Энергетика

Низкопотенциальное тепло  также относят к возобновляемым источникам энергии. Использование  систем теплонасосного отбора рассеянного  тепла поверхностных слоев грунта обеспечивают более чем 3-х кратную  экономию электроэнергии при выработке  тепла.

Стоимость возобновляемой энергии

Один из основных аргументов против использования НВИЭ - их "дороговизна". Однако приведенные в таблице 1 данные по средней стоимости электроэнергии, полученной от различных источников энергии на электростанциях стран  ЕС (в центах за кВт. ч), свидетельствуют  об обратном: одной из самых дорогих  оказывается энергия, полученная на АЭС. Все остальные источники (за исключением фотоэлектрических станций) значительно дешевле.

 

Таблица 1.

Электростанции на органическом и  ядерном топливе, цент/кВт ч	Электростанции на возобновляемых источниках энергии, цент/кВт ч
Станции на газе – 6,4	Гидроэлектростанции – 4,1
	Геотермальные электростанции – 7,3
Станции на угле – 5,2	Ветроэлектростанции – 6,5
	Геотермальные станции – 6,0
Атомные элеткростанции - 12	Станции на отходах деревообработки  – 6,4
	Солнечные фотоэлектрические станции  – 28,0

 

Согласно официальным  оценкам, экономический потенциал  ВИЭ в Казахстане представлен  в таблице 2.

 

Ресурсы	Валовые потенциал, млн т.у.т./год	Технический потенциал, млн.т.у.т./год	Экономический потенциал, млн т.у.т./год
Малая гидроэнергетика	360	125	65
Геотермальная энергия	*	*	115
Энергия биомассы	10х103	53	35
Энергия ветра	26х103	2000	10
Солнечная энергия	2,3х106	2300	12,5
Низкопотенциальное тепло	525	105	31,5
Итого	2,3х106	4583	270

 

Однако энергия большинства  НВИЭ обладает малой плотностью потоков  энергии (рассеянностью или низким удельным потенциалом) и нерегулярностью  поступления, зависящей от климатических  условий, суточных и сезонных циклов. Поэтому для эффективного использования  НВИЭ, собственно ветра, солнца, морских  волн и др., необходимо решить ряд  инженерных задач по созданию экономичных  и надежных устройств и систем, воспринимающих, концентрирующих и  преобразующих эти виды источников энергии в приемлемую для потребителя  тепловую, механическую и электрическую энергию. Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения за счет НВИЭ, особенно автономных потребителей, система должна быть укомплектована аккумуляторами и преобразователями. Особенно перспективны гибридные системы, использующие одновременно два или несколько видов НВИЭ, например солнце и ветер, взаимно дополняющих друг друга, в сочетании с аккумулятором и резервным двигателем внутреннего сгорания в качестве привода электрогенератора.

При существующем соотношении  цен на органическое топливо и  оборудование уже сегодня имеются  зоны экономически эффективного применения НВИЭ и в Казахстане.

По электроэнергии - это  районы автономного электроснабжения, особенно использующие привозное топливо, а также территории дефицитных энергосистем.

По теплу - это практически  вся территория Казахстана, особенно районы с привозным топливом, экологически напряженные населенные пункты и  города, а также места массового  отдыха населения.

 

1.2 Использование возобновляемых источников энергии

 

 

Ветровая энергетика.

Использование энергии ветра  сегодня чрезвычайно динамично  развивающаяся отрасль мировой  энергетики. Если суммарная установленная  мощность ветровых энергоустановок (ВЭУ) в мире в 2000 году составляла 17,8 ГВт, то в 2002 году она достигла уже 31,1 ГВт. По данным 2002 г. странами-лидерами по установленной  мощности (ГВт) ВЭУ являлись:

Германия - 12;

Испания - 4,8;

США - 4,7;

Дания - 2,9;

Индия - 1,7.

Тенденцией последних  десятилетий является непрерывный  рост единичной мощности сетевых  ВЭУ. Еще 10 лет назад типичной ВЭУ  в составе ветровых ферм была установка  мощностью 300-500 кВт. В 2000-2002 годах серийной стала ВЭУ мощностью 1÷1,2 МВт. Некоторые  фирмы начали производить еще  более крупные установки - до 4,5 МВт  в основном для применения на шельфе, где наиболее благоприятны характеристики ветра. Это приводит к снижению стоимости  установленного киловатта, которая  сегодня находится на уровне 1000 долл. /кВт, и стоимости вырабатываемой электроэнергии.

При благоприятных характеристиках  ветра стоимость электроэнергии, вырабатываемой крупной ветровой фермой, приближается к стоимости на топливных электростанциях. Все крупные ВЭУ работают совместно с сетью, и их суммарная мощность не должна превышать 15-20% от емкости сети.

В России до недавнего времени  развитию ветроэнергетики не уделялось  должного внимания. Разрабатывавшиеся  в конце прошлого века ВЭУ мощностью  в 250 кВт не были доведены до необходимых  требований по надежности и эффективности. Аналогичной оказалась судьба разработки ОКБ "Радуга" ВЭУ мощностью  в 1 МВт.

В отличие от производства крупных ВЭУ, в Казахстане имеется  довольно развитая производственная база по выпуску автономных ветроустановок малой мощности: от 0,04 до 16 кВт, в  том числе ветро-дизельные агрегаты. Около 10 изготовителей готовы выпускать  такие ВЭУ, а некоторые из них  поставляют свои изделия заграницу. В Казахстане потенциальный рынок  для таких установок велик, однако, расширение выпуска не происходит из-за малого платежеспособного спроса. Для  более широких поставок заграницу, прежде всего в развивающиеся  страны, необходима сертификация установок  по международным стандартам и наладка  гарантийного и сервисного обслуживания.

Малая гидроэнергетика.

К малым ГЭС условно  относят гидроэнергетические агрегаты мощностью от 100 кВт до 10 МВт. Меньшие  агрегаты относятся к категории  микро-ГЭС. Суммарная мощность малых  ГЭС в мире сегодня превышает 70 ГВт.

Малая гидроэнергетика за последние десятилетия заняла устойчивое положение в электроэнергетике  многих стран мира. В ряде развитых стран установленная мощность малых  ГЭС превышает 1 млн. кВт (США, Канада, Швеция, Испания, Франция, Италия). Они  используются как местные экологически чистые источники энергии, работа которых  приводит к экономии традиционных топлив, уменьшая эмиссию диоксида углерода. Лидирующая роль в развитии малой  гидроэнергетики принадлежит КНР, где суммарная установленная  мощность малых ГЭС превышает 13 млн. кВт. В развивающихся странах  создание малых ГЭС как автономных источников электроэнергии в сельской местности имеет огромное социальное значение. При сравнительно низкой стоимости установленного киловатта  и коротком инвестиционном цикле  малые ГЭС позволяют дать электроэнергию удаленным от сетей поселениям.

В Казахстане энергетический потенциал малых рек не очень  велик. Число малых рек едва превышает 2,5 тыс. По оценкам специалистов сегодняшними доступными средствами на малых ГЭС  в Казахстане можно производить  около 120 млрд. кВтч электроэнергии в  год.

В середине прошлого века на территории СССР работало большое количество малых ГЭС, однако, впоследствии предпочтение было отдано крупному гидроэнергостроительству, и малые ГЭС постепенно выводились из эксплуатации. Сегодня интерес  к малым ГЭС возобновился. Несмотря на то, что их экономические характеристики уступают крупным ГЭС, в их пользу работают следующие аргументы. Малая  ГЭС может быть сооружена даже при нынешнем дефиците капиталовложений за счет средств частного сектора экономики, фермерских хозяйств и небольших предприятий. Малая ГЭС, как правило, не требует сложных гидротехнических сооружений, в частности, больших водохранилищ, которые на равнинных реках приводят к большим площадям затоплений. Сегодняшние разработки малых ГЭС характеризуются полной автоматизацией, высокой надежностью и полным ресурсом не менее 40 лет. Малые ГЭС позволяют лучше использовать солнечную и ветровую энергию, так как водохранилища ГЭС способны компенсировать их непостоянство.

В 90-е годы в Казахстане проблема поставок оборудования для  малых и микро-ГЭС в основном была решена. Особенно привлекательно создание малых ГЭС на базе ранее  существовавших, где сохранились  гидротехнические сооружения. Сегодня  их можно реконструировать и технически перевооружить. Целесообразно использовать в энергетических целях существующие малые водохранилища, которых в  Казахстане более 200.

В стране имеется ряд предприятий, производящих и продающих гидроэнергетическое  оборудование, отвечающее самым современным  требованиям и не уступающее лучшим мировым образцам. С использованием этого оборудования малые ГЭС  могут создаваться как полностью  автономные, так и работать на сеть. Последнее требует разработки законодательства, регламентирующего взаимоотношения  между индивидуальными производителями  электроэнергии и сетью.

Солнечная энергия.

Наиболее просто использовать солнечную энергию для получения  тепла для горячего водоснабжения. Солнечные водонагревательные установки (СВУ) широко распространены в странах  с жарким климатом. Например, в Израиле  закон требует, чтобы каждый дом  был оснащен СВУ. В США СВУ  повсеместно используются для подогрева  воды в бассейнах. Вклад СВУ в  энергетический баланс США эквивалентен примерно 2 млн. тут в год. Основным элементом СВУ является плоский  солнечный коллектор, воспринимающий солнечную радиацию и преобразующий  ее в полезное тепло. Поэтому обычно масштаб использования СВУ оценивают  площадью установленных солнечных  коллекторов. Суммарная площадь  коллекторов, установленных сегодня  в мире оценивается в 50-60 млн м², что обеспечивает получение тепловой энергии, эквивалентной 5-7 млн тут в год. В Европейских странах к концу 2000 г. действовало 11,7 млн м² коллекторов.

В Казахстане СВУ на сегодня  не нашли сколько-нибудь значительного  распространения, что с одной  стороны связано с относительно низкой стоимостью традиционных топлив, а с другой - бытующим мнением  о недостаточной инсоляции в  некоторых регионов Казахстана.

Вместе с тем в последние  годы для всей территории Казахстана проведено тщательное исследование прихода солнечной энергии на поверхности, тем или иным образом  ориентированные в пространстве, и показано, что практически для  всех регионов страны, включая высокие  широты, применение СВУ в течение 3-6 месяцев в году экономически оправдано.

В эти же годы рядом промышленных предприятий разработаны новые  типы солнечных коллекторов, применение которых в СВУ вместо импортных, делает эти установки экономически более привлекательными. В связи  с этим интерес к использованию  СВУ в стране, особенно в южных  регионах, возрос. Хотя в летнее время  даже в Северном Казахстане достаточно солнца, чтобы использовать СВУ. Представляет также интерес использование  солнечных коллекторов в сочетании  с тепловыми насосами (ТН) в том  числе для отопления.

Для преобразования солнечной  энергии в электроэнергию могут  быть использованы как термодинамические  методы, так и прямое преобразование с помощью фотоэлектрических  преобразователей (ФЭП).

Сегодня в США работают 7 электростанций общей мощностью 354 МВт (э), использующие параболоцилиндрические концентраторы солнечной радиации и термодинамический метод преобразования. Известны проекты сооружения подобных СЭС в ряде стран так называемого  солнечного пояса (Мексика, Египет и  др.). Для Казахстана, с учетом характеристик  солнечной радиации, подобные СЭС  сегодня не представляют сколько-нибудь значительного интереса.

Фотоэлектрические преобразователи, напротив, находят все большее  применение в самых разных регионах. В отличие от СЭС с концентраторами, ФЭП используют не только прямое, но и рассеянное излучение и не требуют  дорогостоящих устройств для  слежения за солнцем.

Рынок ФЭП развивается  весьма динамично. Суммарная мощность установленных в мире ФЭП в 2002 году, превысила 500 МВт. Это обусловлено  принятием в ряде стран национальных программ, предусматривающих широкое  внедрение ФЭП ("100 тысяч солнечных  крыш" в Германии, "100 тысяч солнечных  крыш" в Японии, "1 млн. солнечных  крыш" в США). Быстрыми темпами  растет и производство ФЭП, достигшее 1 ГВт в год. Япония и Германия прогнозируют в ближайшие годы выход  на годовые объемы производства до 500 МВт каждая. Массовое производство ФЭП ведет к их удешевлению. Сегодня  модули ФЭП на мировом рынке стоят  около 4 долл. за пиковый ватт, что  при удовлетворительной инсоляции  приводит к стоимости электроэнергии в 15-20 цент/кВтч. Особенно велик рынок  ФЭП в развивающихся странах. Установки сравнительно небольшой  мощности в единицы кВт представляют сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население этих стран к современной  цивилизации.

Сегодня на мировом рынке  присутствуют тысячи фирм, создающих  различные установки с ФЭП, но только десятки фирм, в том числе  в России умеют делать солнечные  элементы. Начиная с середины 90х  годов, в России инициированы работы по совершенствованию ФЭП и развертывание  их опытно-промышленного производства. Была разработана технология изготовления ФЭП и внедрена в производство на фирме "Солнечный Ветер" (г. Краснодар) и ОКБ "Красное знамя" (г. Рязань). Это позволило выйти на мировой рынок и увеличить поставки ФЭП за рубеж. Так, например, фирма "Солнечный Ветер" поставляет свою продукцию в более чем 10 стран. За 1996-2001гг объем продаж увеличился в десять раз (с 60 до 600 кВт/год), а в 2002 году превысил 1 МВт.

Однако, несмотря на положительные  тенденции мирового рынка, высокая  стоимость, электроэнергии от ФЭП сдерживает их более широкое применение. Эта  высокая стоимость обусловлена  как дороговизной основного материала (как правило, кремния высокой  чистоты), так и дороговизной технологического процесса. Поэтому в мире и в  бывшем СССР ведутся интенсивные  исследования и разработки, направленные на удешевление ФЭП. Одним из перспективных  направлений является создание высокоэффективных  ФЭП с концентраторами солнечного излучения. Наиболее интенсивно исследования в этой области проводятся в США  и России. КПД разработанных в  США солнечных элементов (СЭ) на основе монокристаллического кремния достигает 20-25% при концентрации в 10-100 солнц  и рабочей температуре 25оС. При  большей концентрации эти СЭ требуют  принудительного охлаждения, ибо  их кпд существенно снижается  с ростом температуры (на 1/3 при повышении  температуры на 100^оС). Для работы при концентрации в 300-1000 солнц более перспективны СЭ на основе системы арсенид галлия - арсенид алюминия, впервые разработанной в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Значения КПД каскадных СЭ на основе GaAs, достигнутые в США и России (ФТИ им. А.Ф. Иоффе), составляют около 30% при концентрации в 500-1000 солнц и при реальных рабочих температурах 60-80^оС. Поэтому, несмотря на более высокую стоимость арсенида галлия, цены на энергоустановки с концентрацией по оценкам окажутся приблизительно в 2 раза ниже плоских кремниевых.