Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности

13.11.2014



/FStorage/Download.aspx?id=787ae17e-9435-4d2b-b896-9218f4163fad 

 

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

 

 

©РАН 2018