Состояние и перспективы развития нетрадиционной и малой энергетики

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НЕТРАДИЦИОННОЙ И МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

В.И. Земсков

Энергетика - ключевая отрасль экономики, имеющая важное значение в обеспечении жизнедеятельности населения, бесперебойного функционирования любого производства. Нарушение устойчивого энергоснабжения ведет к тяжелым последствиям.

Конечным результатом функционирования энергосистем является полезная энергия, то есть та, которая после переработки, преобразования, транспортирования и хранения ресурсов поступает к потребителям и обеспечивает выполнение полезной работы. Основными видами энергетических ресурсов являются топливные (не-возобнавляемые): уголь, нефть, торф,

сланцы, древесина, ядерные топливо, и не-

топливные (нетрадиционные возобновляемые): энергия воды (гидроэнергия), энергия ветра, морских приливов и солнечной радиации, бионергия.

Геологические (прогнозные) мировые запасы топлива (уголь, газ и т.д.) составляют 11651 млрд т, причем 54,5% их находятся в странах СНГ. Мировые запасы топлива, доступные для извлечения, составляют 3112 млрд т, из них 55% находятся на территории стран СНГ.

Гидроэнергоресурсы в пересчете на годовую выработку электроэнергии оцениваются в 7500 млрд т кВт/ ч (в 1,5 раза больше того количество электроэнергии, которое было выработано всеми электростанциями мира в 1970 г.).

Таблица 1

Мировая добыча энергетических ресурсов (в пересчете на условное топливо 7 тыс. ккал), млрд т

Энергетические ресурсы 1900 г. 1940 г. 1970 г. . 1988 г.

Уголь 0,72 1,88 2,28 2,83

Нефть 0,03 0,45 3,07 4,17

Природный газ 0,01 0,12 1,47 2,20

Г идроэлектроэнергия 0,02 0,07 0,46

Ядерная энергия - 0,03

Прочие 0,50 0,70 0,65

Всего 1,28 3,22 7,96

Потребление энергоресурсов в мире из года в год растет (табл. 1), причем темпы роста потребления в последние годы значительно выше предыдущих. Это приводит к истощению невозобновляемых источников энергии, запасы которых не безграничны. Поэтому актуальным является использование возобновляемых источников.

В предыдущие годы по ряду причин _ ликвидировали тысячи малых энергоисточников, которые признавались неэкономичными на фоне развития атомных и гидроэлектростанций большой мощности.

В настоящее время в энергетике существуют проблемы, которые породили пересмотр отношения к малым и нетрадиционным источникам энергии. Это:

- вынужденный отказ от дальнейшего развития атомной энергетики;

- сокращение по экологическим причинам числа площадок, пригодных для размещения крупных электростанций, консервация ряда действующих и строящихся;

- сокращение добычи органического топлива и его резкое удорожание;

- резкое снижение централизованного госбюджетного финансирования строительства энергетических объектов;

- необходимость выполнения огромного объема реконструкции и технического перевооружения действующих;

- длительные сроки их строительства и реконструкции, - огромное капиталовложение [1].

Усиление хозяйственной самостоятельности субъектов РФ, энергодефицитность многих районов, многочисленность населенных пунктов в зонах децентрализованного энергоснабжения, повышение требований к защите окружающей среды обусловили новый подход к проблеме энергообеспечения потребителей.

В этой связи перспективным направлением является создание эффективных систем децентрализованного энергоснабжения потребителей на основе малых и нетрадиционных энергоисточников, использующих местные возобновляемые источники энергии для выработки электрической и тепловой энергии. Широкое применение относительно таких недорогих источников и их сочетаний, сооружаемых вблизи потребителей, позволит в короткие сроки решить проблему надежного энергообеспечения, а также энерго- и ресурсосбережение, снижение воздействия энергетики на окружающею среду. Эту задачу могут решить энергоустановки мощностью от нескольких киловатт до 5 МВт, работающих на энергии солнца, ветра, водных стоков, биоотходов, органического топлива и др.

Основные достоинства децентрализованных систем энергоснабжения:

- максимальное приближение энергоисточников к потребителю, повышение надежности энергоснабжения;

- снижение стоимости энергии вследствие отсутствия затрат на транспортировку топлива;

- возможность создания нормальных жизненных условий для сельского населения в удаленных от централизованного энергоснабжения местах;

- дополнительные рабочие места;

В последнее время наблюдаются лучшие экономические показатели в малых энергоисточниках, что делает их конкурентоспособными .

Развитие малой и нетрадиционной энергетики в России предполагается осуществлять по таким основным направлениям: солнечная энергетика, ветроэнергетика, геотермальная энергетика, биоэнергетика, малая гидроэнергетика, дизельные электростанции, газотурбинные, парогазо-

вые и другие установки автономного энергообеспечения потребителей, широкомасштабное производство электрооборудования и т.п. [1].

Состояние солнечной энергетики в настоящее время характеризуется как начальная стадия её развития [1]. Небольшое практическое применение могут получить фотоэлектрические установки на основе монокристаллического кремния и устройства с термодинамическим циклом преобразования энергии. В России насчитывается восемь предприятий по производству солнечных фотоэлементов и модулей. Годовой выпуск их оценивается мощностью в 730 кВт. Общая мощность действующих фотоэлектрических установок составляет около 100 кВт [1].

Мощность фотоэлектрических установок ограничивается несколькими киловаттами из-за высокой стоимости преобразовательной техники (инверторов) и буферных аккумуляторных батарей. Они используются для электроснабжения отдельных сельских домов, водяных насосов, бытовых приборов, холодильных установок, кондиционеров, систем сигнализации и др.

В дальнейшем потребуется расширение годового выпуска как солнечных элементов, модулей, так и солнечных систем мощностью до 1-5 МВт. Для Г' обеспечения требуемого развития солнечной энергетики остается проблема организации производства высокоэффективного монокристаллического кремния по разработанным отечественным технологиям, потребность которого может составлять до 4 млн шт. в год.

Перспективно сооружение модульных термодинамических солнечных электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами, а также выпуск коллекторов для теплоснабжения отдельных потребителей. В настоящее время созданы и функционируют солнечные системы с общей площадью коллекторов около 100 тыс. м [2].

Ветроэнергетика - это перспективный и подготовленный к широкому внедрению способ использования возобновляемого источника энергии.

В Калмыкии введен в эксплуатацию головной агрегат на 100 кВт ветроэлек-тростанции общей мощностью 22 МВт, в Заполярье близ г. Воркута установлено 6 агрегатов мощностью 250 кВт каждый [1]. В стране действует около 1500 ветроуста-новок различной мощности (от 0.08 до 30 кВт каждой) [2]. Осваиваются энергетические установки на 10, 16, 50, 100, 150 и 250 кВт, вырабатывающие электроэнергию при пусковой скорости ветра 2-3 м/с, обеспечивающие номинальную мощность при 5-7 м/с [1]. Их серийное производство позволит использовать ветровые ресурсы на большей части территории России.

Создаются ветродвигатели с низкоскоростными безредукторными электрогенераторами и современной аппаратурой регулирования и преобразования электроэнергии, имеющими уникальные характеристики, обеспечивающие их конкурентоспособность на мировом рынке.

. Ведутся работы по созданию вихревых ветроэнергетических установок мощностью 0,5 и 5 кВт, преобразующих поток равномерного ветра в вихреобразные струи, вращающие ветротурбину с электрогенератором.

Геотермальная энергетика. В стране начато комплексное использование теплового потенциала подземных вод на базе отечественных технологий и оборудования. Идет реализация таких энергетических ресурсов на Камчатке, Сахалине, Курильских островах, в Краснодарском крае, готовится освоение высокотемпературных парогидротерм в Ставропольском крае и Дагестане [1]. На Камчатке действует Паужетская ГеоТЭС (11 МВт), на Курилах

- Курильская ГеоТЭС (500 кВт) [2], в Мостовом районе Краснодарского края освоено комплексное использование геотермальных вод в животноводстве, промышленном комплексе, при отоплении и горячем водоснабжении, в рыборазводных прудах, при орошении полей.

Для решения проблемы широкого использования геотермальной энергии при соблюдении всех экологических требований необходима разработка специального оборудования в модульном использовании.

Биоэнергетика. Потенциал для использования биоотходов в целях получения энергии определяется наличием крупных ресурсов в сельском хозяйстве. В настоящее время становятся экономически приемлемыми технологии получения газа и моторного масла из биомассы, исходное сырье - навоз, рапс, отходы, растениеводства, лесные отходы, торф.

Шлак, получаемый после сбраживания биомассы, представляет собой ценное органическое удобрение. Благодаря сбраживанию навоза снижается его запах, гибнут семена сорняков, яйца гельминтов и другая патогенная микрофлора, в результате чего уменьшается заражение почвы, грунтовых вод.

Промышленностью выпускаются био-газовые установки, которые могут работать в комплексе с газонаполнительными станциями, укомплектованными серийным оборудованием. В перспективе необходима разработка и освоение производства комплексных автоматизированных биоэнергетических установок для различных условий применения, использующих различные первичные ресурсы. В настоящее время действует около 20 биоэнергетических установок на отходах животноводства и птицеводства с выработкой биогаза [2].

Теплонасосные установки. Большинство традиционных установок теплоснабжения имеют низкую экономическую эффективность, для их работы необходима сложная и дорогостоящая транспортная инфраструктура по доставке энергоносителей. Они имеют недостаточную надежность, что приводит к сбою теплоснабжения. V

Теплонасосное производство теплоты -это новая технология, способная радикальным образом изменить положение дел не только в теплоснабжении, но и в энергетике в целом. Важной особенностью теплонасосных установок (ТНУ) является их универсальность по отношению к виду первичной энергии, так как компрессоры могут приводиться в действие механическим, электрическим, тепловым двигателями, что позволяет заменять более дефицитные энергоресурсы менее дефицитны-

ми. Другое преимущество - изменение мощности от долей до десятков тысяч киловатт, что перекрывает этот показатель любых существующих теплоисточников, в том числе малых и средних ТЭЦ.

Энергосберегающий эффект в зависимости от типа ТНУ и заменяемого теплоисточника колеблется от 20-30 до 50-70%. При замене ими как крупных котельных, так и мелких низкоэффективных электронагревателей и теплогенераторов достигается многократная экономия топлива по сравнению с традиционной теплофикацией.

Теплонасосные установки могут использоваться в качестве источника теплоснабжения квартир, домов, кварталов и районов городов. Низкопотенциальные источники теплоты - это бытовые и промышленные стоки, воздух, озерная, речная, морская, геотермальная и грунтовая воды, охлажденная вода тепловых электростанций. Мировой опыт свидетельствует, что строительство крупных теплонасосных станций окупается за 2-4 года при сроке строительства около года [1].

Стоимость станции снижается с ростом тепло производительности от 670-1200 при производительности 10 кВт до 200-300 доле/кВт при тепло производительности 10000 кВт и более. Рационален путь использования ТНУ в комбинации с установками, использующими различные виды возобновляемых энергоресурсов.

Сейчас действует небольшое число достаточно крупных (50-200 кВт) теплонасосных установок, более 3000 тепловых насосов единичной мощностью от 4 кВт до 8 МВт [2].

Малая гидроэнергетика. В связи с отсутствием стандартизированных понятий малой и нетрадиционной энергетики в Минтопэнерго России утверждена «Концепция развития и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики в энергетическом балансе России», в которой к малой энергетике отнесены станции общей мощностью до 30 МВт и агрегаты до 10 МВт, в теплоэнергетике -котельные теплопроизводительностью до 20 Гкал/ч и котлы до 5 Гкал/ч, в автономной энергетике - установки единичной

электрической мощностью до 40 МВт, в нетрадиционной энергетике - установки и оборудование любой мощности, использующие солнечную, ветровую, геотермальную энергию, энергию биомассы, низкопотенциальную теплоту, а также микроГЭС (мощность агрегатов до 100 кВт), малые ГЭС, приливные и волновые электростанции [2].

В начале 50-х годов прошлого столетия в СССР насчитывалось около 7 тыс. малых ГЭС суммарной мощностью 332 тыс. кВт. К 1959 г. их число сократилось до 5 тыс., но общая мощность увеличилась до 481,6 тыс. кВт [1]. Сегодня на территории бывшего СССР работает около 350 малых ГЭС. Обследование показало, чго оборудование практически на всех необходимо заменить на более совершенное.

До Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. малая гидроэнергетика развивалась, главным образом, путем индивидуального строительства электростанций из элементов выпускающегося в то время специального оборудования и использования подходящих узлов и деталей от автомобилей, сельскохозяйственной техники и т.д. Зачастую использовались самодельные, в том числе деревянные и деревометаллические, конструкции гидротурбин. В качестве редукторов использовались задние мосты автомобилей, а в качестве гидрогенераторов - серийные генераторы постоянного и переменного тока [3}.

Основные теоретические и опытно-конструкторские разработки проводились во Всесоюзном институте гидромашиностроения (г. Москва) под руководством профессора B.C. Квятковского, Ленинградском индустриальном институте, Всесоюзном институте гидротехники и мелиорации (г. Москва) и других организациях. Результатом этих работ явилась первая отечественная серия автоматизированных микроГЭС из 22 типов, спроектированная и принятая к производству на Ленинградском заводе «Электросила». В этих микроГЭС использовались турбины типов «Каплан» и «Френсис» с вертикальной осью вращения с диаметром рабочих колес от 200 до 500 мм. Турбины были рассчитаны на рабочие напоры от 2

до 35 метров при расходах воды от 50 до 1200 литров в секунду. Мощность агрегатов составляла от 0,7 до 55,2 кВт. Микро-ГЭС имели автоматические регуляторы частоты вращения на базе масляного насоса, которые воздействовали на угол поворота лопастной турбины и угольные регуляторы возбуждения электромашинных генераторов [3].

Серия микроГЭС, снабженная генераторами завода «Электросила» мощностью менее 8 кВт (типа «П») и более 8 кВт (генераторами переменного тока 220/380 В типа «МСВ»), впервые имела полный набор автоматических устройств, необходимых для стабилизации параметров производимой электроэнергии в любых режимах работы станции.

Однако уровень развития техники того времени не позволил обеспечить приемлемых потребительских и производственных качеств станций. В этом смысле автоматизированные микроГЭС, даже работающие в локальном режиме, опережали технический уровень своего времени. Изготовление и опытная эксплуатация первых образцов серии микроГЭС завода «Электросила» показали относительную сложность их конструкций, затруднявшую широкое развертывание заводского производства и трудности эксплуатационного характера. По результатам испытаний пришлось признать необходимость свести автоматизацию агрегатов к немногочисленным, но надежно действующим деталям [31].

Следует отметить, что упрощенная конструкция микроГЭС прежде всего сводилась к использованию нерегулируемых гидротурбин и соответственно совершенствованию электрической части станций, в первую очередь генераторов. Так, в ВЭИ

С.Б. Юдицким были разработаны само-возбуждающиеся синхронные генераторы марки Сог-10/4 и Сог-16/6, возбуждение которых осуществлялось с помощью селенового выпрямителя. Дальнейшие работы над микроГЭС были прекращены во время войны 1941-1945 гг.

Затем успехи в области «большой», в том числе ядерной, энергетики привели к практически полному прекращению в

СССР работ по микрогидроэнергетике. Гидроэнергия использовалась путем построения крупных ГЭС, которые, наряду с известными достоинствами, обладают рядом существующих недостатков, особенно с экологической точки зрения. И только в последние годы интерес к возобновляемым источникам электроэнергии, в том числе и микроГЭС, вновь усилился.

Современные достижения в области электромашиностроения, полупроводниковой и преобразовательной техники привели к появлению нового класса электрических машин, который получил название вентильных. Вентильные машины обладают принципиально новыми свойствами и позволяют решать ранее недоступные задачи. Например, вентильные электрические машины позволяют строить -на их основе автономные источники электропитания, обеспечивающие генерирование высококачественной электроэнергии при минимальных требованиях к приводному двигателю. Применительно к микроГЭС это дает возможность строить автоматизированные гидрогенераторы с нерегулируемыми турбинами. Как показал ещё довоенный опыт, именно это направление развития микроГЭС в наибольшей степени отвечает как производственно-технологическим, так и эксплуатационным требованиям. Обзор зарубежной информации также показывает, что микроГЭС с применением вентильных электрических машин получают в настоящее время наибольшее распространение в мире [3].

Мировой энергетический кризис 1971 г. и кризис 1980 г. заставил вспомнить о возобновляемых источниках энергии и нашу страну. В это время стали задумываться и о сокращении природных запасов органического топлива и стремительно возрастающих проблемах экологии. К тому же миниГЭС и микроГЭС, построенные на удаленных источниках возобновляемой энергии и включенные в общую сеть, позволяют понизить потери от передачи электроэнергии

В нашей стране, странах ближнего зарубежья продолжается освоение источников малой гидроэнергетики.

Таблица 2

Использование микроГЭС, оснащенных оборудованием АОЗТ «МНТО ИНСЭТ», по состоянию на 01.01.2001 г. [4]

Регион, наименование МГЭС Характеристики гидроагрегатов Мощ- ность МГЭС, кВт Приме- чание

тип установ- ленная количество, шт.

Российская Федерация

1. Кировская обл., Агрофирма МикроГЭС-10 10 2 20 1993 г.

2. Адыгея, Питьевой водовод МикроГЭС-10 10 5 50 1994 г.

3. Кабардино-Балкария, Акбаш ГА-8 550 2 1100 1995 г.

4. Тыва, Турбаза МикооГЭС-10 10 2 20 1995 г.

5. Карелия, Киви-койву МикооГЭС-50Д 20 3 60 1995 г.

6. Карелия, Ланденпохский район МикроГЭС-10 10 1 10 1997 г.

7. Адыгея, Питьевой водовод ГА-2 200 1 200 1998 г.

8. Краснодарский край, краснодарская ТЭЦ ГА-1 350 7 2450 МГЭС строится

9. Ленинградская область, Луже кий рыбзавод МикроГЭС-50 ПР МикроГЭС 10 50 1 60 1996 г., 1999 г.

10. Башкирия, Таналыкское водохр. МикроГЭС-50 ПР 50 1 50 1997 г.

11. Башкирия, пос. Табулды МикроГЭС-10 10 1 10 1997 г.

12. Башкирия, Уянское водохр. МикроГЭС-50 ПР 50 1 50 1999 г.

13. Республика Тува, МГЭС «Кызыл-Хая» МикроГЭС-50 ПР 50 3 150 МГЭС строится

14. Республика Алтай, МГЭС «Кайру» ГА-2М 100 2200 МГЭС строится

В настоящее время разработан ряд унифицированных проектов малых ГЭС, обеспечивающих быстрое сооружение на существующих и новых водохранилищах, перепадах каналов, нерегулируемых участках рек. Ряд предприятий России уже сегодня готовы поставить для них оборудование на различные параметры водотока мощностью от 0,1 до нескольких тысяч киловатт. 1

Суммарная доля малой и нетрадиционной энергетики составила в 1995 году около 160 млн т у.т. в год, или 17% общего потребления.

Библиографический список

1. Колмыков Ю.М., Селивахин А.И. Малая энергетика и энергосберегающие технологии // Механизация и электростанция сельского хозяйства. - 1997. - № 4. — С. 4-8.

2. Безруких П.П. Состояние и пути развития малой и нетрадиционной энергетики // Механизация и электростанция сельского хозяйства. - 1997. - № 4. - С. 9-12.

3. Аукутин Б.В. Автономное электроснабжение от микроэлектростанции / Б.В. Луку-тин, С.Г. Обухов, Е.Б. Шандаров. - Томск: ЗТТ, 2001.- 120 с.

4. Горелов В.П. История освоения нетрадиционных источников энергии в заподной Сибири / В.П. Горелов, С.В. Горелов, В.Т. Коротких, Б.В. Лукутин // Ползуновский вестник. - Барнаул: АГТУ- - № 3-4. - 2003. - С. 105-110.