Солнечная электроэнергетика в системе малой энергетики: перспективы в России и мировой опыт

Солнечная электроэнергетика в системе малой энергетики: перспективы в России и мировой опыт

Гаврюсев Сергей Владимирович

аспирант, кафедра Национальной экономики, РУДН, politolog201213@yandex.ru

В настоящей статье автор рассматривает электроэнергетику на основе солнечной радиации с позиции перспектив применения данной технологии как части реализации концепции малой энергетики в России. В качестве объекта исследования рассматривается электроэнергетика на основе солнечной радиации. Предмет состоит в потенциале преобразования солнечной радиации в электрическую энергию в условиях российского климата и существующем уровне технологического развития отрасли. В статье рассмотрены особенности преобразования солнечной радиации в электрическую энергию как способа энергетического преобразования, сделан обзор основных типов солнечных электростанций, проанализированы детерминанты экономической эффективности получения электрической энергии подобным способом. Кроме того в статье представлен сравнительный анализ зарубежного и российского опыта развития солнечной энергетики. В заключении обозначен контур наиболее эффективного способа реализации концепции малой энергетики в части развития генерации электричества фото-вольтаническими электростанциями. Научная база работы основана на данных государственной статистики, аналитики компаний ТЭК и оценок независимых экспертов [12, 13, 14]. Ключевые слова: электроэнергетика, солнечная энергетика, мировая энергетика, экономическое развитие, инновации

Современное экономическое развитие государств неразрывно связано с изменениями в энергетической отрасли. Самообеспеченность экономической системы дешевой и надежной энергией является необходимым условием стабильности и устойчивости экономического роста. С конца 19 века электроэнергетика претерпела ряд изменений, связанных, прежде всего с изменениями технологий и, как следствие, подхода к производству, распределению и транспортировки электрической энергии от мест генерации к потребителям. Вудро [7] выделяет три стадии развития электроэнергетики. На первом этапе сформировалась и развилась вертикально интегрированная энергетическая система с высокой или абсолютной централизацией. В зависимости от особенностей политической и экономической систем централизм выражался в монополизации рынка крупными частными или государственными корпорациями. Вторая (переходная) стадия была вызвана проявившимися ограничениями централизованных систем, которые стали следствием ряда тенденций. Среди основных детерминант представляется возможным выделить следующие:

Во-первых, с развитием мощностей электростанций истощился резерв эффекта масштаба

Во-вторых, рентабельность традиционных электростанций снизилась по причине высокой волатильности цен на энергоресурсы

В-третьих, ужесточение экологического законодательства и появление альтернативных технологий добычи инициировали развитие альтернативной энергетики и усиление ограничительных мер для традиционных электростанций [7].

Совокупность обозначенных причин определили развитие электроэнергетики в сторону перехода от централизованных энергетических систем к распределенным, а энергетического рынка высокой монополизации с одним или несколькими крупными игроками к конкурентным отношениям большого количества независимых игроков [7].

Третья фаза (гибкая энергетическая система) представляет собой развитие рынка независимых производителей электроэнергии, объединенных общей сетью. Множество поставщиков и производство электроэнергии на основе различных ресурсов призваны обеспечить устойчивость, надежность и высокую экономическую полезность энергетической системы. Третья фаза является неким идеалом современного развития электроэнергетики, к которому следует стремиться государствам. Несмотря на идеалистическую природу, гибкая энергетическая система при грамотном выстраивании процесса перехода может быть построена в любом государстве. Наиболее иллюстративным примером является энергетическая система Калифорнии (штат США). Совокупность усилий Федерального правительства, Правительства штата, защитников природы и активистов альтернативной энергетики позволили создать в штате энергетическую систему, наполняемую мощностями различных поставщиков, которые получают энергию путем переработки различных ресурсов [7].

Итогом третьего этапа является гибкая энергетическая система, которая является синтезом большой и малой энергетик [7]. Под большой энергетикой понимается совокупность электростанций большой мощности (для России более 25 МВт), поставляющих электрическую энергию потребителю и (или) в единую энергетическую систему. Малая энергетика не имеет четкого определения в научном сообществе. Интегрально, представляется возможным выразить смысл существующих подходов в следующем определении: Малая энергетика - совокупность электростанций малой мощности (в России считается менее 25 МВт), расположенных в непосредственной близости к месту потребления энергии и подключенных либо напрямую к потребителю, либо к распределительной электрической сети. В рамках настоящего исследования предлагается альтернативное понятие Малой энергетики. Изменение достигается за счет переключения фокуса внимания с номинальной мощности электростанций на их роль системе поставок электрической энергии. Малая энергетика в этом смысле может быть определена как некоторое множество электростанций, которые ориентированы на конкретного потребителя или группу потребителей и опционально поставляют из-

О £

ю

5

V

2 а

9

«

сэ

сч

£

б

а

2 о

лишки мощности в единую энергетическую систему. Тогда множество всех электростанций может быть представлено в виде суммы тех, которые относятся к малой энергетике и тех, которые не соответствуют обозначенному критерию. Принятое в России ограничение в 25 МВт проистекает из границы оптового рынка электроэнергии. К недостаткам подобного подхода следует отнести жесткую привязку к законодательной норме для оптового рынка электроэнергии, которая не может в полной мере отвечать исследовательским и практическим требованиям анализа и реализации концепции распределенной генерации и гибкой энергетической системы.

Важная роль в системе малой энергетики отводится энергетики на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Одним из основных источников чистой энергии является солнечная радиация. Основной принцип электростанций на основе солнечной энергии состоит в преобразовании энергии солнечной радиации в электрическую энергию. Выделяют несколько способов преобразования и соответствующие типы солнечных электростанций (СЭС).

1. С использованием пара как «посредника» в энергетическом преобразовании:

1.1. башенного типа

Используется принцип ТЭЦ. В роли

нагревателя используется концентрированный солнечный свет. Станция представляет собой башню с емкостью с жидкостью на вершине. Вокруг башни расположены гелиостаты таким образом, что отражаемые солнечные лучи оптимальным образом концентрируются не емкости. Энергия пара выступает связующим звеном между энергией солнечной радиации и электрической энергией.

1.2. тарельчатого типа

Принципиально схожая технология

энергетического преобразования. Разница заключается в устройстве станции. СЭС тарельчатого типа включается в себя некоторое количество отдельных модулей, каждый из которых состоит из опоры, отражателя и приемника. Отражаемые солнечные лучи концентрируются на приемнике (емкость с жидкостью). Получаемая энергия пара используется для генерации электричества.

1.3. использующие параболические концентраторы

Конструктивно схожи с предыдущими: парабоцилиндрический отражатель концентрирует солнечные лучи на приемнике, внутри которого находится не-

Рис. 1: Цена кристаллических и тонкопленочных солнечных модулей и их средняя цена Источник: [6]

который жидкий теплоноситель. Станция состоит из некоторого количества элементов. Теплоноситель проходит через систему сообщающихся труб, нагревается, после чего передает свое тепло воде для дальнейшего преобразования энергии с участием пара.

2. С использованием разницы температур

2.1. использующие двигатель Стир-линга

Конструктивно такие же, как и СЭС, использующие параболические концентраторы за тем исключением, что приемником является не емкость с жидкостью, а двигатель Стирлинга, работающий за счет разницы температур.

2.2. солнечно-вакуумные

Представляют из себя высокие башни, внутри которых установлена воздушная турбина с электрогенератором. В верхней части башни воздух под действием солнечных лучей нагревается и устремляется в область низкого давления (у земли). Поток вращает воздушную турбину и, следовательно, генератор, вырабатывающий электрический ток. Технологическая особенность состоит в том, что станция работает в темное время суток (обратный поток).

3. С прямым преобразованием

3.1. Использующие фотоэлектрические модули

В отличии от ранее рассмотренных способов получения электрической энергии из энергии солнечной радиации, технология, применяемая в данного типа электростанциях, не предполагает «посредника». Преобразование происходит прямо на основе р-п перехода.

Электростанция состоит из некоторого количества модулей. Конструктив-

ной особенностью является широкая адаптивность к местам размещения.

4. Комбинированные

Электростанции, объединяющие различные технологии получения электрического тока (на основе солнечной радиации и иных источников) и (или) объединенные с тепловыми станциями. СЭС различных типов резонно использовать, в том числе и для поставок горячей воды. Кроме того, невозможность функционирования СЭС в темное время суток (в большинстве случаев) определяет необходимость использовать иные источники энергии для гарантии бесперебойной поставки электричества.

Для солнечных электростанций, использующих «посредника» в энергетическом преобразовании или разницу температур, критически важным условием является теплый (лучше жаркий) климат. Ключевое условие высокой эффективности фотобатарей - освещенность, выражающаяся коэффициентом инсоляции. Температура воздуха не играет существенной роли. Это значимо расширяет географические границы эффективного использования солнечных электростанций.

В рамках данной работы особое внимание стоит уделить солнечным электростанциям, использующим фотоэлектрические модули. Они наиболее распространены и особенно актуальны для России ввиду их высокой универсальности, производства внутри страны, что приобретает дополнительный вес в условиях санкций и конрсанкций и возможности работать в условиях низких температур.

Долгое время одной из основных проблем распространения электроэнергетики на основе ВИЭ, в том числе и на

Рис. 2 Изменение мощности, генерируемой фотовольтаническими электростанциями в целом в мире Источник: составлено автором на основе данных IRENA Query tool [1]

Рис. 3 Изменение мощности (ГВт), генерируемой фотовольтаническими электростанциями в странах-лидерах

Источник: составлено автором на основе данных IRENA Query tool [1]

Рис. 4 Изменение мощности (ГВт), генерируемой фотовольтаническими электростанциями в России Источник: составлено автором на основе данных IRENA Query tool [1]

основе солнечной радиации, была высокая себестоимость производимой электрической энергии, происходящая от высокой стоимости основных средств и низким коэффициентом полезного действия (КПД) генераторов. С развитием технологий ситуация с себестоимостью электроэнергии на основе ВИЭ существенно изменилась. Согласно данным International Renewable Energy Agency (IRENA) с 2010 по 2017 гг. себестоимость электроэнергии на фотовольтанических электростанциях снизилась в 3,6 раза [4]

Снижение вызвано как уменьшением стоимости оборудования (см. Рис. 1:), так и увеличением КПД фотоэлементов [3].

Снижение издержек на приобретение основных средств фотовольтанических солнечных электростанций и увеличение их КПД привело к росту экономической эффективности подобных проектов. Экономическая привлекательность подкрепляется политической волей правительств государств повышать технологичность экономики и энергетики как ее части и экологической необходимостью снижать

выбросы углекислого газа и уменьшать прочий негативный эффект от использования традиционных источников энергии.

Общемировая тенденция развития фо-товольтанических солнечных электростанций состоит в том, что происходит ежегодный прирост мощностей, причем каждый последующий ввод больше предыдущего (за исключением 2012 г. относительно 2011 г.). График демонстрирует быстрый рост генерируемой на основе фотобатарей электрической энергии и позволяет прогнозировать дальнейшее увеличение объемов генерации (см. Рис. 2).

На фоне общего роста количества генерируемой фотобатареями электрической энергии представляет интерес то, какими странами достигнут наибольший успех в данном направлении. Ответ на данный вопрос поможет с одной стороны, определить точки роста, с другой, что наиболее ценно в рамках настоящего исследования - частично проверить гипотезу о независимости эффективности использования фотобатарей от температуры воздуха. По данным REN21 пятью лидерами в области производства электроэнергии фотовольтаническими электростанциями являются Китай, Япония, США, Германия и Италия [5]. На графике (см. Рис. 3) изменения генерируемой в этих странах электрической энергии с помощью электростанций, оборудованных фотобатареями, возможно проследить динамику изменений с 2000 по 2017 гг.

В рамках настоящего исследования предлагается уделить особое внимание Германии, как стране, климатические условия которой будут сравниваться с подобными в России.

Ситуация с солнечной энергетикой на основе фотобатарей в России, несмотря на наличие собственного производства фотобатарей с высоким, выше 22 %, КПД [9], совокупная мощность всех фотовольтанических электростанций в стране на 2017 год была меньше 200 МВт, хотя положительная динамика прослеживается. Начиная с 2012 года в России возрастает мощность электростанций на основе фтотобатарей. (см. Рис. 4).

В массовом сознании бытует мнение, что в России не пригодный для солнечной энергетики климат. Для фотобатарей, как уже отмечалось, важен свет, а не температура. При анализе распределения солнечной радиации по территории мира, несложно заметить, что инсоляция большинства российских территорий не ниже, чем территорий государств Северной Европы (см Рис. 5). Об этом же

О

ю

S

V

2 е

9

<35

сэ

сч

£

Б

а

2 о

уведомляет сайт компании Хевел: «Россия обладает достаточно высоким уровнем инсоляции - у нас есть довольно много районов, где среднегодовой приход солнечной радиации составляет 4-5 кВт*ч на квадратный метр в день (этот показатель соизмерим с югом Германии и севером Испании - странах-лидерах по внедрению солнечных систем). При этом высокий уровень инсоляции в России не только на юге - Краснодарском крае, Ростовской области, Кавказе, но также на Алтае, да и в целом на юге Сибири, Дальнем Востоке и в Забайкалье -в этих регионах количество солнечных дней в году доходит до 300» [11]

Проведенное сотрудниками Высшей школы Экономики (ВШЭ) в 2016 году исследование эффективности использования возобновляемых источников энергии и торфа в сельской коммунальной энергетике содержит выводы об эффективности применения ВИЭ, в том числе и солнечные электростанции для обеспечения электрической энергией сельские коммунальные системы, сосенно, удаленные от единой энергетической сети [10].

Приведенные факты позволяют сделать вывод о существующей в России потребности в развитии солнечной электроэнергетики, наличии технологических возможностей для этого и благоприятных климатических условиях. Тем не менее, несмотря на наличествующие возможности, солнечная энергетика в России развивается несоизмеримо меньшим, относительно потенциально возможного, темпом.

Для развития фотовольтанической энергетики, как и для любого капиталоемкого процесса, необходимы инвестиции. Мировой опыт свидетельствует о необходимости объемных инвестиций в данное направление. Несмотря на значительные суммы, интерес инвесторов к солнечной энергетике устойчиво

В условиях санкционных ограничений и, как следствие, невозможности привлечения «долгих» денег, инвестиционная потребность на развитие солнечной энергетики может быть удовлетворена только при совместном участии органов государственной власти и местного самоуправления и бизнеса.Государственная и муниципальная поддержка с помощью административного ресурса, налоговых преференций и гарантий возврата денежных средств инвесторам в сочетании с финансовым интересом бизнеса могут стать ключевым моментов в развитии солнечной энергетики в России.

Рис. 5 Инсоляция Источник: [8]

Рис. 6 Мировые инвестиции в солнечную энергетику Источник: составлено автором на основе [2]

Таким образом, подводя итог, можно прийти к следующим заключениям:

Во-первых, солнечная энергетика вообще и на основе солнечных батарей в частности является перспективным направлением развития энергетики как отрасли в условиях современных вызовов и ограничений;

Во-вторых, технологии преобразования солнечной энергии в электрическую на основе р-п перехода достигли конкурентного уровня рентабельности;

В-третьих, территория России вполне пригодна для развития энергетики на основе ВИЭ в части использования солнечных батарей;

В-четвертых, существует потребность развивать солнечную энергетику в России как один из наиболее эффективных способов обеспечения электрической энергией отдаленных регионов и обеспечения диверсификации энергетических источников там, где это необходимо.

В-пятых, темп развития солнечной энергетики в стране недостаточно высок.

Из обозначенного следует, что существует потребность в стимулировании развития внедрения солнечной энергетики.

Для реализации предлагается с одной стороны использовать потенциал

административного и фискального ресурса со стороны государственной власти и органов местного самоуправления, с другой - активно вовлекать бизнес-сообщество и население. В обозначенных рамках существует возможность организовать конструктивный диалог основных стейкхолдеров (государственная власть, органы местного самоуправления, население, бизнес).

Заинтересованность государства в развитии малой энергетики (солнечной энергетики в частности) проистекает из необходимости решать задачи обеспечения всего населения электрической энергией наиболее экономически и экологически оптимальным способом, повышения технологичности энергетики, уменьшения выбросов углекислого газа, обеспечение диверсифицированной энергетики. Опыт Китая и ряда других государств демонстрирует, что фискальная политика является одним из наиболее эффективных инструментов стимулирования бизнеса инвестировать в ВИЭ-энергети-ку. Интерес населения имеет естественную природу (подразумевается население отдаленных территорий без подключения к единой энергетической системе) и нуждается скорее в концентрации и направлении со стороны в первую оче-

редь органов местного самоуправления.

Таким образом, по мнению автора, эффективное развитие солнечной энергетики возможно только при условии однонаправленности усилий всех заинтересованных сторон и грамотной организации процесса. Развитие солнечной энергетики является априорным условием успешной реализации концепции малой энергетики и, как следствие, перехода энергетической системы страны на качественно иной уровень.

Литература

1. Data & Statistics [электронный ресурс] // IRENA. - URL: https:// www.irena.org/Statistics. - свободный. -Дата обращения (20.04.2019).

2. Finance & Investment [электронный ресурс] // IRENA. - URL: https:// www.irena.org/financeinvestment. - свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

3. Global levelised cost of electricity from utility-scale renewable power generation technologies 2010-2017 [электронный ресурс] // IRENA. - URL: https:// www.irena.org/Statistics/View-Data-by-Topic/Costs/LC0E-2010-2017. - свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

4. Renewable power: climate-safe energy competes on cost alone / Renewable power // IRENA. - URL: https://www.irena.org/ publications/2018/Dec/Renewable-power-climate-safe-energy-competes-on-cost-alone. - свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

5. RENEWABLES 2018 GLOBAL STATUS REPORT [электронный ресурс] // REN21.

- URL: http://www.ren21.net/wp-content/ uploads/201 8/06/1 7-8652_GSR2018_FullReport_web_final_.pdf.

- свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

6. Solar Costs [электронный ресурс] / / IRENA. - URL: https://www.irena.org/ ourwork/Knowledge-Data-Statistics/Data-Statistics/Costs/Solar-Costs. - свободный.

- Дата обращения (20.04.2019).

7. Woodrow C. Agile Energy Systems / C. Woodrow. - Elsevier Science. - 2017. -328 p.

8. Yearly sum of Global Horizontal Irradiation (GHI) [электронный ресурс] // Meteonorm data and program. - uRL: http://www.hevelsolar.com/faq#a1. - свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

9. Группа компаний Хевел [электронный ресурс] // Хевел. - URL: http:// www.hevelsolar.com/about. - свободный.

- Дата обращения (20.04.2019).

10. Медведева Е. А., Ряпин И. Ю., Урванцев И. В., Цыба В. Е. Оценка эффективности использования возобновляемых источников энергии и торфа в сельской коммунальной энергетике / Е. А. Медведева, И. Ю. Ряпин, И. В. Урванцев, В. Е. Цыба // ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА. - 2016.

- № 9. - с. 9-19.

11. Сколько солнца в России? [электронный ресурс] // Хевел. - URL: http:// www.hevelsolar.com/faq#a1. - свободный.

- Дата обращения (20.04.2019).

12. Черняев М.В. Направления повышения эффективности функционирования нефтегазового комплекса как основа обеспечения энергетической безопасности России: автореф. дис. канд. экон. наук (08.00.05). М., 2014. С. 10-20.

13. Черняев М.В. Инновационные технологии на мировом рынке горизонтальных нефтяных и газовых скважин. Проблемы и решения//Труд и социальные отношения. - 2014. - № 1. - С. 33-41.

14. Черняев М.В., Пахомов С.В., Ма-зурчук Т.М. Инструменты регулирования газовой отрасли России в условиях нестационарной экономики // «Инновации и инвестиции». - М.: КноРус, 2018. - №5.

- C. 362-366.

Solar power industry in the system of small energy: prospects in Russia and world experience

Gavryusev S.V.

RUDN University

In this article, the author considers the power industry based on solar radiation from the perspective of the application of this technology as part of the concept of small energy implementation in Russia. The object of research is electric power based on solar radiation. The subject is the potential of converting solar radiation into electrical energy in the Russian climate and the current level of technological development of the industry.

The features of the conversion of solar radiation into electrical energy have been discussed as a method of energy conversion, provide an overview of the main types of solar power plants, and analyze the economic efficiency of producing electrical energy determinants in a similar way. In addition, the article presents a comparative analysis of foreign and Russian experience in the solar energy development. In conclusion, the outline of the most efficient way to implement the concept of small energy in terms of the development of electricity generation by photovoltaic power plants is indicated. The data of state statistics, analytics

of fuel and energy companies and independent experts' assessments have formed the scientific basis of the present research work [12, 13, 14]. Keywords: electric power industry, solar energy, world energy, economic development, innovations References

1. Data & Statistics [электронный ресурс] // IRENA.

- URL: https://www.irena.org/Statistics. -свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

2. Finance & Investment [электронный ресурс] //

IRENA. - URL: https://www.irena.org/ financeinvestment. - свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

3. Global levelised cost of electricity from utility-

scale renewable power generation technologies 2010-2017 [электронный ресурс] // IRENA. - URL: https://www.irena.org/ Statistics/View-Data-by-Topic/Costs/LCOE-2010-2017. - свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

4. Renewable power: climate-safe energy competes

on cost alone / Renewable power // IRENA. -URL: https://www.irena.org/publications/2018/ Dec/Renewable-power-climate-safe-energy-competes-on-cost-alone. - свободный. -Дата обращения (20.04.2019).

5. RENEWABLES 2018 GLOBAL STATUS REPORT

[электронный ресурс] // REN21. - URL: http:/ /www.ren21.net/wp-content/uploads/2018/ 0 6/17-8652_GSR2018_FullReport_web_final_.pdf. -свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

6. Solar Costs [электронный ресурс] // IRENA. -

URL: https://www.irena.org/ourwork/ Knowledge-Data-Statistics/Data-Statistics/ Costs/Solar-Costs. - свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

7. Woodrow C. Agile Energy Systems / C. Woodrow.

- Elsevier Science. - 2017. - 328 p.

8. Yearly sum of Global Horizontal Irradiation

[электронный ресурс] // Meteonorm data and program. - uRL: http://www.hevelsolar.com/ faq#a1. - свободный. - Дата обращения (20.04.2019).

9. The group of companies Hevel [electronic

resource] // Hevel. - URL: http:// www.hevelsolar.com/about. - free. - Date of appeal (04/20/2019).

10. Medvedeva E. A., Ryapin I. Yu., Urvantsev I. V., Tsyba V. Ye. Evaluation of the effectiveness of using renewable energy sources and peat in rural utility energy / E. A. Medvedeva, I. Yu. Ryapin, I.V. Urvantsev, V.E. Tsyba // HEAT-POWER ENGINEERING. - 2016. - № 9. - p. 9-19.

11. How much sun is in Russia? [electronic resource] // Hevel. - URL: http:// www.hevelsolar.com/faq#a1. - free. - Date of appeal (04/20/2019).

12. Chernyaev M.V. Directions to increase the functioning efficiency of the oil and gas industry as the basis for ensuring energy security. The author's dissertation of candidate economic sciences. Peoples' Friendship University of Russia (RUDN), Moscow, 2014. pp. 10-20.

13. Chernyaev M.V. Innovative technologies in the world market of horizontal oil and gas wells. Problems and solutions // Labor and social relations. 2014. No. 1. pp. 33-41.

14. Chernyaev M. V., Pakhomov S. V., Mazurchuk T. M. Instruments of regulation of gas industry of Russia in the conditions of non-stationary economy / / «Innovations and investments». -M.: KnoRus, 2018. - №5. - pp. 362-366.

О

Ю

s

v

ro е

9