Ресурсы нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Мурманской области и приоритеты их использования

УДК 620

РЕСУРСЫ НЕТРАДИЦИОННЫХ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ И ПРИОРИТЕТЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В.А. Минин

Центр физико-технических проблем энергетики Севера

Аннотация

Изучен потенциал солнечной, ветровой энергии, гидроэнергии малых рек, энергии морских приливов и волн региона. Оценены запасы торфа и биоэнергетических ресурсов. Определены потенциальные и технические ресурсы перечисленных источников энергии, выявлены их достоинства и недостатки, предпосылки утилизации. Показаны приоритеты их возможного практического использования для различных категорий потребителей. Ключевые слова:

Мурманская область, энергетические ресурсы, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии.

В последние годы во всем мире ведутся исследования, направленные на поиск и вовлечение в топливно-энергетический баланс новых источников энергии. Особый интерес проявляется к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ), таким как энергия солнца, ветра, гидроэнергия малых рек, приливная энергия и др. Потенциальные возможности применения этих источников огромны.

В России также не сбрасываются со счетов возможности использования НВИЭ [1-5]. Вовлечение их в хозяйственный оборот - это путь к сокращению объемов использования органического топлива, энергосбережению и улучшению экологической обстановки вблизи потребителей энергии.

Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии наиболее перспективно в районах, располагающих повышенным потенциалом этих источников и испытывающих недостаток в обычных традиционных топливных ресурсах. На Европейском Севере России к числу таковых относится Мурманская область, энергетика которой, наряду с использованием местных гидроресурсов, в значительной мере базируется на привозном топливе (ядерном горючем, угле, нефтепродуктах, сжиженном газе). В то же время область располагает широким набором возобновляемых источников.

Солнечная энергия

Согласно результатам наблюдений на актинометрических станциях [6] приход суммарной солнечной радиации в ясные дни на Кольском п-ове составляет 4600-4900 МДж/м2. Сильная облачность, характерная для региона в целом, снижает поступление прямой солнечной радиации на 60-75%, но увеличивает рассеянную радиацию более чем в полтора раза. В результате при реальных условиях облачности годовой приход суммарной радиации составляет около 2800 - 3600 МДж/м , или 650 - 850 кВт-ч/м (рис. 1). В целом за год приполярные районы Кольского п-ова уступают по суммарной солнечной радиации районам средней полосы и юга страны соответственно в 1.3 и 1.7 раза.

Мурманская область почти полностью расположена за полярным кругом, поэтому месячное число часов солнечного сияния изменяется в течение года в широких пределах - от 0 часов в декабре до 200-300 ч в июне и июле. Годовая продолжительность солнечного сияния составляет около 1200 ч на севере области и 1600 ч в ее южных районах.

Валовые (потенциальные) ресурсы солнечной энергии, поступающей за год на территорию Мурманской области, составляют около 1.1 -1014 кВт-ч. С одной стороны, это огромные ресурсы, а с другой - будучи рассредоточенными по обширной территории области, они имеют малую плотность. Для практического использования солнечной энергии даже в южных солнечных районах страны требуются большие капиталовложения. Удельная стоимость солнечных энергетических установок на мировом рынке достигает 7-10 тыс. долл./кВт. Это значительно выше аналогичного показателя, например, ветроэнергетических установок (1-2 тыс. долл/кВт). Себестоимость электроэнергии, производимой солнечными установками, оказывается довольно высокой. Возможно, в перспективе, по мере усовершенствования и удешевления, солнечные энергетические установки могут стать конкурентоспособными. Пока же в Мурманской области они могут найти ограниченное применение лишь в особых случаях.

Рис. 1. Годовой приход солнечной радиации на территорию Мурманской области (кВт-ч/М):

1 - Цып-Наволок; 2 - Дальние Зеленцы; 3 - Мурманск; 4 - Янискоски; 5 - Хибины;

6 - Краснощелье; 7 - Умба; 8 - Чаваньга

Энергия ветра

Результаты обработки 20-летних рядов наблюдений за скоростью ветра по 37 метеорологическим станциям Кольского п-ова показали [7-8], что наибольшие скорости ветра наблюдаются в прибрежных районах Баренцева моря (рис. 2). На северном побережье они составляют 7-8 м/с (на высоте 10 м), на Терском берегу несколько ниже - 5-7 м/с. По мере удаления от береговой линии интенсивность ветра заметно снижается.

Рис. 2. Средние многолетние скорости ветра (м/с) на высоте 10 м от поверхности Земли

в условиях открытой ровной местности

Исследованиями установлено, что на Кольском п-ове имеет место зимний максимум скоростей ветра (рис. 3). Это является благоприятной предпосылкой для эффективного использования энергии ветра. Максимум скоростей ветра приходится на холодное время года и совпадает с сезонным пиком потребления тепловой и электрической энергии. Весьма существенно, что зимний максимум находится в противофазе с

годовым стоком рек (рис. 3, гистограмма 5). Ветровая и гидроэнергия удачно дополняют друг друга, и это создает благоприятные условия для их совместного использования.

Ймм/с

месяцы

Рис. 3. Годовой ход среднемесячных скоростей ветра на островах (1) и побережье (2) Баренцева моря, на побережье Белого моря (3), в Хибинах (4) и гидрограф рек (5): 1 - метеостанция о. Харлов;

2 - Дальние Зеленцы; 3 - Чаваньга; 4 - Центральная

Применительно к Кольскому п-ову можно говорить о районах с преобладающими (господствующими) направлениями ветра. К их числу относится северное побережье п-ова , где около 50-60% годового времени дуют юго-западные ветры. Эти направления ветра являются одновременно наиболее сильными и энергонасыщенными [1, 3]. Учет этого фактора может позволить более рационально размещать ветроэнергетические установки (ВЭУ) на местности, выигрывая на стоимости сооружения коммуникаций (подъездных путей, кабельных линий и т. д.).

Кольский п-ов располагает огромными ветроэнергетическими ресурсами (табл. 1). Если ветроустановки располагать на местности на расстоянии 10 диаметров ветроколеса друг от друга, то суммарная установленная мощность ВЭУ составит около 120 млн кВт, а годовая выработка электроэнергии (технические ветроэнергоресурсы) - около 360 млрд кВт-ч.

Таблица 1

Ресурсы ветра Кольского п-ова в приземном слое высотой 100 м [7]

Характеристика Зоны Всего

1 2 3 4

Среднегодовая скорость ветра, м/с: на высоте 10 м 7.5 6.5 5.5 4.5

на высоте 70 м 9.6 8.6 7.5 6.5

Удельная энергия ветра, МВт-ч/м2 в год 10.7 7.8 5.2 3.4

Среднегодовая удельная мощность ветра, кВт/м2 1.22 0.89 0.59 0.39

Расчетная скорость ветра, м/с 15.7 13.8 11.6 11.0

Мощность ВЭУ на 1 км2 территории, МВт 7.2 4.9 2.9 1.9

Выработка, млн кВт-ч/км2 год 21.6 14.7 8.7 5.7

Использования установленной мощности,ч/год 3000 3000 3000 3000

Площадь зоны, тыс. км2 3.5 5.9 9.4 20.7 39.5

Мощность ВЭУ в зоне, тыс. МВт 25 29 27 39 120

Технические ресурсы ветра, млрд кВт-ч 75 57 81 117 360

Представленная оценка свидетельствует о том, что ресурсы ветровой энергии региона на порядок превосходят его потребности в электроэнергии на сегодняшний день. Использование наиболее доступной и выгодной части этих ресурсов и вовлечение их в хозяйственный оборот -задача, безусловно, заслуживающая внимания.

Г идроэнергия малых рек

Потенциальные гидроэнергоресурсы малых рек Мурманской области (рис. 4) составляют около 790 МВт среднегодовой мощности и 6.9 млрд кВтч среднегодовой энергии, а технические - соответственно 516 МВт и 4.4 млрд кВтч/год (табл. 2). В число рассмотренных рек не вошли мелкие реки и ручьи, которых в области насчитывается многие сотни и которые могут найти применение лишь для микроГЭС.

Рис. 4. Малые реки Мурманской области

Таблица 2

Г идроэнергетические ресурсы малых рек Мурманской области

Бассейн реки Площадь водосбора, км2 Ресурсы, млн кВтч

потенциальные технические

1 2 3 4

1. Пченга 1830 149 97

2. Титовка 1226 187 122

3. Зап.Лица 1688 228 149

4. Ура 1030 142 93

5. Кола 3836 302 196

6. Средняя 567 91 59

7. Оленка 491 88 57

8. Рында 1018 219 143

9. Харловка 2016 394 257

10. Вост. Лица 1872 423 276

11. Сидоровка 335 59 38

12. Варзина 1456 288 91

13. Дроздовка 468 81 53

14. Лумбовка 1039 193 126

15. Каменка 483 69 45

16. Качковка 843 115 75

17. Снежница 236 47 31

18. Сосновка 582 96 63

1 2 3 4

19. Бабья 348 61 40

20. Лиходеевка 308 68 44

21. Пулонга 734 114 74

22. Усть-Пялка 253 43 28

23. Пялица 946 151 100

24. Чапома 1107 175 114

25. Стрельна 2773 333 217

26. Чаваньга 1212 158 142

27. Оленица 403 34 22

28. Умба 6248 740 481

29. Колвица Б. 1310 96 63

30. Лувеньга 202 24 16

31. Пиренга 4236 138 90

32. Тумча 4455 469 305

33. Печа 1658 133 86

34. Нота 3400 102 66

35. Лотта 4720 83 54

36. Проч. реки 1810 820 530

Всего 6913 4443

Энергия морских приливов

Важной особенностью приливной энергии является неизменность ее среднемесячного значения в годовом и многолетнем разрезах. Благодаря этому качеству приливная энергия, несмотря на прерывистость в суточном цикле, представляет собой довольно мощный энергетический источник, который может быть использован при объединении его с речными гидроэлектростанциями, имеющими водохранилища. При таком объединении пульсирующие прерывистые, но неизменно гарантированные потоки приливной энергии, зарегулированные энергией речных ГЭС, способны участвовать в покрытии графика электрической нагрузки.

Рекогносцировка побережья Баренцева и Белого морей с целью выявления створов для строительства приливных электростанций была выполнена Л.Б. Бернштейном в 1938-1941 гг. Уже тогда были намечены створы возможного размещения ПЭС на побережье Кольского п-ва. Ввиду относительно небольшой величины прилива на побережье Кольского п-ова (2-3 м) и ограниченности акваторий, которые можно отсечь плотиной, сооружение экономически эффективных ПЭС возможно далеко не повсеместно. Действующая опытная Кислогубская ПЭС мощностью 400 кВт построена в створе губы Кислой западнее Мурманска. Особого внимания заслуживает Лумбовский залив на крайнем северо-востоке Кольского п-ова, где средняя величина прилива составляет 4.2 м, а возможная для отсечения акватория залива достигает 70-90 км2. Различные варианты использования залива позволяют построить здесь ПЭС мощностью до 670 МВт с годовой выработкой около 2000 МВт-ч/год. В качестве промежуточного этапа на пути к сооружению Лумбовской ПЭС предлагается строительство опытно-промышленной ПЭС в губе Долгой (в 6 км западнее Териберки). Эта ПЭС рассматривается специалистами также как прототип крупных Мезенской ПЭС в Архангельской области и Тугурской ПЭС в Охотском море на Дальнем Востоке.

Энергия морских волн

Волновая энергия обладает более высокой, по сравнению с ветром и солнцем, плотностью энергии. Морские волны накапливают в себе энергию ветра на значительном пространстве и являются, таким образом, природным концентратом энергии. Достоинством этого возобновляемого источника является доступность морских волн широкому кругу прибрежных потребителей, недостатком - нестабильность во времени, зависимость от ледовой обстановки, а также сложность преобразования и передачи энергии от волновых энергетических установок на берег потребителю.

Баренцево море, омывающее побережье Кольского п-ова, прилегает к крайней северовосточной части Атлантического океана. Среднегодовой потенциал волновой энергии здесь составляет 25-30 кВт на 1 м гребня волны. Потенциал волновой энергии Белого моря значительно ниже - 9-10 кВт/м.

Учитывая суровость природно-климатических условий Заполярья (низкие температуры воздуха, явления оледенения, короткий световой день и т.д.) использование волновой энергии здесь представляется проблематичным.

Запасы торфа

Запасы торфа-сырца Мурманской области, изученные в 1960-е годы Ленинградским отделением проектно-изыскательского института “Гипроторфразведка”, оцениваются в 26.1 млрд м3 или 3.1 млрд т воздушно-сухого торфа. Это 1.2 млрд тонн условного топлива (т у.т.). Крупные месторождения торфа (площадью от 1000 га и выше) в основном сосредоточены в Терском и Ловозерском районах Мурманской области. Отличительной чертой торфяных месторождений является отсутствие крупных монолитных массивов, а также незначительная средняя глубина залежи - около 1.4 м. В связи с этим коэффициент полезного извлечения торфа может составить всего 0.2-

0.3. С учетом этого прогнозные технические ресурсы торфа Мурманской области оцениваются примерно в 300 млн т у.т.

Торф обладает как положительными, так и отрицательными качествами. В числе первых -более низкое, чем в мазуте и угле содержание серы, и поэтому использование торфа оказывает меньшее негативное воздействие на окружающую среду. К числу недостатков торфа относятся низкая теплотворная способность и ее зависимость от влажности, низкий удельный вес, ограничивающий экономически оправданную дальность перевозки, а также высокая пожароопасность и зависимость заготовки от климатических условий. В совокупности эти факторы сдерживают использование торфа в Мурманской области в настоящее время.

Биоэнергетические ресурсы

К их числу относятся отходы животноводства и птицеводства, а также отходы лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности.

Отходы животноводства и птицеводства представляют собой ценное органическое удобрение, содержащее необходимые для растений питательные вещества (азот, фосфор, калий, микроэлементы). С другой стороны, они могут рассматриваться в качестве сырья для получения биогаза, который может использоваться в энергетических целях. Получаемый в процессе сбраживания газ на 60-80% состоит из метана, 20-25% - углекислого газа, а также некоторого количества сероводорода, аммиака, окислов азота. Посредством относительно простых операций биогаз можно очистить до качества природного газа. В такой очищенной форме его можно закачивать в баллоны и применять в двигателях внутреннего сгорания для получения электрической и тепловой энергии. Теплотворная способность биогаза составляет 5-6 тыс. ккал/м3.

Поголовье скота и птицы в Мурманской области в 2008 г. составляло (тыс. голов): крупный рогатый скот - 8.6, свиньи - 45.8, птицы - 935 [9]. Это поголовье позволяет ежегодно получать 27 млн м3 биогаза или 18.2 тыс. тонн условного топлива (т у.т.). Поскольку 25-50% получаемого биогаза расходуется на компенсацию теплопотерь и подогрев исходного материала, товарный выход биогаза составит 14- 20 млн м3 или 9-14 тыс. т у.т. При коэффициенте полезного использования биогаза 0.7 его технические ресурсы составят 7-10 тыс. т у.т., или 60-80 млн кВт-ч/год.

Отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности в Мурманской области используются в незначительных объемах. Но в последние годы к ним стал проявляться растущий интерес. Это объясняется возросшими ценами на традиционные виды органического топлива (уголь, нефтепродукты и газ) и ужесточением требований к охране окружающей среды.

Объемы древесных отходов в Мурманской области сравнительно невелики. По данным Мурманскоблстата [10], в 2008 г. в области было заготовлено и вывезено 56 тыс. плотных м3 (пл. м3) древесины, в том числе деловой 52 тыс. пл. м3. Около 40% этой древесины после переработки на пиломатериалы ушло в отходы (технологическая щепа, кора, кусковые отходы, опилки), всего около 20 тыс. пл. м3. При удельной массе сухой стволовой древесины 0.7 т/пл. м3 и теплотворной способности 4800 ккал/кг [1] это эквивалентно 10 тыс. т у. т. Если сюда добавить отходы при лесозаготовке (сучья, ветки, пни, корни, обломки и обрезки стволов и т.д.), то суммарные отходы лесозаготовительной и лесопильной промышленности составят около 14 тыс. ту. т. в год. При коэффициенте полезного использования 0.5 технические ресурсы древесных отходов составят 7 тыс. т у.т. или 0.06 млрд кВт-ч в год.

В целом, технические ресурсы рассмотренных выше нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Мурманской области оцениваются следующими цифрами (млрд кВт-ч): Солнечная энергия 11000 Приливы 2.0

Ветровая энергия 360 Морские волны 1.6

Торф 12 Древесные отходы 0.06

Гидроэнергия малых рек 4.4 Сельскохозяйственные отходы 0.07

Приоритеты использования НВИЭ

Объемы практического использования возобновляемых источников зависят от ряда факторов: потенциала источника, наличия предпосылок, благоприятствующих его использованию, стоимости оборудования и т.д.

Суммарное количество солнечной энергии, которое ежегодно приходит на территорию Мурманской области, велико. Однако, поскольку область почти полностью находится за полярным кругом, потенциал солнечной энергии здесь примерно в полтора раза ниже, чем в южных районах страны. Максимум поступления солнечной энергии приходится на летнее время, тогда как максимум потребности в энергии со стороны потребителей имеет место зимой. Солнечные энергетические установки пока еще дороги, их цена с учетом оснащения аккумулирующими устройствами необходимой емкости достигает 8-10 тыс. долл/кВт. Все это приводит к тому, что применение солнечных энергетических установок на Кольском п-ове может быть оправдано лишь в исключительных случаях.

По потенциалу ветровой энергии Мурманская область выгодно отличается от других регионов страны: на побережье Баренцева моря ветровые условия просто уникальны - это одно из самых ветреных мест на всем Европейском Севере России. Здесь аномально высок уровень среднегодовых скоростей (6-8 м/с), благоприятная повторяемость скоростей ветра, имеют место устойчивые господствующие ветра, сезонный максимум ветра совпадает с сезонным пиком энергопотребления. Перечисленные предпосылки обеспечивают экономическую эффективность применения ветроэнергетических установок на Кольском п-ове. Основными направлениями возможного использования ветровой энергии являются: работа крупных ветропарков в составе энергосистемы; участие ветроэнергетических установок в электроснабжении автономных потребителей (совместная работа дизельных электростанций и ВЭУ); участие ветроэнергетических установок в теплоснабжении потребителей (совместная работа котельных и ВЭУ); использование энергии ветра в технологиях переработки природного газа и др.

Мурманская область располагает значительными запасами гидроэнергоресурсов малых рек. Однако большинство малых рек расположено за пределами экономического радиуса их присоединения к энергосистеме. Поэтому развитие малой гидроэнергетики ограничивается сооружением всего около десяти, так называемых, системных малых ГЭС в пределах зоны, охватываемой Кольской энергосистемой, а также небольшого числа малых ГЭС в зоне децентрализованного энергоснабжения вблизи существующих населенных пунктов. К числу последних относятся прибрежные населенные пункты, расположенные недалеко от устья рек.

Ресурсы приливной энергии региона рассредоточены вдоль всей тысячекилометровой береговой линии Кольского п-ова. Использование приливов возможно далеко не повсеместно, а лишь там, где имеются подходящие акватории, позволяющие получить повышенное значение приливной волны (4-5 м и более). В этом плане заслуживает внимания Лумбовский залив на востоке Кольского п-ова, где может быть построена приливная электростанция мощностью в несколько сотен мегаватт.

Потенциал волновой энергии на северном побережье Кольского п-ова составляет в среднем около 25 кВт/м фронта волны, на побережье Белого моря - около 10 кВт/м. Использование волновой энергии в заполярных условиях представляет большие трудности. В первую очередь, из-за того, что максимум морского волнения приходится на холодное время года, когда температура воздуха принимает отрицательные значения, и все металлические конструкции подвергаются оледенению. Обслуживание волновых установок по этой причине, а также из-за короткого светового дня (полярной ночи), затруднено. Сложной в техническом плане является и передача энергии от волновых установок на берег потребителю. В совокупности перечисленные факторы делают проблематичным использование энергии морских волн в Мурманской области.

Запасы торфа в регионе значительны. Но месторождения торфа в основном сосредоточены на обширных территориях Терского и Ловозерского районов, удаленных от основных потребителей топлива на 100-200 км и более. Дорожно-транспортная сеть вблизи торфяных месторождений не

развита. Нельзя не учитывать также, что средняя глубина месторождений торфа составляет всего 1.4 м (для сравнения в Карелии - 2.1 м, в Архангельской области - 2.5 м). Это затрудняет промышленную разработку запасов торфа. Наконец, продолжительность сезона для естественной сушки торфа в условиях Мурманской области очень коротка. Фактически за три летних месяца потребуется добывать и сушить годовой запас топлива. Все это отодвигает возможное освоение ресурсов торфа в Мурманской области на дальнюю перспективу.

Биоэнергетические ресурсы региона (отходы животноводства, птицеводства, лесной и деревообрабатывающей промышленности) в сумме эквивалентны примерно 15 тыс. т у.т. в год (около 0.4% от годового потребления котельно-печного топлива области). Очевидно, что эти ресурсы могут иметь лишь местное значение, в основном применительно к тем предприятиям, которые эти отходы и производят.

Представленная оценка ресурсов нетрадиционных и возобновляемых источников энергии региона, анализ их достоинств и недостатков позволяет сделать следующее заключение о приоритетах их возможного практического использования.

Ресурсы солнечной энергии, энергии морских приливов и волн, ископаемые запасы торфа хоть и велики, но в ближайшей перспективе смогут найти в Мурманской области ограниченное применение, главным образом из-за неблагоприятных природно-климатических условий.

В отличие от этого ресурсы ветровой энергии и гидроэнергии малых рек располагают очевидными предпосылками для их широкого использования. В связи с этим решение вопросов их практического освоения заслуживает самого пристального внимания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Безруких П.П., Борисов Г.А., Виссарионов В.И. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. СПб.: Наука, 2002. 314 с. 2. Зубарев В.В., Минин В.А., Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера. Л.: Наука, 1989. 208 с. 3. Минин В.А., Дмитриев Г.С. Перспективы освоения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии на Кольском п-ове. Мурманск: Объединение Ве11опа, 2007. 92 с. 4. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. М.: ГУ ИЭС Минэнерго России, 2001. 544 с. 5. Минин В.А., Бежан А.В. Перспективы использования энергии ветра для теплоснабжения потребителей Европейского Севера. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2009. 56 с. 6. Справочник по климату СССР. Вып. 2. Ч. 1. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 62 с. 7. Минин В.А., Дмитриев Г.С., Иванова Е.А., Морошкина Т.Н., Никифорова Г.В., Бежан А.В. Энергия ветра - перспективный возобновляемый энергоресурс Мурманской области: препринт. Апатиты: Изд. кНц РАН, 2006. 73 с. 8. Минин В.А., Дмитриев Г.С. Перспективы использования энергии ветра и малых ГЭС в удаленных районах Мурманской области. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2007. 97 с. 9. Регионы СевероЗападного федерального округа. Социально-экономические показатели. Сыктывкар: Комистат, 2009. 203 с. 10. Мурманская область: справочник. Мурманск: Мурманскстат, 2009. 38 с.

Сведения об авторе

Минин Валерий Андреевич - к.т.н., зам. директора института, е-таП: minin@ien.kolasc.net.ru