Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности
13.11.2014
REENFOR-2014,
Второй Международный форум, 10-11 ноября, Москва
В
мире экологически чистая возобновляемая энергетика развивается стремительными
темпами. Суммарная мировая мощность установок на энерговозобновляемых
источниках приближается к 600 гигаватт. Для сравнения: суммарная мощность всех
электростанций России — это 220 гигаватт, а суммарная мощность всех
мировых АЭС — это 340 гигаватт. Доля возобновляемой энергетики в мире
превысила 5% и продолжает быстро расти. Россия, к сожалению, сильно
отстает от мирового тренда. Доля возобновляемых источников энергии в энергетике
страны ничтожна. В сознании чиновников, да и большинства населения экологически
чистая энергетика, основанная на возобновляемых источниках, остается
«альтернативной», «маргинальной», ненадежной и непонятной — куда надежнее
топить углем или даже дровами, завозить дизельное топливо в отдаленные регионы
страны, часть которых находятся в условиях Крайнего Севера. Но цена таких
киловаттов электричества может смело заноситься в книгу рекордов Гиннесса. В
отдельных районах Якутии — дальних поселках, где дизель-генераторы
остаются единственным источником электроснабжения, а топливо завозится в бочках
на самолетах, себестоимость производства электроэнергии достигает 100 рублей за
киловатт/час!
В
Москве на международный форум REENFOR-2014 собрались специалисты из разных
областей науки и экономики, чтобы определить пути внедрения передовых
технологий, которые выведут страну из «энергетической пещеры». На форуме
выступили представители регионов, рассказывающие о своем опыте применения новых
энергетических технологий. Необходимо тратить деньги на системы аккумулирования
и системы «умного» управления такими энергоустановками, адаптировать их к
конкретным условиям, в которых живут потребители энергии. Есть проблемы и с
геотермальной, и приливной энергетикой, но все они решаемы, будь на то
политическая воля. В нашей стране до сих пор недостаточно развита
соответствующая нормативная база. «Энергетика четырех стихий» не станет
конкурентом традиционной, но достойно дополнит ее, а в некоторых ситуациях —
станет настоящим выходом из тупика.
По публикуемым здесь фрагментам
выступлений читатель сможет получить представление о содержании Форума.
Проблемы и перспективы развития возобновляемой
энергетики. Попель О.С., д.т.н., профессор. Объединенный институт высоких
температур РАН. Спектр возобновляемых
источников энергии (ВИЭ) и технологий их преобразования в полезные виды энергии
весьма широк. Теоретически в любой географической точке можно обеспечить
энергоснабжение любого потребителя за счет комбинации ВИЭ. Главный вопрос — какие
технологии использовать и сколько это будет стоить? Поиск оптимальных
экономически приемлемых технических решений (только ВИЭ или гибридизация) — сложная
научно-техническая задача, требующая современных научных и инженерных подходов
и решений. Актуальными являются следующие вопросы:
1. Почему энергетика и поиск
эффективных источников энергии являются не только заботой
специалистов-энергетиков, но и политиков?
2. Действительно ли в
ближайшие десятилетия закончатся «традиционные» ресурсы органических топлив и
возобновляемая энергетика позволит решить все энергетические проблемы
человечества?
3. Почему возобновляемые
источники энергии привлекают столь большое внимание?
4. Каковы тенденции развития
возобновляемой энергетики в мире?
5. Нужно ли развивать
возобновляемую энергетику в России?
6. Какие технологии
возобновляемой энергетики наиболее эффективны в условиях России?
7. Некоторые, требующие
решения научно-технические и инженерные проблемы в области возобновляемой энергетики
и потребность в научных и инженерных кадрах.
Освоение технологий нефте- и
газодобычи в XX в. стало приводить к постепенному снижению вклада биомассы и
угля в мировой энергетический баланс, и к началу 70х годов прошлого века нефть
стала основным энергоресурсом, используемым человечеством, ее вклад — около
47%. Но «энергетический кризис» 70-х годов дал толчок к пересмотру
энергетических стратегий развития многих стран. Стало ясно, что нефть не может
быть надежной долговременной основой развития мировой энергетики и необходимо
диверсифицировать используемые первичные источники энергии. Начавшееся в мире
активное развитие атомной энергетики резко замедлилось в связи с Чернобыльской
катастрофой (1986 г. ) и другими авариями на атомных электростанциях. В 1992 г.
была принята Рамочная конвенция ООН об изменении климата (РКИК), признавшая
существование проблемы изменения климата, являющейся в значительной мере
результатом антропогенной деятельности. Во многих странах начались активные
разработки по поиску новых более экологически безопасных источников энергии и
технологий их преобразования, к которым в первую очередь относятся природные
ВИЭ, ресурсы которых на несколько порядков превышают энергетические потребности
человечества. В 2013 году суммарная установленная мощность энергоустановок на
нетрадиционных ВИЭ превысила 530 ГВт и более чем в полтора раза превысила
суммарную мощность действующих в 32 странах мира 439 ядерных энергетических
реакторов, равную 340 ГВт. Ввод энергоустановок на ВИЭ составил 43,6% от
суммарного ввода электрических мощностей в мире! Доля вырабатываемой на ВИЭ
электроэнергии возросла с 7,8% в 2012 г до 8,5% в 2013 г. Бурное развитие
возобновляемой энергетики (ВЭ) — результат политических решений и серьезного
финансирования исследований и разработок в этой области в странах, сильно
зависящих от импорта традиционных энергоресурсов (страны ЕС, США, Япония, Китай
и др.). Энергетика будущего — это разумное экономически и экологически
эффективное комбинированное использование различных первичных источников
энергии, включая органическое топливо, добываемое из новых более
труднодоступных источников, ядерную энергию, различные виды возобновляемых
источников энергии, а в будущем и термоядерных источников энергии. Необходимо сочетание
новых технологий производства энергии и энергосбережения. Вклад в энергетические балансы стран различных
источников энергии будет определяться географическим расположением,
геологическими и климатическими особенностями, уровнем развития и
конкурентоспособности технологий. Энергетика — крайне инерционная отрасль
экономики, новые энергетические технологии «созревают» и выходят на рынок за
десятилетия. Важная задача не «прозевать» зарождение новых перспективных
технологий и своевременно их развивать и поддерживать, чтобы не оказаться
впоследствии в технологической зависимости от других стран.
Многоукладная энергетика: роль ВИЭ и местных ресурсов. Бушуев В.В., Соловьев Д.А. Институт
энергетической стратегии» (ИЭС). Объединенный институт высоких температур РАН. Проблемы, задачи и основные направления развития энергетических
систем, с учетом места и роли ВИЭ, а также местных энергоресурсов в
многоукладной энергетике будущего.
1. Динамика энергетического
развития предусматривает в соответствии
с проектом ЭС–2035, курс на глубокую
электрификацию
экономики (быта
и производства) страны
как приоритетное направление
ресурсно-инновационного
развития России. Энергетика будет становиться все более многоукладной и
адаптивной к быстро меняющимся требованиям потребителя, однако общий вектор
развития будет направлен на переход от «топливной» энергетики к «электрическому
миру» как наиболее удобной и квалифицированной форме потребления энергии.
2. Для потребительского
сектора характерно развитие «Электрического мира» с широкой электрификацией быта
(электрическое отопление и комфортное жильё, приготовление пищи,
энергоэффективное освещение). Энергетика будет во все большей степени
становиться ядром развития социума за счет растущего влияния на модель
общественного развития и социального поведения человека. Так, энергетические
технологии накопления энергии и расширяющиеся возможности распределенной
генерации в сочетании с энергосетевыми технологиями и конвергенцией
производства и потребления энергии будут способствовать «индивидуализации»
энергетики и формированию автономных моделей социального поведения человека и
развития общества.
3. Ключевым моментом
инновационного развития системы
энергоснабжения является интеграция электро-, тепло-и газоснабжения
в единую «систему систем» с ростом
доли электроэнергии
в структуре конечного
потребления с 17 до2 5% и снижение
доли тепла с 49 до 40% (к 2050 году).
Триумф электрической энергии определяется ее высокой универсальностью,
устойчивостью и управляемостью по сравнению с другими видами энергии.
4. Активный потребитель, участвующий в формировании
спроса
и структуры
энергоснабжения,
стимулирует развитие децентрализованных систем с использованием как централизованных поставок
энергии, так и собственных
автономных энергоисточников,
их сочетание близко к золотой пропорции (0,62:0,38).
5. В интегрированных
системах энергоснабжения
особое
значение
приобретает SmartGrids, системные и потребительские
накопители (аккумуляторы) энергии
как
промежуточное звено
между потребителем и сетевыми
поставками
энергии.
6. На западе развитие SmartGrids обусловлено необходимостью системной
интеграции различных источников
энергии.
7. Среди основных направлений
формирования энергетических систем — развитие распределённой генерации, в том
числе на базе ВИЭ и местных энергоресурсов (попутного и низконапорного газа,
торфа, отходов лесной и сельскохозяйственной продукции, малых рек и водоемов, глубинного
тепла земли и другого). Наряду с этим структура ТЭК подразумевает широкое
использование АЭС,ПЭС, угольных и газовых ГРЭС в рамках общей многоукладкой энергетики.
Ветроэнергетика Республики Крым. Пилипенко И.А., генеральный директор ГУП РК «Крымские генерирующие системы» – Советник Председателя Совета Министров Республики Крым по энергобезопасности.
Энергетическая отрасль полуострова характеризуется стабильным дефицитом генерирующих мощностей. Так в октябре 2014 года пиковая нагрузка энергосистемы Крыма составила около 1200МВт при общей собственной генерации в размере 738 МВт (с учетом ВИЭ и мобильных ГТЭС). С целью обеспечения стабильной работы отрасли и беспрерывного снабжения потребителей электроэнергией необходимо: а) осуществить строительство современных базовых мощностей в основных энергетических узлах полуострова; б) обеспечить размещение распределенной малой генерации на площадках с наличием необходимых коммуникаций; в) комплексно развивать энергетический комплекс путем реконструкции существующих и строительства новых альтернативных источников энергии (ВЭС и СЭС). Мощность ветроэлетростанций Крыма на сегодняшний день составляет 87 МВт, мощность солнечных электростанций — около 220 МВт. Дополнительно 120МВт СЭС проходят процедуру введения в эксплуатацию при 90% готовности. В основном ВЭС Республики состоят из ВЭУ типа USW 56-100 (468шт. по 100кВт) и Т-600-48 (15 шт. по 600кВт). Оборудование, введенное в 90-х – начале 2000-х, является морально и технически устаревшим. Например, турбины USW 56-100 начинают выработку электроэнергии только при скорости ветра 6 м/с. Ранее в альтернативной энергетике работал «зеленый тариф», который давал возможность привлечения инвестиций и строительства современных ВЭС. В настоящий момент, для возобновляемых источников энергии устанавливается регулируемый тариф (3,25 руб/кВт*ч без НДС в 2014 году), позволяющий только поддерживать текущий уровень выработки и исключающий возможность развития и реконструкции существующих ВЭС. В то же время, для солнечных электростанций необходим еще больший уровень тарифа, чем для ВЭС, хотя в перспективе существует возможность удешевления технологии производства солнечных панелей. Введение «зеленого тарифа» в Республике Крым позволит создать очень перспективную динамично развивающуюся отрасль, которая будет играть важную роль не только в энергетической сфере, но и в социальной отрасли путем привлечения квалифицированных специалистов и повышения общего уровня доходов населения по Крыму.
Опыт участия в конкурсных отборах проектов по
возобновляемой энергетике. Шуткин О.И., зам. генерального директора Компании
«Хевел-Солар», Россия.
В 2013 г. в Российской
Федерации был введен механизм стимулирования объектов генерации,
функционирующих на основе использования ВИЭ, на оптовом рынке электроэнергии и
мощности. В рамках данного механизма государственной поддержки в сентябре 2013
г. и в июне 2014 г. были проведены конкурсные отборы проектов в области
централизованного использования возобновляемых источников энергии, в результате
которых было отобрано 880 МВт проектов солнечных электростанций, 156 МВт
ветряных электростанций и 20 МВт малых ГЭС, которые будут введены в строй до
2018 года. В докладе приведен анализ результатов указанных конкурсных отборов,
а также сделан прогноз развития возобновляемой энергетики на период до 2020
года.
Автономное
энергоснабжение территорий РФ энергокомплексами на основе традиционных и
возобновляемых источников энергии. Елистратов В.В., д.т.н., профессор, Федоров
М.П., академик РАН. Санкт-Петербургский
государственный политехнический университет. Значительная часть территории России, в том числе северные и приравненные к ним и
дальневосточные территории обладают высоким ветроэнергетическим потенциалом. В
настоящее время эти регионы находятся в зонах децентрализованного
энергоснабжения и в основном обеспечиваются электроэнергией от дизельных
электростанций, работающих на привозном топливе. Общая мощность ДЭС, работающих
на Севере, свыше 3 млн. кВт, а производство электроэнергии на них — около 15
млрд. кВт-ч, на производство которой на Север завозится ежегодно около 5,0-6,0
млн. тонн дизельного топлива. Стоимость производства энергии на таких ДЭС
составляет 15-150 руб/кВт-ч. В связи с этим возникает острая необходимость в
использовании ветроэнергетических установок, преобразующих высокий природный
потенциал возобновляемой энергии. Создание
новых ветродизельных электростанций (ВДЭС), а также модернизация действующих
неэффективных ДЭС путем интеграции их с пристраиваемыми ветроэлектростанциями
(ВЭС) и созданием ВДЭС высокоэффективно. Для районов Крайнего Севера России,
учитывая слаборазвитую инфраструктуру, ограниченную транспортную доступность и
суровые климатические условия эксплуатации оборудования, наиболее
востребованной является разработка и
создание модульной, надежной и эффективной системы энергоснабжения,
оптимальным образом использующей преимущества местных, возобновляемых
источников энергии (прежде всего ветровой энергии), которая должна быть
адаптирована для работы в условиях холодного климата, иметь состав оборудования
и систему интеллектуально управления, обеспечивающих минимизацию технологических потерь при
производстве энергии и максимизации энергетического и экономического эффектов.
СПбГПУ приступило к выполнению ГК № 14.577.21.0066 «Разработка методов и
интеллектуальных технологий автономного энергоснабжения на основе традиционных
и возобновляемых источников энергии для суровых климатических условий» в рамках
ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014-2020г.». Индустриальный партнер — ООО Энергетический
центр «Президент-Нева». Проект реализуется в соответствии со стратегической
программой исследований ТП «Перспективные технологии возобновляемой энергетики».
Проблемы биоэнергетики и Технологическая Платформа «БиоТех
2030». Аким Э.Л. д.т.н., профессор. |Санкг-Петербургский государственный
технологический университет растительных полимеров. На основе анализа Стратегических Программ развития
лесного комплекса Северной Америки (Agenda 2020), Западной Европы (Европейской
Лесной Технологической Платформы) и Российской Технологической Платформы
«БиоТех 2030» дан анализ основных научно-технических и экономических проблем
биоэнергетики и путей их решения в мире и России. Биоэнергетика является одним
из важнейших направлений биорефайнинга древесины. Наиболее успешно проблемы
биоэнергетики решаются в целлюлозно-бумажной промышленности, где комплексное
использование жидкого био-топлива (черный щелок, таловое масло), твердых
отходов (опилки, кора, избыточный активный ил, осажденный лигнин и др.), а
также газообразных горючих продуктов, позволяет создавать энергонезависимые
экологически совершенные «зеленые» предприятия. В сочетании с гибкими
технологическими схемами такие предприятия могут менять направления биорефайнинга
в сторону производства продуктов с более высокой добавленной стоимостью,
одновременно формируя и развивая рынки таких продуктов. В 2013-2014 годах,
наряду с развитием производства и использования древесных пеллет и брикетов, в
мире и России продолжались опытно-промышленные работы по торрефикации древесины,
получения из древесины жидкого топлива, использованию лигнина для производства
топливных гранул (LignoBoost). В августе 2014 года успешно завершен крупнейший
в Лесном комплексе РФ проект «Лиственница», выполнявшийся в рамках Технологической
Платформы «БиоТех 2030», общей стоимостью свыше 300 млн. рублей. Это крупнейший
инновационный проект в лесном комплексе России за последние 35 лет. Проект
осуществлялся при финансовой поддержке Министерства образования и науки
Российской Федерации. Уже в ходе проведенных в мае и июне 2014 года пусковых и
приемных испытаний по инновационной технологии выпущено свыше 19,5 тысяч тонн
товарной продукции отличного и хорошего качества — целлюлозы с высоким содержанием
лиственницы. При этом нецеллюлозные компоненты древесины, включая
арабиногалактан, использовались в качестве биотоплива.
Роль российской научной школы в развитии аэродинамики
ветрогенераторов.
Окулов В.Л., Институт теплофизики им. С. С.
Кутателадзе СО РАН, Новосибирск; Е.Н. Соренсен, Датский технический университет,
Люнгби, Дания; Г.А.М. ван Куик, Ветроэнергетический институт г. Делфт,
Нидерланды; Д. Вуд, Инженерная школа Шулиха, Университет Калгари, Канада. В данной работе дается историческая ретроспектива
развития ключевых теорий оптимального ротора в приложении к ветряным турбинам и
описано их современное состояние. В результате анализа первоисточников сделан обоснованный
вывод, что на момент создания вихревой теории ротора в начале XX века
лидирующая роль в развитии роторной аэродинамики принадлежала российской
научной школе во главе с профессором Н.Е. Жуковским, а его результаты и работы
его учеников на несколько лет опережали результаты зарубежных научных школ. В
частности, концепция вихревой теории ротора была предложена Николаем Егоровичем
на семь лет раньше, чем это было сделано немецкой аэродинамической школой
профессора Люд Прандтля. В результате данного ретроспективного анализа было
возвращено российской науке получение принципиального для ветроэнергетики
результата — предельного значения энергии, которую можно извлечь из
кинетической энергии ветра. Сейчас этот результат должен называться пределом
Беца-Жуковского, так как он был опубликован Николаем Егоровичем в 1920
одновременно с А. Бецем — учеником Прандтля. Эта статья из его цикла работ,
посвященных ветроэнергетике, стала последней в жизни ученого и долго оставалась
неизвестной для мирового научного сообщества. Удивительно, но последние свои
силы великий ученый потратил на ветроэнергетику в стране, где из-за
неограниченных сырьевых ресурсов этот способ получения энергии до сих пор
находится в зачаточном состоянии. Как будто он предвидел этот небывалый ее
рост, происходящий сегодня в мире, зная, что его научные результаты снова
станут актуальны и востребованы спустя столетие. Данная работа утверждает
приоритет российской научной школы проф. Н.Е. Жуковского в создании вихревой
концепции теории ротора, возвращает российской науке один нетривиальный
результат о максимальном значении энергии, извлекаемой из ветра. В работе
изучены и устранены проблемы, возникающие в различных теориях ротора. Впервые
найдено аналитическое решение для идеального ротора с конечным числом лопастей,
что стало новым достижением в развитии вихревой теории ротора проф. Н.Е.
Жуковского.
Подготовил к публикации Сергей Шаракшанэ