ, определяющие направления стимулирования и развития использования ВИЭ для устойчивого энергоснабжения потребителей Казахстана.

Результаты исследования направлены на повышение конкурентоспособности и эффективности использования данных энергосистем на основе ВИЭ, что крайне важно для улучшения экологической и социальной обстановки, особенно в энергодефицитных регионах страны.

Личный вклад автора определяется разработкой новых подходов к использованию ВИЭ в микроэнергосистемах для электроснабжения автономных потребителей южного Казахстана, разработкой метода по обоснованию выбора энергообъекта на основе ВИЭ, а также созданию основных схемных решений при формировании структуры и проектировании микроэнергосистем на основе ВИЭ.

Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на различных семинарах, конференциях, симпозиумах: Международная научно-практическая конференция «Возобновляемая энергетика 2003: состояние, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2003) — Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2004) — Всероссийская научно-практическая конференция аспирантов и молодых ученых «Энергои ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2004) — Международная научно-практическая конференция «Использование нетрадиционных и возобновляемых видов энергии и способы ее хранения» (Москва, 2004).

Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 8 работ и 2 учебных пособия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований. Общий объем работы составляет 134 страницы машинописного текста.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Решение важной научной и народнохозяйственной задачи повышения эффективности использования возобновляемых источников и энергообеспечения потребителей республики Казахстан, потребовало проведения комплексных исследований, основные результаты которых могут быть сформулированы следующим образом:

1) проведенный анализ современного состояния энергетики Казахстана показал, что республика располагает ограниченным количеством электростанций (в основном тепловых, работающих на углеводородном топливе), которые размещены весьма неравномерно. При этом на огромной территории республики (2,72 млн. км) насчитывается всего лишь около 100 узловых подстанций напряжением 220 кВ и вышерасстояния между ними нередко достигают 500 — 800 км. Плотность центров питания в Казахстане в 8 раз ниже, чем в Европейской части бывшего Союза. При этом в настоящее время одними из главных проблем для энергетики Казахстана считается острая нехватка электроэнергии в южном регионе республики, особенно у потребителей, удаленных от централизованного энергоснабжения;

2) большая разбросанность на территории южного Казахстана малых городов, райцентров, поселков, хозяйственных точек и производственных объектов, в которых проживает преобладающая часть населения, обусловливает сооружение весьма протяженных линий электропередачи, плечо которых нередко доходит до 300 — 400 км при значительном числе ответвлений, что в свою очередь становится нецелесообразным. В результате чего в регионе существует множество децентрализованных потребителей, в строительство распределительных линий многократно превышает оптимальный радиус электроснабжения, крайне удорожает эксплуатацию распределительной сети, ухудшает режим работы и приводит к большим технологическим потерям электроэнергии;

3) современное состояние электроэнергетической отрасли республики таково, что определяющим фактором становятся не только проблемы выработки электроэнергии, сколько проблемы ее доставки потребителям. При отказе распределительной сети электроэнергия, выработанная на электростанциях или поступившая из-за рубежа, не сможет быть доставлена до потребителя. Это новая стратегическая ситуация, требующая привлечения к себе самого пристального внимания и выработки принципиально новых подходов.

Резюмируя вышеизложенное, следует отметить, что перед Казахстаном стоит важная задача — обеспечение роста производства электрической энергии. Решение этой задачи может идти различными путями. Это строительство, техническое перевооружение и расширение существующих электрических станций, внедрение ресурсосберегающих технологий и т. п, в основном в целях энергоснабжения сельских децентрализованных потребителей. При этом нельзя сбрасывать со счетов использование возобновляемых источников энергии.

Учитывая это, в работе решены следующие целесообразные направления:

1. Проведен анализ современного состояния энергетики Казахстана и выявлены наиболее острые проблемы электроэнергетической отрасли;

2. Проведен анализ децентрализованных потребителей республики и южного Казахстана, и определены наиболее целесообразные и перспективные направления обеспечения их потребностей, с целью решения экономической, социальной и экологической ситуации в районе их расположения;

3. Проведена оценка потенциала ВИЭ в регионах республики;

4. Установлены наиболее перспективные для использования в целях энергетики возобновляемые источники энергии для перспективных районов республики Казахстан и проведено районирование территории республики на регионы благоприятные для комплексного использования ВИЭ;

5. Приведены методики определения энергетического потенциала ВИЭ, применительно к условиям Казахстана;

6. Приведены основные пути решения проблем электроснабжения децентрализованных потребителей на базе автономных микроэнергосистем на основе ВИЭ;

7. Предложены схемы микроэнергосистем на основе ВИЭ, указаны их преимущества и недостатки при энергоснабжении автономного потребителя;

8. Представлена методика выбора параметров микроэнергосистемы на основе ВИЭ, а также разработаны основные принципы при проектировании энергосистем на ВИЭ;

9. На примере Жамбылской области южного Казахстана проведено обоснование выбора микроэнергосистемы на основе ВИЭ для целей электроснабжения сельского населенного пункта. Определена средняя выработка электроэнергии микроэнергосистемы и показано обеспечение графика нагрузки потребителя;

10. Определены основные экономические показатели выбранной микроэнергосистемы на основе ВИЭ и обоснована экономическая целесообразность использования микроэнергосистем на основе ВИЭ в южном Казахстане.

Задачей дальнейших исследований является проведение полных климатических исследований по Казахстану с целью определения точных данных по ресурсам ВИЭ и внедрения альтернативных технологий на их основе. А также разработка проектов, связанных с развитием эффективной электроэнергетической отрасли, основанных на снижении воздействий на окружающую среду, и поднятием социального и экономического статуса всего региона.