Технические науки/5. Энергетика

 

Е.В. Леонтьева, М.Г. Матвеева

Омский государственный технический университет, г. Омск

Перспективы развития нетрадиционных

 источников энергии

 

В условиях возрастающего спроса на энергоресурсы и роста тарифов на них, а также ухудшения экологии, сокращения запасов нефти, угля и газа – особое значение приобретают вопросы энергосбережения.

Многие страны мира разрабатывают и реализуют стратегии повышения эффективности использования энергетических ресурсов.

Энергосберегающие технологии достаточно слабо применяются предприятиями нашей страны. Они дают большие возможности повышению эффективности деятельности любого предприятия, которые могут использоваться в целях повышения объема оборотных средств и снижения производственных издержек, высвобождая дополнительные средства, которые могут быть инвестированы в развитие компании. Кризис на производственных предприятиях связан  с тем, что энергосбережению на большинстве промышленных предприятий не уделяется должного внимания. По данным специалистов, доля энергозатрат в себестоимости продукции в России достигает 30-40%. Основной причиной является, помимо общего технического состояния и низкой энергетической эффективности существующего на предприятиях оборудования, тот фактор, что большинство промышленных предприятий было спроектировано и построено в расчете на использование практически бесплатной электрической и тепловой энергии, что имело место во времена централизованного планирования экономики СССР.

Энергоресурсосбережение – это необходимость, которая продиктована невозможностью  обеспечения прибыльности производства при постоянной положительной динамике цен на энергоносители и начинающемся дефиците газа и электроэнергии. Этот фактор и сдерживает развитие большинства отраслей отечественной экономики.  По оценкам экспертов в России потенциал энергосбережения составляет около 400 млн. тонн  условного топлива или около 40-45% текущего потребления энергии. Потенциал энергосбережения ЖКХ составляет -26%, промышленности – 32% и ТЭК – 33% [4]. Проблема состоит не только в исчерпаемости ресурсов, но и в растущих темпах истощения старых месторождений и постоянном увеличении затрат на обустройство новых, что отражается на стоимости углеводородов. Ситуация усугубляется и тем, что достигшее колоссальных размеров использование ископаемого топлива наносит ощутимый вред окружающей среде, что отражается на качестве жизни населения. Выход из такой ситуации следующий: повышение эффективности использования традиционных энергоносителей и расширение применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1].

Термин «возобновляемые источники энергии» применяется по отношению к тем источникам энергии, запасы которых восполняются естественным образом и в обозримой перспективе являются практически неисчерпаемыми. В зависимости от применяемых технологий ВИЭ делятся на традиционные и нетрадиционные. К традиционным ВИЭ относятся гидравлическая энергия, преобразуемая в электричество на крупных ГЭС, а также энергия биомассы (дрова, кизяк, солома и т. п.), используемая для получения тепла традиционным способом сжигания. В группу нетрадиционных ВИЭ включают солнечную и геотермальную энергию, энергию ветра и морских волн, течений, приливов, гидравлическую энергию, преобразуемую в электричество на малых ГЭС (до 10 МВт), и энергию биомассы, используемую для получения тепла, электричества и моторного топлива нетрадиционными методами.

Основное преимущество нетрадиционных ВИЭ перед другими энергоносителями - их возобновляемый характер и экологическая чистота. Несомненным достоинством является также широкая распространенность большинства их видов. Другие стимулы для внедрения нетрадиционных ВИЭ - безопасность поставок, рост цен на ископаемое топливо, разработка соответствующих технологий. Учитывая возобновляемый характер, экологическую чистоту, повсеместную доступность большинства нетрадиционных ВИЭ, более 70-и стран мира уделяют большое внимание их развитию, сделав это направление важной сферой своей государственной технической политики. Лидерами в развитии нетрадиционных ВИЭ в 2008 г.  стали Китай (76 ГВт), США (40 ГВт), Германия (34 ГВт), Испания (22 ГВт), Индия (13 ГВт) и Япония (8 ГВт), а в развивающихся странах  - 119 ГВт (43% мировых) [5].

  Нетрадиционные источники электрической энергии, где невосполняемые энергоресурсы практически не тратятся: ветроэнергетика, приливная энергетика, солнечная энергетика [2].

Ветроэнергетическая установка способна превращать энергию ветра в электроэнергию. Запасы ветровой энергии на территории нашей страны огромны, так как  во многих районах среднегодовая скорость ветра составляет 6 м/с. Устройство ветроэнергетической установки достаточно простое: вал ветряного колеса, способного вращаться под действием ветра, передает вращение ротору генератора электрической энергии. Стоимость производства электроэнергии на ветровых электростанциях ниже, чем на любых других. Кроме того, ветроэнергетика экономит богатства недр. Недостатки ветроэнергетических установок — низкий коэффициент полезного действия, небольшая мощность. Они применяются там, где нет стабильного обеспечения электроэнергией — на нефтяных разработках, горных пастбищах, в пустынях и т. п.

Приливная энергетика использует для производства электроэнергии энергию прилива и отлива Мирового океана. Два раза в сутки уровень океана то поднимается, то опускается. Это происходит под действием гравитационных сил Солнца и Луны, которые притягивают к себе массы океанской воды. У берега моря разности уровней воды во время прилива и отлива могут достигать более 10 м. Если в заливе на берегу моря в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилище во время прилива можно создать запас воды, которая при отливе будет спускаться в море и вращать гидротурбины. В нашей стране уже созданы и работают приливные электростанции. Основными недостатками такого способа производства электроэнергии являются, неравномерность выработки электроэнергии во времени и необходимость сооружения дорогостоящих плотин и резервуаров для воды.

Гелиоэнергетика (энергия Солнца). Во второй половине XX в. в связи с бурным развитием космонавтики начали разрабатывать проблему гелиоэнергетики — преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. В настоящее время получение электроэнергии от гелиоустановок осуществляется с помощью солнечных батарей. Основу таких батарей составляют фотоэлементы — кристаллы кремния, покрытые тончайшим, прозрачным для света слоем металла. Поток фотонов — частиц света, проходя сквозь слой металла, выбивает электроны из кристалла. Электроны при этом начинают концентрироваться в слое металла, поэтому между слоем металла и кристаллом возникает разность потенциалов. Если тысячи таких фотоэлементов соединить параллельно, то получается солнечная батарея, способная питать электроэнергией электронную аппаратуру на космических кораблях, спутниках. В южных районах, где много солнечных дней в году, размещение на крышах домов солнечных батарей может частично обеспечить потребность в необходимой электроэнергии. Такие батареи используют и для питания электронных часов, калькуляторов и других устройств.

Для создания больших генерирующих мощностей при относительно малом напоре, который дают даже очень высокоамплитудные приливно-отливные циклы, требовалась «ещё одна революция в гидромашиностроении» (выражение известного советского теоретика и практика приливной энергетики Льва Бернштейна). Зато, другие формы капитальных вложений в энергетику выглядели экономически предпочтительнее. Что касается волновых ГЭС, то работы по их созданию вообще остались на уровне единичных экспериментальных установок, а более перспективным стало направление ветровых электростанций. Например, на территории Украины пригодными для их строительства считаются площади до 7000 км2. Это позволяет разместить на них ВЭС с установленными мощностями до 65 ГВт. Но и здесь возникает вопрос об экономической целесообразности. В настоящее время считается, что капиталовложения в ветроэнергетику (на единицу мощности) составляют только 85% капиталовложений в тепловую энергетику и примерно 50% — вложений в энергетику ядерную. При внимательном изучении сделанные расчёты оказываются некорректными [6].

Обычно не учитывается ряд факторов, серьёзно удорожающих ветровое электричество (когда речь идёт именно о ВЭС). Во-первых, из-за малой единичной мощности ветроагрегатов (до 2,5 МВт для лучших образцов) расходы на функционирование ВЭС намного выше, чем простая сумма стоимости ветрогенераторов. Во-вторых, из-за невозможности размещать ВЭС там, где это наиболее желательно с экономической точки зрения (ветроэлектростанции полностью зависят от погодно-климатических условий), резко возрастают затраты на инфраструктуру электропередачи и потери энергии при транспортировке. В-третьих (и это главное), не учитываются прямые и косвенные издержки от вывода из хозяйственного и биосферного оборота земельных площадей, отводимых под ВЭС.

Сейчас ветро­энергетика большинства стран функционирует практически в неконкурентной среде, пользуясь льготным налоговым режимом, тарифными преференциями, а иногда и прямыми государственными субсидиями. Естественно, вечно такая ситуация сохраняться не будет.

Если рассмотреть, солнечную электроэнергии на примере Украины, то исходя из расчётов, проводившихся в ходе разработки Энергетической стратегии Украины, следует, что средняя себестоимость создания 1 кВт мощностей гелиоэлектрогенерации составит не менее $9000 (в ценах 2000 г.) — в 4 раза выше, чем на АЭС, и в 5,5 раза больше, чем на ТЭС. У самых лучших солнечных электростанций полная стоимость производства электричества пока не опускалась ниже 250% по сравнению с ценой обычной генерации. Собственно, указанным обстоятельством и объясняется тот факт, что подавляющее большинство (95%) мощностей гелиоэнергетики мира в настоящее время сконцентрировано в масштабах тепловых коллекторов [6].

В ветро- и гелиоэнергетике чрезвычайно сильно проявляется эффект больших количеств. Более того, падение экономической (а в некоторых аспектах — и экологической) эффективности таких установок при увеличении их агрегатных мощностей (в гелиоэнергетике) или чрезмерной концентрации генерирующих устройств (для ВЭС) является основной проблемой, делающей невозможной их широкое применение. Так, если производство индивидуальных, коллективных и даже промышленных ветроэлектрогенераторов, используемых как одиночные вспомогательные агрегаты, является вполне конкурентоспособным вложением капитала, строительство ВЭС представляет собой в буквальном смысле слова выбрасывание миллионов на ветер.

В случае с приливными электростанциями наблюдается такая же картина, но с обратным знаком. Рентабельность ПЭС начинает отслеживаться с настолько больших мощностей, что развёртывание работ по их созданию требует принятия долгосрочного политического решения, действие которого распространится на энергосистему региона, охватывающего несколько европейских государств средней величины.

Главной причиной ограниченного использования нетрадиционных ВИЭ в России является относительная дороговизна энергии, полученной на их основе, по сравнению с энергией, выработанной из ископаемых видов топлива. Отсутствие необходимой нормативно-правовой базы, федеральной и региональной программ поддержки, а также недостаток информации о ресурсах, технологиях и возможностях нетрадиционных ВИЭ также сдерживают масштабы их применения в стране. Таким образом, энергетика России в ближайшие десятилетия будет решать свои задачи за счёт более эффективного использования традиционных ресурсов и механизмов для получения электрической и тепловой энергии.

Литература:

1.           Безруких П.П. Перспективы возобновляемой энергетики // Наука в России. - 2003. - № 4. - С.24-28.

2.           Лисов О. Альтернативные источники энергии // Обозреватель-Observer. - 2005. - № 6. - С.69-78.

3.           Актуальность концепции энергоэффективности и энергосбережения для российской энергетики. – режим доступа: www.equipnet.ru.

4.           Renewables 2009 global status report.www.ren21.net

5.           Возобнавляемая энергетика Украины: потенциал и перспективы развития. – режим доступа: prpk.info/blogs/vozobnovljaemaja-yenergetika-ukrainy-potencial-i-perspektivy-razvitija.