Перспективы внедрения возобновляемых источников энергии в топливно-энергетический баланс Мурманской области

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

УДК 629.9

В.А.Минин ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ

Аннотация

Дан анализ современного состояния развития энергетики Мурманской области. Оценены ресурсы возобновляемых источников энергии (ВИЭ) региона, показаны приоритеты их возможного практического использования. Изучены перспективы внедрения ресурсов ветровой энергии и гидроэнергии малых гЭс в энергетическое хозяйство области. Приводится оценка возможного места ВИЭ в балансе электрической и тепловой энергии региона на перспективу до 2025 года.

Ключевые слова:

возобновляемые источники энергии, топливно-энергетический баланс.

V.A.Minin PROSPECTS FOR THE IMPLEMENTATION OF RENEWABLE ENERGY SOURCES IN FUEL AND ENERGY BALANCE OF MURMANSK

Abstract

The analysis of the current state of energy development of the Murmansk region. Assessed resources of renewable energy sources (RES) in the region, shows the priorities of their possible practical applications. Studied the prospects for implementation of wind energy resources, hydropower and small hydro power facilities in the area. An assessment of the possible location of RES in the balance of electric and thermal energy for the future of the region until 2025.

Key words:

renewable energy sources, fuel and energy balance.

В последние годы во всем мире ведутся исследования, направленные на вовлечение в топливно-энергетический баланс возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как энергия солнца, ветра, гидроэнергия малых рек, энергия приливов и др. В России также не сбрасываются со счетов возможности использования ВИЭ и предпринимаются шаги по вовлечению их в хозяйственный оборот. В «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», определяющей приоритеты развития энергетики страны на долгосрочную перспективу, предусмотрено увеличение масштабов использования ВИЭ. «Основными направлениями государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года», утвержденными Распоряжением правительства РФ 08.01.2009 № 1-р, также предусматривается наращивание объемов применения ВИЭ - как путь к энергосбережению, сокращению количества сжигаемого органического топлива и уменьшению загрязнения окружающей среды.

Мурманская область располагает широким набором возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, малые реки, приливы, волны и др.). Каждый из них имеет свои характерные особенности. Поступление солнечной энергии и гидроэнергии рек максимально в летнее время. В отличие от этого энергия ветра и энергия морских волн достигают своего максимума в зимнее время в период активной циклонической деятельности. Наконец, энергия морских приливов не зависит от времени года, ее среднемесячное значение неизменно в годовом и многолетнем разрезах. Отмеченные особенности ВИЭ предопределяют направления и возможные объемы их практического использования.

Современное состояние развития энергетики региона. Энергетическое хозяйство Мурманской области является хорошо развитым, в основном, централизованным и в полном объеме обеспечивает потребности потребителей в электрической и тепловой энергии. Электроэнергетика региона представлена Кольской энергосистемой, в составе которой работают Кольская АЭС (1760 МВт), семнадцать ГЭС (1587 МВт) и пять ТЭЦ (около 400 МВт). Суммарная установленная мощность энергосистемы составляет более 3700 МВт. С помощью ЛЭП 330 кВ энергосистема связана с Карелией и через нее с объединенной энергосистемой Северо-Запада России.

Регион располагает развитым теплоэнергетическим хозяйством, обеспечивающим жизнедеятельность всех промышленных центров, городов и поселков области. Теплоснабжение потребителей осуществляется, в основном, от котельных установок. Их насчитывается в регионе около 140, суммарная мощность достигает 5700 Гкал/ч.

Структура Кольской энергосистемы за последние два десятилетия практически не изменилась. Система является энергоизбыточной даже несмотря на ежегодную передачу около 3 млрд кВт.ч электроэнергии в Карелию. Для усиления связи с Карелией строится вторая линия электропередачи, которая позволит удвоить выдачу энергии.

Дальнейшая работа Кольской энергосистемы в ближайшее десятилетие увязывается с продлением сроков эксплуатации первых двух энергоблоков Кольской АЭС на 15 лет вплоть до 2018-2019 годов. Эксплуатация действующих ГЭС энергосистемы, в основном, будет продолжена в прежних объемах. Ожидается увеличение нагрузки Апатитской ТЭЦ в связи с планируемым присоединением к ней системы теплоснабжения города Кировска. Переход этого города от использования котельных, работающих на мазуте, к теплоснабжению от Апатитской ТЭЦ, работающей на угле, позволит загрузить ТЭЦ до проектного уровня и снизить затраты на выработку тепловой и электрической энергии.

Топливно-энергетический баланс региона. Суммарный годовой расход топливно-энергетических ресурсов в Мурманской области составляет около 10 млн тонн условного топлива (т у.т.). Из них 40% приходится на ресурсы ядерного топлива, используемые на Кольской АЭС. Около 22 % представляют собой гидроэнергоресурсы, преобразуемые в электроэнергию на 17 ГЭС региона. Остальные 38% - это органическое топливо (мазут, уголь, светлые нефтепродукты, газ и др.), которое сжигается на котельных и ТЭЦ, расходуется на технологические нужды в промышленности, транспорте и т.д.

В целом топливно-энергетический баланс Мурманской области характеризуется высокой долей энергоресурсов, производимых без сжигания органического топлива (62%). Благодаря этому регион в 2.5 раза меньше завозит органического топлива (мазута, угля), что значительно снижает нагрузку на магистральный железнодорожный транспорт и благотворно сказывается на экологической ситуации в регионе.

Перспективы электропотребления. Мурманская область относится к числу районов с высоким уровнем потребления электрической энергии на душу населения - около 14000 кВт-ч/(чел. год). Это определяется высокой энергоемкостью предприятий горнопромышленного комплекса и цветной металлургии. В настоящее время электропотребление области находится на уровне 13 млрд кВт-ч в год. В перспективе оно может существенно возрасти в связи с развитием Мурманского транспортного узла и освоением Штокмановского газоконденсатного месторождения. Строительство магистрального газопровода в центр России, а также завода по сжижению природного газа в районе пос. Териберка может способствовать увеличению объемов энергопотребления до 27-29 млрд кВт-ч в год на рубеже 2020-2025 годов. Все это потребует изыскания дополнительных источников энергии. В числе таковых могут быть рассмотрены и местные возобновляемые источники энергии.

Ресурсы возобновляемых источников энергии (ВИЭ) региона. Мурманская область располагает большими запасами возобновляемых источников энергии (ветра, солнца, малых рек, морских приливов, волн и др.), которые в определенных условиях могут составить конкуренцию традиционным источникам энергии или выгодно дополнить их. Исследования показали, что технические ресурсы ВИЭ региона огромны (млрд. кВт-ч): солнечная энергия - 11000, ветровая - 360, гидроэнергия малых рек - 4.4, приливы - 2.0, морские волны - 1.6. Но если говорить об экономических ресурсах (тех, использование которых экономически оправдано), то энергия солнца и морских волн практически выпадают из рассмотрения ввиду дороговизны их использования в суровых условиях Заполярья. В итоге по приоритетности возможного практического использования на передний план выдвигаются энергия ветра и гидроэнергия малых рек.

Перспективы развития ветроэнергетики. На Кольском полуострове имеет место высокий потенциал ветровой энергии, особенно в прибрежных районах Баренцева и Белого морей. Технические ресурсы ветра этой части региона оцениваются десятками миллиардов киловатт-часов. Они в несколько раз больше, чем технические гидроэнергоресурсы региона, долгое время составлявшие основу заполярной энергетики. Предпосылками, благоприятствующими применению ветроэнергетических установок в Мурманской области, являются: высокий потенциал ветра; зимний максимум интенсивности ветра; наличие в энергосистеме 17 ГЭС с водохранилищами, позволяющими накапливать воду за счет работы ВЭУ в период активных ветров и срабатывать ее при ослаблении ветра. Именно наличие ГЭС и возможность их работы в компенсационном режиме создают на Кольском полуострове уникальные условия для крупномасштабного использования этого возобновляемого энергоресурса.

Возможные направления развития ветроэнергетики. Основными из них являются:

- работа ветропарков в составе энергосистемы (системная ветроэнергетика);

- применение ВЭУ для энергоснабжения удаленных изолированных потребителей (автономная ветроэнергетика);

- участие ВЭУ в теплоснабжении потребителей;

- использование ветроэнергетических установок в технологиях добычи, переработки и транспортировки природного газа Штокмановского месторождения.

Работа ветропарков в составе энергосистемы. Верхние водохранилища пяти из шести каскадов ГЭС Кольской энергосистемы обладают емкостью, достаточной как для ведения многолетнего регулирования на ГЭС, так и для участия в выравнивании непостоянства поступления энергии от ветропарков. Особо благоприятными возможностями для аккумулирования энергии в интересах

ветроэнергетики располагают Териберское, Серебрянское и Туломское водохранилища. Большая полезная емкость водохранилищ обеспечивает возможность создания значительных запасов энергии, а высокие напоры (соответственно 113, 76 и 55 м) делают каждый запасенный кубометр воды весьма энергоэффективным.

Исследованиями установлено, что в целях оптимизации режимов совместной работы ветропарков и ГЭС необходимо внести изменения в правила и принципы сработки и наполнения водохранилищ. Эти изменения должны учитывать, что готовить водохранилища нужно не только к приему паводковых вод (гидроэнергоресурсов), но и к приему осенне-зимнего максимума энергии ветра (ветроэнергоресурсов). Максимально возможная мощность ветропарков, вписывание которой в водноэнергетический режим существующих ГЭС может пройти безболезненно, может составить около 700 МВт. Внедрение в состав Кольской энергосистемы ветропарков большей суммарной мощности возможно, если в ней нарастить долю маневренных мощностей. Это можно сделать за счет реконструкции ГЭС в сторону увеличения их установленной мощности, сооружения новых пиковых ГЭС или газотурбинных электростанций.

Применение ВЭУ для энергоснабжения автономных потребителей. В прибрежных районах Мурманской области имеется большое число удаленных изолированных населенных пунктов (метеостанций, маяков, пограничных застав, объектов Северного флота, рыболовецких колхозов и др.), энергоснабжение которых осуществляется от местных дизельных электростанций и котельных установок. Себестоимость электрической и тепловой энергии, вырабатываемой на таких энергоустановках, оказывается в 6-8 раз выше, чем при централизованном энергоснабжении, не в последнюю очередь за счет дороговизны жидкого топлива, доставляемого с большими транспортными издержками. Участие ветроэнергетических установок в покрытии графиков электрической и тепловой нагрузки может способствовать экономии топлива, снижению себестоимости вырабатываемой энергии и улучшению экологической ситуации.

Использование ветровой энергии на нужды теплоснабжения. Существует ряд предпосылок, благоприятствующих такому использованию энергии ветра на Кольском полуострове. В первую очередь это продолжительный отопительный сезон (около 9-10 месяцев) и зимний максимум интенсивности ветра, совпадающий с максимумом потребности в тепловой энергии со стороны потребителей. Применение ВЭУ позволит превратить ветер из отрицательного климатического фактора, определяющего повышенные теплопотери, в полноценный источник тепловой энергии, способствующий экономии дорогостоящего топлива. При использовании энергии ветра для отопления не обязательны высокие требования к качеству энергии, вырабатываемой ВЭУ. Не критичным становится основной недостаток ветровой энергии - непостоянство во времени, так как имеющие место колебания мощности ВЭУ сглаживаются за счет аккумулирующей способности собственно системы теплоснабжения и отапливаемых зданий.

Использование энергии ветра в технологиях переработки природного газа. Это новое направление просматривается в связи с ожидаемым освоением Штокмановского газоконденсатного месторождения. Планируется довести добычу газа к 2020 году до 71 млн м3 в год. Часть газа будет по газопроводу направлена в центральные районы страны, а другая будет сжижена (около 30 млн т/год) и в таком виде экспортирована по морю за рубеж. Завод по сжижению газа в районе Териберки

потребует огромного количества электроэнергии. Скорее всего, не обойтись без сооружения местных тепловых электростанций, работающих на том же природном газе. Учитывая, что число часов использования установленной мощности ветроустановок вблизи Териберки составляет не менее 3000-3500 в год, электропотребление завода почти наполовину может быть покрыто за счет работы ветропарков. Применение ВЭУ позволит сократить расходы газа на собственные нужды завода и увеличить его экспортный потенциал, используя в больших объемах местный возобновляемый энергоресурс, каковым является ветер. Появляется уникальная возможность «закачивать» энергию ветра в сжиженный природный газ и экспортировать за рубеж.

Малая гидроэнергетика. В Мурманской области имеется много малых рек, пригодных для сооружения малых ГЭС. На них выделено около 10 створов, наиболее перспективных для сооружения малых системных ГЭС. Створы расположены на реках Пиренга, Оленка, Ура, Титовка и Тумча. Суммарная мощность малых ГЭС на перечисленных реках может составить около 70 МВт. Кроме того выявлены створы для первоочередных автономных малых ГЭС, ориентированных на энергоснабжение децентрализованных потребителей. Среди них малая ГЭС на реке Чаваньга мощностью 1250 кВт в 8 км от одноименного села, а также малая ГЭС мощностью 500 кВт на Ельреке (притоке Поноя) в 12 км от села Краснощелье.

Технико-экономическая оценка перспектив использования ВИЭ. Она выполнялась по показателю чистого дисконтированного дохода (ЧДД). Прибыль, которая может быть получена от использования возобновляемых источников энергии, зависит от потенциала этих источников, стоимости топлива, сжигаемого на традиционных установках, затрат на сооружение объектов возобновляемой энергетики и от тарифа, по которому вырабатываемая энергия может быть реализована. Что касается тарифов, то за основу были взяты предельные минимальные уровни тарифов, устанавливаемые Федеральной службой по тарифам. Для Мурманской области на 2010 год он составлял 1.34 руб/кВт-ч, на 2011 год - около 1.55 руб/кВт-ч. В последующие годы согласно сценарию развития экономики РФ рост тарифов составит 10-12%. В последующие годы рост снизится, но будет, по крайней мере, не ниже уровня инфляции. Последняя в 2011 году составляла около 7%. Ожидается ее снижение в 2012-2014 гг. до 4-5%. Правительство РФ стремится сохранить положительную тенденцию и выйти в перспективе на европейский уровень инфляции. Расчеты показали, что если сказанное принять во внимание, то дисконтированный срок окупаемости ветропарков, работающих в прибрежных районах Кольского полуострова, составит 8-12 лет при сроке службы ВЭУ около 20 лет. Близкими к этим оказываются и показатели окупаемости малых ГЭС. Все это свидетельствует о перспективности развития ветроэнергетики и малой гидроэнергетики в регионе.

Региональная целевая программа развития возобновляемой энергетики. Проект такой Программы на период до 2015 года был разработан Кольским научным центром РАН в 2009 году. Программа нацелена на расширение приходной части топливно-энергетического баланса региона и снижение его зависимости от внешних поставок топлива. Она предполагает освоение ВИЭ региона по нескольким направлениям, среди которых наиболее значимым является развитие ветроэнергетики. В программе предусмотрен выбор площадок для ветропарков, их строительство, опытная эксплуатация, отработка режимов совместной работы ВЭУ с другими электростанциями энергосистемы, в первую очередь с ГЭС. Ожидается, что в реализации этого направления примут участие ЗАО «Windlife Arctic Power» (Голландия), ЗАО «Русский ветер», Газпром, РусГидро, территориальная генерирующая компания (ТГК-1) и другие организации. Суммарная мощность объектов ВИЭ в этой программе составляет 387 МВт.

Шесто ВИЭ в балансе электрической и тепловой энергии региона на перспективу до 2025 года. При формировании перспективного баланса электроэнергии (табл.1) учитывались перспективы развития региона, появление новых производств, которые в значительной мере определят рост электропотребления. Принималась во внимание дополнительная загрузка к 2013 году Апатитской ТЭЦ за счет подключения к ней системы теплоснабжения г. Кировска, строительство к 2020 году Мурманской ТЭЦ-2 мощностью 576 МВт. Были учтены основные положения инвестиционной программы концерна «Росэнергоатом», предусматривающей продление на 15 лет сроков эксплуатации 3 и 4 энергоблоков Кольской АЭС, а также строительство к 2020 году Кольской АЭС-2 (4 блока по 300 МВт или 2 блока по 1150 МВт).

Таблица 1

Баланс электроэнергии Мурманской области на период до 2025 г.

Факт Оценка

2008 2012 2015 2018 2020 2025

I. Потребность (традиционное потребление) 13.0 13.0 13.4 13.8 14.1 14.8

Потребление новых производств - 0.3 3.8 7.0 12.5 13.2

Экспорт 0.6 0.6 0.7 0.8 1.0 1.0

Итого потребность 13.6 13.9 17.9 21.6 27.6 29.0

II. Производство

ГЭС + ветропарки 6.7 6.6 7.0 7.6 8.0 9.4

в том числе ветропарки - - 0.4 0.9 1.2 2.6

ТЭЦ 0.5 0.9 0.9 2.1 4.3 4.5

АЭС, всего 10.7 11.5 13.2 12.1 15.3 15.3

в том числе действующая АЭС-1 новая АЭС-2 10.7 11.5 13.2 10.0 2.1 6.8 8.5 6.8 8.5

Северная ПЭС - 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03

ГТУ собств. нужд + ветропарки 2.6 2.6 2.6 2.6

в том числе ветропарки 0.3 0.9 0.9 0.9

Итого производство в том числе ВИЭ 17.9 19.0 0.03 23.7 0.7 24.4 1.8 30.2 2.1 31.8 3.5

Избыток (+), дефицит (-), млрд кВтч +4.3 +5.1 +5.8 +2.8 +2.6 +2.8

В этих условиях наращивание объемов освоения возобновляемых источников энергии может быть осуществлено за счет реализации намерений голландской компании «Windlife Arctic Power», планирующей сооружение ветропарков в районе Серебрянского и Териберского каскадов ГЭС с доведением их мощности к 2025 году до 500 МВт.

В свою очередь российская компания «Русский ветер» собирается построить ветропарки в районе Лиинахамари и довести их суммарную мощность до l0o МВт в 2016 году.

Строительство завода по сжижению природного газа в районе Териберки также открывает дополнительные возможности для использования энергии ветра. В случае обеспечения собственных нужд завода в электроэнергии от газотурбинной электростанции мощностью 650 МВт (а такой вариант оценивается) возможна параллельная работа ветропарков с этой станцией. Применение ВЭУ может обеспечить экономию до 40-50% потребляемого электростанцией газа и пополнить им экспортную составляющую завода. В итоге (табл.1) вклад ветроэнергетических ресурсов в электроэнергетику региона может составить в 2020 году 2.1 млрд кВтч (около 7%), а в 2025 году - 3.5 млрд кВтч (около 12%).

Использование энергии ветра может также расширить приходную часть баланса тепловой энергии региона. Применение ВЭУ для совместной работы с котельными заслуживает внимания применительно к потребителям, расположенным в прибрежной, наиболее ветреной зоне Баренцева моря (населенные пункты Островной, Териберка, Заозерск, Полярный, Видяево, Скалистый, Снежногорск, и др.). Здесь проживает около 70 тыс. человек, а суммарная мощность котельных составляет около 480 Гкал/ч. Оптимальная суммарная мощность ветроустановок, работающих совместно с котельными, может составить 380 Гкал/ч (440 МВт). Они могут покрыть до 60-70% годовой выработки котельных, что оценивается в 700 тысяч Гкал в год. В балансе тепловой энергии области на 2025 г. это составит 4.1% (табл.2).

Таблица 2

Баланс тепловой энергии Мурманской области на период до 2025 г.

Оценка

2010 г. 2015 г. 2020 г. 2025 г.

% % % %

Производство, млн Гкал 14.3 100.0 15.2 100.0 16.1 100.0 17.0 100.0

% 100.0 106.3 112.6 118.9

в том числе котельные + ВЭУ из них ВЭУ 10.7 74.8 10.9 0.07 71.7 0.5 8.4 0.43 52.2 2.7 8.6 0.7 50.6 4.1

ТЭЦ 3.3 23.1 3.9 25.7 7.2 44.7 7.8 45.9

др. установки 0.3 2.1 0.4 2.6 0.5 3.1 0.6 3.5

потери -2.3 -16.1 -1.7 -11.2 -1.3 -8.1 -1.2 -7.0

Потребление, млн Гкал 12.0 83.9 13.5 88.8 14.8 91.9 15.8 93.0

% 100.0 112.5 123.3 131.7

в т.ч. население 5.8 40.6 6.2 40.8 6.6 41.0 6.8 40.0

промышленность 3.8 26.6 4.7 30.9 5.4 33.5 6.0 35.3

прочие отрасли 2.4 16.7 2.6 17.1 2.8 17.4 3.0 17.7

В целом в топливно-энергетическом балансе Мурманской области на перспективу 2020 г. доля возобновляемых источников энергии оценивается в 6.7%, а на перспективу 2025 г. - в 10.6%. Решением Правительства РФ намечено поднять этот показатель в среднем по стране до 4.5% в 2020 году. Для Мурманской области, располагающей большими ресурсами ВИЭ, можно ожидать более высокого значения этого показателя.

Сведения об авторе

Минин Валерий Андреевич,

зам. директора Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, зав. лабораторией энергосбережения и возобновляемых источников энергии, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: minin@ien.kolasc.net.ru