Основные подходы к исследованию возобновляемых источников энергии как энергетического потенциала территорий и застройки

Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология

VESTNIK

MGSU

УДК 620.91 + 711

О.И. Поддаева, И.В. Дуничкин, О.А. Кочанов

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ИССЛЕДОВАНИЮ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ТЕРРИТОРИЙ И ЗАСТРОЙКИ

Определены особенности энергетического потенциала на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), территориального планирования с использованием ВИЭ, интеграции оборудования для получения энергии из возобновляемых источников в архитектуру зданий. Представлена оценка различных видов возобновляемых источников энергии, наиболее подробно описаны особенности ветроэнергетического потенциала и работа ветроэнергетических установок.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, энергетический потенциал, ве-тропарк, ветрогенератор.

Градостроительное развитие территорий в России сопровождается изменением состояния окружающей среды, значительным увеличением потребности в энергии для расширяющихся урбанизированных кластеров, имеющих высокую концентрацию населения и плотность застройки. В складывающейся ситуации важен вопрос оптимизации роста потребления энергии путем использования энергоэффективных технологий для строительства и эксплуатации застройки во взаимосвязи с технологиями возобновляемых источников энергии [1]. Последнее продиктовано тем, что сегодня промышленность, транспорт и инфраструктура основываются преимущественно на исчерпаемых углеводородах. Актуальность применения возобновляемых источников энергии непосредственно в застройке уже назрела давно, так как в случае с нефтью пик ее добычи достигнут в 2005 г. Конечно, нефть и другие ресурсы не иссякнут моментально, поскольку динамика добычи описывается кривой Гаусса. Этой закономерности соответствует положение как определенного месторождения, так и страны или планеты в целом. На восходящем склоне кривой нефтедобычи — всевозрастающее изобилие, на нисходящем — дефицит и повышение цен на нефтепродукты (рис. 1). Пик кривой соответствует точке исчерпания половины запасов. Как только пик пройден, добыча начинает сокращаться, в то время как затраты начинают расти. В практическом отношении это означает, что объем всемирной добычи нефти в 1980 г. равен возможностям по нефтедобыче в 2030 г.

Нынешние темпы урбанизации и прироста населения городов увеличивают экологический след от каждого горожанина несмотря на применение энергоэффективных технологий и экономию ресурсов. Сейчас большая часть товаров и продуктов питания в корзине потребителя получается из нефти, при помощи нефти или доставляется с использованием углеводородного топлива. Прогнозируемое увеличение населения городов в 2030—2040 гг. почти в два раза больше относительно 1970—1980 гг. Это сводит на нет все технологические ухищрения по экономии ресурсов. Даже без дополнительных расчетных обоснований понятно, что мировая потребность в энергии в 1,5.. .2,5 раза может превысить темпы добычи нефти после 2040 г. [2].

Поиск альтернатив в замене ископаемого топлива ставит вопрос о том, как получить информацию об энергетическом потенциале территории и застройки по возобновляемым источникам энергии. И в первую очередь это энергия воды, солнца и

© Поддаева О.И., Дуничкин И.В., Кочанов О.А., 2012

221

ВЕСТНИК

10/2012

ветра. Для российских условий наибольший интерес вызывают возможности развития ветроэнергетики. Однако по экспертным оценкам энергию ветра целесообразно сочетать с другими источниками ввиду неравномерности выработки. Такой комплексный подход к энергетике, территориальному планированию, а также учет возможностей интеграции технологий возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в архитектуру зданий и сооружений может помочь сформулировать новые условия для развития перспективной энергетической специализации субъектов Российской Федерации исходя из природно-климатических и градостроительных условий [3]. При включении местной экономики в инвестирование покупки оборудования на основе возобновляемых источников энергии возникает возможность достигнуть устойчивости в формировании системы расселения, опирающейся на региональные зоны опережающего экономического роста с комфортной средой обитания человека [4].

World Oil Production 1900—2080

90т

80

ь 60

cd

pq

^

о

СЛ

с

О

50

40

3 30

20

10 0

1900

1920 1940 1960

1980 2000 2020 2040 2060 2080

Рис. 1. График мировой нефтедобычи в 1900—2080 гг. [2]

Особое значение приобретают именно ВИЭ, так как развитие территории и планирование новых объектов на ней сопряжено с возникновением дополнительных потребностей в энергии для уже сложившегося энергобаланса. В связи с чем необходимо рассматривать особенности их технологий, равномерность и количество вырабатываемой энергии и их градостроительные характеристики, которые включают в себя весь комплекс показателей (плотность и площадь застройки, различные ограничения, в т.ч. санитарно-защитные зоны и т.п.).

При рассмотрении географических и климатических особенностей регионов России в существующей стратегии по энергообеспечению на первый план выходят гидроэнергетические объекты ВИЭ. Пока развитие строится на крупных гидроэлектростанциях (ГЭС), формирующие под себя планировочную ситуацию, являющиеся по сути, градообразующим фактором как место приложения труда, так и в качестве источника энергии для местной промышленности и глобальной энергосистемы. Перспектива градостроительного освоения территории расширяет виды объектов гидроэнергетики. В их число входят приливные и волновые электростанции в прибрежных зонах, а так же обладающие наибольшим потенциалом малые ГЭС, устанавливаемые на малых реках или даже ручьях в виде погружных турбин или мини ГЭС. Именно градостроитель-

ный масштаб применения малых ГЭС дает значительный прирост энергии по территории. Характеристика вырабатываемой энергии носит равномерный характер, что дает возможность применения малых ГЭС для местной промышленности, энергоснабжения общественной и жилой застройки, а так же для выравнивания уровня выработки энергии от ветроэнергетических установок. Оценка распределения суммарной солнечной радиации и ветроэнергетического потенциала по территории России выделяет такие регионы, как Дальний Восток, Краснодарский край и прилегающие к нему области [5]. Солнечные электростанции характеризуются потребностью в значительных площадях и минимальной запыленности атмосферы, при этом эти территории подвержены значительным ветровым нагрузкам, в связи с чем фотоэлектрические панели и коллекторы подвержены воздействию ветра в незащищенных условиях. Выработка энергии на основе солнца носит предсказуемый среднеравномерный характер и зависит от распределения суммарной облачности. Такие показатели дают возможность использования солнечной энергии для общественной и жилой застройки, в качестве резервного питания для местной промышленности, а также для выравнивания выработки электроэнергии [6]. Это подтверждается предварительной экономической оценкой комплексной солнечно-ветровой энергоустановки, которая приведена на рис. 2.

Рис. 2. Карта расчетной себестоимости электроэнергии, вырабатываемой солнечно-ветровой энергоустановкой, цент/кВтч [5]

Информация о среднегодовых скоростях ветра по территории позволяет сориентироваться на перспективную выработку электроэнергии (рис. 3). Следует отметить, что для организации ветропарков (рис. 4), кроме собственной территории ветроэнергетических установок, требуется организация санитарно-защитной зоны. Выработка энергии носит не равномерный характер и требует компенсации спадов нагрузки даже на территориях с оптимальными условиями (рис. 5). Такие показатели дают возможность эффективного использования ветроэнергетических установок в системе с другими видами источников энергии или предусмотреть развитие обширной сети, в которой будет возможность перераспределять вырабатываемую энергию [6].

Реализация задач территориального планирования на ближайшую перспективу зависит от учета баланса разных видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ), включающих также топливо на основе этанола, биогаза и биодизеля. Рассмотрение энергопотенциала на макроуровне и мезо- и микроуровнях ветрового и аэрационного режимов позволяет выявлять условия, в которых интеграция в конструкции зданий и сооружений оборудования для выработки энергии из возобновляемых источников бу -дет более выгодна. Таким образом, предоставляется возможность оценивать перспек-

ВЕСТНИК

10/2012

тивы развития, реконструкции застроики и создания новых систем расселения, ориентированных на больший энергетический потенциал территории. Реализация подобных подходов в территориальном планировании не возможна без рассмотрения вопросов охраны природной среды и совместной разработки природно-экологического каркаса и схемы территориального планирования района в целом. Оценка распределения энергопотенциала и размещения энергетических объектов ВИЭ в природно-экологи-ческом каркасе представляет собой систему, дающую аналитическую информацию о качестве и значимости проектных решений в природных и природоподобных комплексах и представляющую собой инструмент принятия решений при комплексном территориальном планировании. Для возможности использования результатов оценки размещения электростанций на основе ВИЭ и распределенных генерирующих мощностей в практике территориального планирования, природно-экологический каркас территории должен включать энергетический объект как неотъемлемый элемент своей структуры. В связи с этим предложения по размещению инфраструктуры энергетических объектов на основе ВИЭ должны учитывать следующие основные принципы [7]:

территориальной целостности (неразрывности) элементов природно-экологического каркаса территории;

геоэкологической репрезентативности, ландшафтного и биологического разнообразия;

иерархической соподчиненности элементов природно-экологического каркаса и энергетических объектов на основе ВИЭ.

20* 30' 40°

60' 70° 80° 90° 100° 110* 120° 130° 140* 150° 160° 170: 180^

СЕВЕРНЕЙ Л ^ Д ОВИТЫ И ОКЕАН

^ВОСТОЧНО-СИБИРСКОЕ

МОРЕ о ер—«"

Рис. 3. Распределение значений среднегодовых скоростей ветра на высоте 10 м по территории России (по данным НАСА) [5]

Природно-экологический каркас обеспечивает комплексное представление о структуре и функционировании природных комплексов на территории при размещении энергетических объектов ВИЭ, дает комплексную оценку значимости элементов природной среды и природно-энергетического потенциала при планировании стратегического развития муниципального образования. Это позволит вести эффективное территориальное планирование с учетом современных технологий ВИЭ и вопросов охраны природной среды.

Следует отметить, что именно при размещении ветропарков возникают значительные воздействия на флору и фауну, что ведет к необходимости совместной оценки ветроэнергетического потенциала и природно-экологического каркаса. Кроме того, опыт эксплуатации ветропарков в Европе показывает, что в ряде случаев при ограниченных возможностях электросети возникает значительная неравномерность вы-

работки, в связи с чем происходит значительный перерасход энергии из других источников. В частности, экспертами Ченстаховского политехнического университета из Польши была высказана гипотетическая стратегия о том, что в конечном итоге эксплуатация рассредоточенных по территории ветропарков или отдельных ветроэнергетических установок более выгодна в связи с тем, что суммарная выработка становится выше из-за взаимодействия с более широким спектром ситуаций ветрового режима.

Такая гипотеза рассматривает не только ветроэнергетические установки с мощностью в несколько мВт, а и так называемые малые ветроэнергетические установки с мощностью в несколько кВт. В свою очередь широкомасштабное размещение ветроэнергетических установок в застройке в ближайшей перспективе затруднительно. Это обусловлено вибрационными и акустическими воздействиями на человека. Поэтому при рассмотрении ветроэнергетического потенциала для территории необходимо соблюдение санитарных условий размещения ветропарков, состоящих из мегаваттных установок. При размещении малых ветроэнергетических установок на зданиях проблема вибраций и акустики стоит еще острее. Проблема решается использованием в конструкциях крепления дополнительных элементов для погашения вибрации и растяжек для распределения пульсирующей нагрузки от ветра. Для

Рис. 4. Первый ветропарк в России под городом Зеленоградском в Калининградской области. Запуск в эксплуатацию 1995 г.

Рис. 5. Ветрогенератор на крыше корпуса младших курсов МГСУ. Запуск в эксплуатацию в 2012 г.

эффективного расположения малой ветроэнергетической установки важно оценить ситуацию пограничных течений по поверхности крыши и фасадов. Это даст возможность выявить имеющийся у формы потенциал по ветру. При штилевой ситуации летом необходимо также учесть эффект температурной конвекции, который может формировать в зависимости от ориентации здания по сторонам света и действию солнца в разное время дня локальные потоки воздуха, обладающие скоростью около 3 м /с. Для некоторых моделей этого может быть достаточно для начала работы ве-трогенератора. Уточнение ветроэнергетического потенциала возможно при помощи численного моделирования с обязательной проверкой при помощи физического экс-

перимента над моделями в аэродинамической трубе, однако в экономическую оценку необходимо включать затраты на поддержание равномерного напряжения сети.

Для натурного моделирования в Московском государственном строительном университете (МГСУ) Учебно -научно-производственная лаборатория по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций проводит исследования малых ветроэнергетических установок, размещаемых на крыше зданий МГСУ. Пока произведены опытная установка и запуск для тестирования ветроэнергетической установки мощностью в 5 кВт на крыше корпуса младших курсов МГСУ (см. рис. 5). Уже сейчас первые результаты исследования позволяют формировать методы и подходы к оценке размещения этого оборудования. Планируемое расширение типов установок даст возможность не только сориентироваться в решении проблемы защиты от вибрации и других воздействий, а и оптимизировать размещение подобного оборудования в застройке.

Так формируются предпосылки к развитию комплексного подхода к проектированию энергетически автономных зданий, основывающегося на том, что здание и энергоисточники рассматриваются как единое целое и объединены общей системой управления, снижающей потери энергии. За счет пространственного расположения оборудования ВИЭ на конструкциях здания получают энергию, не занимая никакой дополнительной площади земли. При расположении в условиях сложного рельефа и ландшафта с широким озеленением актуальность интегрированного в здание оборудования ВИЭ так же возрастает. Энергообеспечение на основе интегрированного оборудования позволяет повышать энергоэффективность зданий. В свою очередь, при соблюдении законов эстетики это помогает развивать понятие устойчивой архитектуры и расширить внедрение оборудования ВИЭ. Таким образом, для развития устойчивой архитектуры необходимой основой являются концепции энергетически автономных зданий и комплексов.

Подобное комплексное ориентирование позволяет вести дальнейшую разработку типологии по энергетической автономности, понять общие тенденции в развитии технологии ВИЭ и это вносит понимание в то, почему инвестиции в технологии возобновляемых источников энергии (ВИЭ) имеют ограниченную экономическую эффективность. А именно: из-за отсутствия отлаженной инфраструктуры ВИЭ, рынок энергии основывается на сложившейся системе расселения и промышленного производства. Программы по переходу на возобновляемые источники энергии идут за счет дотаций и налоговых льгот со стороны государства. Инвесторы настроены весьма оптимистично, однако их интерес зависит от законодательных стимулов перехода экономики на ВИЭ, которые по себестоимости киловатта пока что дороже, чем электроэнергия из общей сети. Поэтому при рассмотрении структуры сложившихся поселений речь идет не о модернизации с применением новых технологий ВИЭ, а о конкурентной борьбе за рынок там, где есть основа в виде существующей инфраструктуры. В связи с этим важно понимать типологические характеристики поселений, их территорий и зданий, а также то, как они могли бы быть классифицированы с точки зрения потребления энергии. Ситуация меняется при рассмотрении нового строительства или поселений в районах без централизованного энергоснабжения. Именно эта ниша перспективна для развития рынка ВИЭ. Однако отработка решений и экспериментальная практика внедрения ВИЭ на примере размещения ветроэнергетических установок по-прежнему целесообразна в крупных технических и научных центрах, таких как Национальный исследовательский университет МГСУ В заключение следует отметить, что вопрос автономности и самообеспечения является стартом для развития технологической платформы ВИЭ [4], которая должна будет включать в себя инфраструктуру поселений и общую сеть с применением технологий SMART GRID.

Библиографический список

1. Дуничкин И.В., Кочанов О.А. Устойчивое развитие экопоселка. Концепция «ГЕНОМ» Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym. Ченстохова (Польша) : WPC, 2011. С. 35—45.

2. Попель О.С. Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии // Энергосбережение. 2006. № 3. С. 60—65.

3. Гриднев Д.З. Проектирование природно-экологического каркаса в составе градостроительной документации // Проблемы региональной экологии. 2009. № 6. С. 18—25.

4. Фортов В.Е., Попель О. С. Энергетика в современном мире. М. : Интеллект Групп, 2011. С. 168.

5. Некоторые вопросы проектирования поселений с позиции биосферной совместимости /

B.А. Ильичев, В.И. Колчунов, А.В. Берсенев, А.Л. Поздняков / РААСН // Академия. 2009. № 1.

C. 50—57.

6. Шеповалова О.В., Дуничкин И.В. Энергопотенциал зданий и территорий экопоселков на основе возобновляемых источников энергии. Элементы систем энергообеспечения как часть конструкций зданий // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании : Междунар. науч. конф. Т. 1. М. : МГСУ, 2011. С. 337—341.

7. Электронный ресурс общественной организации Медиа-центра «Креатив» о пике нефти www.creativ.pp.ua/?p=3547. Дата обращения: сентябрь 2012.

Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.

Об авторах: Поддаева Ольга Игоревна — кандидат технических наук, доцент, руководитель Учебно-научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций (УНПЛ ААИСК), начальник Центра управления научной и инновационной деятельностью (ЦУНИД), доцент кафедры теоретической механики и аэродинамики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495)739-33-02, poddaeva@mgsu.ru;

Дуничкин Илья Владимирович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Учебно-научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций (УНПЛ ААИСК), доцент кафедры проектирования зданий и градостроительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ecse@bk.ru;

Кочанов Олег Александрович — аспирант кафедры проектирования зданий и градостроительства, инженер Учебно-научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций (УНПЛ ААИСК), ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, arch-ideal@mail.ru.

Для цитирования: Поддаева О.И., Дуничкин И.В., Кочанов О.А. Основные подходы к исследованию возобновляемых источников энергии как энергетического потенциала территорий и застройки // Вестник МГСУ. 2012. № 10. С. 221—228.

O.I. Poddaeva, I.V. Dunichkin, O.A. Kochanov

BASIC APPROACHES TO THE RESEARCH OF RENEWABLE SOURCES OF ENERGY AS THE ENERGY POTENTIAL OF TERRITORIES AND BUILT-UP AREAS

The authors have analyzed the energy potential of the Russian regions based on the planning of territories through the employment of renewable sources of energy, their incorporation into architectural solutions applicable to buildings and structures. The authors also provide their comparative analysis of different sources of renewable energy, of which windmills are covered in more detail.

Urban development of Russia is accompanied by environmental changes and substantial growth of power consumption caused by the expansion of urban clusters that feature high concentration of population and housing density. Against this background, optimization of energy consumption through the incorporation of energy efficient technologies and renewable sources of energy into the process of construction and operation of buildings is of particular importance. The principal

renewable sources of energy include water, sun, and wind. Wind power engineering best fits the conditions of the Russian territories. However, experts believe that the wind power is to be backed by other sources due to the irregularity of its generation. This approach to the power generation and planning of territories coupled with the integration of renewable energy technologies into architectural designs of buildings and structures will make it possible to identify the prerequisites for the energy generation specialization of the subjects of the Russian Federation on the basis of their climatic conditions and urban development patterns. Private investments into renewable sources of energy will assure sustainable population settlement patterns and optimal energy generation and consumption.

Key words: renewable energy sources, energy potential, wind farm, wind mill.

References

1. Dunichkin I.V., Kochanov O.A. Ustoychivoe razvitie ekoposelka. Kontseptsiya„GENOM"[Sustainable Development of an Ecovillage. The Genome Concept]. Genome Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym. Czestochowa, Poland, WPC, 2011, pp. 35—45.

2. Popel' O.S. Avtonomnye energoustanovki na vozobnovlyaemykh istochnikakh energii [Autonomous Energy Generators Based on Renewable Sources of Energy]. Energosberezhenie [Energy Efficiency]. 2006, no. 3, pp. 60—65.

3. Gridnev D.Z. Proektirovanie prirodno-ekologicheskogo karkasa v sostave gradostroitel'noy doku-mentatsii [Environmental Design within the Framework of Urban Development Documentation]. Problemy regional'noy ekologii [Problems of Regional Ecology]. 2009, no. 6, pp. 18—25.

4. Fortov V.E., Popel' O.S. Energetika vsovremennom mire [Energy Engineering in the Present-day World]. Moscow, Intellekt Grupp Publ., 2011, 168 p.

5. Il'ichev V.A., Kolchunov V.I., Bersenev A.V., Pozdnyakov A.L. Nekotorye voprosy proektirovaniya poseleniy s pozitsii biosfernoy sovmestimosti [Some Issues of Design of Settlements from the Viewpoint of Biospheric Compatibility]. Akademiya [The Academy], 2009, no. 1, pp. 50—57.

6. Shepovalova O.V., Dunichkin I.V. Energopotentsial zdaniy i territoriy ekoposelkov na osnove vozobnovlyaemykh istochnikov energii. Elementy sistem energoobespecheniya kak chast' konstruktsiy zdaniy. [The Energy Potential of Buildings and Territories of Ecovillages Based on Renewable Sources of Energy. Elements of Energy Supply Systems as Part of Building Structures]. International Scientific Conference "Integration, Partnership, and Innovations in Civil Engineering Sciences and Education" Vol. 1. Moscow, MGSU Publ., 2011, pp. 337—341.

7. Web site of Creative Media Centre, a public organization. Available at: www.creativ.pp.ua/?p=3547 Date of access: September 10, 2012.

About the authors: Poddaeva Ol'ga Igorevna — Candidate of Technical Sciences, Director, Training, Research and Production Laboratory of Wind-tunnel and Aeroacoustic Testing of Civil Engineering Structures; Director, Centre for Research and Innovative Activities, Associate Professor, Department of Theoretical Mechanics and Aerodynamics, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; poddaeva@mgsu.ru; +7 (495)739-33-02;

Dunichkin Il'ya Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Training, Research and Production Laboratory of Wind-tunnel and Aeroacoustic Testing of Civil Engineering Structures, Associate Professor, Department of Design of Buildings and Urban Development, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ecse@bk.ru;

Kochanov Oleg Aleksandrovich — postgraduate student, Department of Design of Buildings and Urban Development; engineer, Training, Research and Production Laboratory of Wind-tunnel and Aeroacoustic Testing of Civil Engineering Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; arch-ideal@mail.ru.

For citation: Poddaeva O.I., Dunichkin I.V., Kochanov O.A. Osnovnye podkhody k issledovaniyu vozobnovlyaemykh istochnikov energii kak energeticheskogo potentsiala territoriy i zastroyki [Basic Approaches to the Research of Renewable Sources of Energy as the Energy Potential of Territories and Built-up Areas]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 221—228.