CC BY
72
РАЗДЕЛ I. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 620.91(571.66)
Д.С. Кротенко, В.А. Семчёв, О.А. Белов, С.А. Жуков
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНОГО РАЗВИТИЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ
КАМЧАТСКОГО КРАЯ
Энергообеспечение регионов является актуальной социальной, экономической и технической задачей, заключающейся в эффективном производстве электроэнергии и тепла для жизнедеятельности населения за счет использования природных энергоресурсов Земли. Основой энергообеспечения могут быть как невозобновляемые энергоресурсы Земли (уголь, нефть, газ), так и возобновляемые (энергия рек, морских приливов, тепло Земли, энергия ветра и солнца). Любой регион стремится иметь собственную энергию по наиболее низкой цене в сравнении с другими регионами или странами, максимально используя для этого свой региональный природный энергоресурс. От этого зависит социально-экономическая престижность страны или ее определенного региона, уровень жизни населения и статус инвестиционной привлекательности. Камчатка обладает значительными природными энергетическими ресурсами, позволяющими развивать на ее территории эффективное энергообеспечение и реализовывать крупные экономические проекты. Наиболее перспективным в этом направлении является развитие гидроэнергетики с использованием уникальных гидроэнергетических ресурсов Камчатки.
Ключевые слова: энергообеспечение, энергоресурс, электроэнергия, тепловая энергия, генерация, энерготариф, гидроэнергетика, геотермальная энергетика, атомная энергетика.
D.S. Krotenko, V.A. Semchev, O.A. Belov, S.A. Zhukov ANALYSIS OF FUTURE ENERGY SUPPLY DEVELOPMENT IN KAMCHATKA
Regional energy supply is an urgent social, economic and technical task, the main idea of which is to produce electricity and heat for human life by means of natural energy resources use. The basis of energy supply can be both non-renewable energy resources of the Earth (coal, oil, gas) and renewable energy resources (energy of rivers, sea tides, heat of the Earth, wind and solar energy). Any region tries to have its own energy using its regional natural energy resource to the maximum. Of cause the price of this resource have to be as low as possible in comparison with other neighboring regions or countries. This determines the socio-economic prestige of the territory, the standard of population living and the investment attractiveness status of the region or country. Kamchatka has significant natural energy resources that make it possible to develop effective energy supply in this territory and implement major economic projects. The most promising projects concern the development of hydropower using unique hydroelectric resources of Kamchatka.
Key words: energy supply, energy resource, electric power, thermal energy, generation, energy rate, hydropower, geothermal energy, nuclear energy.
DOI: 10.17217/2079-0333-2020-51-6-11
Диапазон комфортного температурного обеспечения жизнедеятельности человека находится в пределах от +8 до +25°С. Температура внешней среды ниже и выше указанного диапазона считается для него неблагоприятной [1]. Тепловая энергия является социальным продуктом энергетики, позволяющим обеспечить комфортное существование человека и его трудовой деятельности при температурах окружающего воздуха ниже комфортных значений. Являясь товарным продуктом, тепловая энергия реализуется в том же регионе, где и производится. Реализация энергии тепла вне территории региона практически невозможна.
Электроэнергия является социальным и товарным энергетическим продуктом [2]. Как социальный продукт она обеспечивает не только освещение, но и вполне способна конкурировать
с централизованным теплоснабжением и обеспечивать население теплом. К тому же электроэнергия является мощным средством усиления физических возможностей человека в быту и на производстве. Как товарный продукт электроэнергия может быть реализована с территории региона на внутреннем и зарубежном рынках либо напрямую по высоковольтным линиям электропередач, либо через продукцию энергоемких производств.
Тепловую и электрическую энергию, как известно, получают посредством генерации потенциальной энергии природного энергоносителя (энергоресурса), которым может быть углеводородное топливо, урановое топливо, тепло Земли, ветер, солнце, энергия воды - в электричество и тепло. Генерация является определяющим показателем формирования затрат и себестоимости энерготарифов для региона или страны [3, 4]. Исключение в этом отношении составляет гидроэнергетика, для которой формирование себестоимости определяют затраты на транспортировку и распределение электроэнергии.
Выбор технологии генерации тепла и электричества, как правило, определяется типом энергоресурса, на базе которого реализуется эта технология. В первую очередь, любой регион или страна исходят из собственных возможностей использования природного энергоресурса на своей территории и того места, где будет расположен объект производства энергии (ОПЭ). В случае отсутствия собственного энергоресурса по разным причинам (природным, экономическим, техническим) регион или страна вынуждена принять решение по доставке энергоресурса с других территорий либо по закупке готовой электрической энергии. Затраты на добычу энергоресурса, его транспортную доставку до ОПЭ, технологии сжигания, устранение вредного экологического воздействия суммируются. На базе этого формируется себестоимость энерготарифа для данного ОПЭ.
Транспортировка энергии может осуществляться по кабельным, высоковольтным линиям электропередач и теплотрассам. Транспортные линии включают в свой состав трансформаторные подстанции и тепловые централизованные пункты. Ценовые затраты транспортировки энергии в энергетике регламентированы в нормативах потерь, а эффективность транспортировки зависит от технологических достижений в изготовлении энергетического оборудования. При формировании региональной цены на себестоимость энерготарифа затраты на транспортировку электроэнергии для реализации потребителям влияют незначительно и составляют в среднем не более 12% от общей цены себестоимости энергии для потребителя [5]. Далее с добавлением затрат на транспортировку энергии и сбытовой деятельности устанавливается цена энерготарифа. Дополнительно к этой цене прибавляются эксплуатационные расходы, амортизация, погашение инвестиций, прибыль компании, тем самым формируется экономически обоснованный энерготариф для потребителя.
Кроме этого следует учитывать, что любая технология производства электроэнергии и тепла в той или иной степени оказывает негативное воздействие на экологию окружающей среды. Наибольший вред оказывает тепловая энергетика, основанная на использовании углеводородных природных ресурсов. Но именно эта технология производства энергии является основной для большинства регионов, в том числе и для Камчатского края.
Для превращения потенциальной энергии природного энергоресурса - углеводородного топлива - в тепло и электроэнергию человек не только забирает у природы этот «дар, любезно предоставленный Землей», а сжигает его безвозвратно в топках котла, в дизельных и бензиновых двигателях. Этим он обеспечивает свой комфорт, социальный уровень жизнедеятельности и удовлетворения своих потребительских запросов. Процесс сжигания неизбежен. Пока это основная технология превращения углеводородного топлива в электричество и тепло. Других способов человек не освоил. Процесс добычи углеводородов, их транспортировка и сжигание оказывает на природу и окружающую среду вредоносное воздействие. В процессе горения выделяются вредные вещества, пыль, углекислый газ СО2, которые выбрасываются на природный ландшафт, в атмосферу, в реки, в озера, в морскую акваторию.
Процесс горения требует потребления кислорода из атмосферы Земли. Обратно в атмосферу выбрасываются углекислый газ СО2, вызывающий парниковый эффект, пыль и вредные химические вещества [6]. Для примера: только за один 2018 г. деятельности энергетики на Камчатке при сжигании углеводородного топлива было выброшено в атмосферу, акваторию рек, озер и морского побережья полуострова до 40 тыс. т вредных химических веществ и пыли, без учета углекислого газа СО2. В предыдущий период, до перевода Камчатки на газ, когда сжигали мазут на теплоэлектростанциях, выбросы в разы превышали этот показатель [7].
Ранее альтернативой для Камчатки считалась геотермальная энергетика, основанная на использовании тепла Земли. Современные технологии позволяют эффективно производить отбор тепла от геотермальных источников с КПД до 90%. Но при этом технология производства электроэнергии с использованием высокотемпературного термального пароводяного носителя значительно менее эффективна и ее КПД составляет не более 25%. Поэтому себестоимость такой электроэнергии достаточно высока, и как товарный продукт она не конкурентоспособна.
Кроме того, геотермальные технологии в получении электрической энергии небезвредны из-за содержания вредных веществ в термальных водах. В высокотемпературных термальных источниках, которые используются для преобразования в электричество и тепло, присутствуют вредные химические вещества, возникает необходимость утилизировать этот ресурс после преобразования, что выполняется не всегда. По оценке японских ученых, термальная энергия при превращении ее в электроэнергию не относится к числу экологически чистой: пароводяная смесь несет в себе такие вредные компоненты, как сероводород (до 7 г на 1 кВтч), мышьяк, ртуть, углекислый газ (до 74 кг на 1 кВтч), выбросы кремнезема. Это одна из причин, в связи с которой Япония, имея большой запас термальной энергии, практически не использует ее. Мощность геотермальных электростанций Японии составляет всего 0,2%. И это при том, что согласно оценке финансируемого правительством исследовательского Института развития прикладной науки и технологий Японии максимальные перспективные термальные мощности оцениваются в 23,5 ГВт [8].
Исландия использовала потенциал гидроресурсов своих рек на 90%, а термального тепла на 30% в основном для теплоснабжения. При определении запасов термальной энергетической мощности на месторождении возникают трудности в достоверной оценке из-за неопределенности геологической структуры под землей. Это вторая причина, по которой специалисты в мир о-вой энергетике осторожно относятся к ее освоению при оценке надежности и бесперебойности электроснабжения.
Перспективным направлением в мировой энергетике является атомная энергетика. Процесс получения электроэнергии и тепла происходит за счет «сжигания» радиоактивных топливных элементов - ТВЭЛ (особо вредное химическое производство, технологиями владеют РФ и несколько развитых стран). Это не взятый у природы возобновляемый энергоноситель, и подобная технология ведет к экологическими проблемами территорий, связанных с добычей урановой р уды, ее транспортировкой на обогащение для производства топливных радиоактивных элементов. При добыче ядерного топлива (уранового сырья) с месторождения требуются большие объемы разрушительных для природы земляных работ. Хотя следует отметить, что в эксплуатации атомные станции экологически чистые, вредных веществ, пыли и углекислого газа СО2 не выделяют.
Вопрос использования на Камчатке атомной энергетики рассматривался неоднократно [9]. Это могло произойти в нашем регионе дважды - в 1985 и в 2014 гг. В 1985 г. даже были начаты работы по сооружению АЭС, оставившие свой след строительством бетонно-асфальтовой дороги длиной 3,5 км и вырытым котлованом. Затраты на эти работы в дальнейшем вошли в стоимость основных фондов ТЭЦ-2, а построенная дорога в перспективе стала использоваться в обеспечении инфраструктуры городского кладбища.
После отказа от строительства каскада Кроноцких ГЭС и Жупановских ГЭС попытались построить АЭС, а в итоге скоропалительно построили ТЭЦ-2 с технологией генерации энергии через сжигание углеводородного топлива. Этим была проложена дорога к большим проблемам в Стратегии развития генерации для энергообеспечения Камчатского края и неэффективному использованию завозных и собственных энергоресурсов.
Надо признать, реализация атомной энергетики для региона была бы более энергоэффектив-на, чем существующая технология сжигания углеводородного топлива, но есть особенность: атомная энергетика является особо опасной в сравнении с другими генерирующими источниками из-за возможности возникновения техногенных катастроф большой разрушительной силы в случае аварии на ядерных объектах [10].
Отдельно следует рассмотреть перспективы, в том числе для Камчатки, водородной энергетики. Это новая зарождающаяся эра энергообеспечения человека на Земле. Жидкий водород -самый перспективный и эффективный энергоноситель среди углеводородного топлива (аналогия воспроизводства энергии - Солнце) [11]. В технологии получения электроэнергии и тепла он самый безвредный и экологически чистый, поскольку после сгорания остается только вода. Экономическая целесообразность получения водорода из воды может быть достигнута при условии низкой себестоимости электроэнергии при генерации, а наиболее дешевая в технологии
генерация - это использование гидроэлектростанций (ГЭС) или приливных электростанций (ПЭС). В мировой энергетике жидкий водород является самым перспективным видом углеводородного топлива, который для инвестора уже стал привлекательным. В числе передовых стран по использованию этого энергоносителя - Япония и Исландия.
В программах государственного развития этих стран планируется перевод общественного, автомобильного транспорта и прибрежных морских судов полностью на жидкий водород до 2025 г., и они уже приступили к реализации. Камчатка с ее возможностями и гидроэнергетическим потенциалом может стать лидером в реализации этой технологии среди регионов не только Дальнего Востока, но и России.
Мировая наука стоит на пороге решения технической задачи накопления водорода и хранения его в твердом состоянии, удобном для транспортировки и применения в промышленности. Создаются технологии его аккумулирования. Рождается новый перспективный ликвидный товар для реализации на мировом и внутреннем рынке. Уже сегодня на основе нанотехнологии разработан метод накопления водорода в твердых топливных элементах. Так, в научно-исследовательском институте Новосибирска в 2016 г. уже созданы экспериментальные водородные таблетки-аккумуляторы, при размещении которых в воде выделяется газообразный водород, накопленный в этих таблетках [12].
В США выпускают топливные контейнеры для обеспечения теплоснабжения мощностью до 1мВт, в которых используются угольные и водородные таблетки, разделенные наносеткой, запаянные в металлической конструкции - нагревательном элементе. Данный элемент помещается в сосуд с водой: вначале его нагревают до температуры свыше 100°С, после чего внутри металлического сосуда начинается самопроизвольная химическая реакция с выделением огромного количества тепла. Металлический сосуд опускается в емкость с водой (тепловой котел), вода нагревается и насосами подается в систему отопления. Но для реализации подобных технологий изначально нужен водород. В промышленных масштабах его получают из воды методом электролиза, для чего и необходима дешевая электроэнергия. Лидерами в этом отношении по наиболее низкой себестоимости энерготарифа являются ГЭС и ПЭС.
Подтверждение лидерства данного направления - договор между Японией и ПАО «РусГидро» по реализации электроэнергии Усть-Среднеканской ГЭС на р. Колыма для производства жидкого водорода в Магаданской области, заключенный в рамках Восточного экономического форума в сентябре 2016 г. Исландия, обладая мощным гидроэнергетическим потенциалом, реализует эту программу у себя. Камчатка могла бы быть наиболее перспективной среди регионов России для производства водорода в промышленных масштабах в случае строительства ГЭС и приливных ПЭС, поскольку располагает огромным потенциалом мощности генерации.
Кроме того, гидроэнергетика является самостоятельной технологией генерации электроэнергии, основанной на использовании возобновляемых, практически неисчерпаемых энергоисточников - энергии рек, морских приливов [13]. При получении электроэнергии по этой технологии вредные вещества, пыль, углекислый газ СО2 не выделяются, а КПД генерации достигает 90%. Одновременно электроэнергия может использоваться для генерации тепла через электронагревательные элементы. Производство энергии от возобновляемых источников минимально воздействует на экологию, природа не уничтожается и не исчезает. При использовании энергоресурса рек (созданием водохранилищ) происходит замещение биологической жизни одного вида на другой. В этом случае требуются более обширные территории для размещения ОПЭ. Даже такой острый вопрос для Камчатки как сохранение нерестилищ и рыбовоспроизводства на данной территории вполне решаем в рамках данной технологии. По экологической чистоте гидроэнергетика сравнима с получением электроэнергии от Солнца. После возврата инвестиций на строительство ГЭС полученная электроэнергия приобретает свойства товарной продукции для дальнейшей реализации в энергоемких производствах и транспортировки по высоковольтным линиям электропередачи в другие регионы. Себестоимость электротарифа на шинах ГЭС из всех существующих технологий генерации наиболее дешевая. Это не может не привлекать инвестиции и инвесторов в экономику региона. Как пример - наличие постоянного интереса и предложений по инвестированию от зарубежных компаний, банков на проектирование, строительство и совместную эксплуатацию каскада ГЭС на реке Жупанова.
Энергия ветра и солнечная энергия могут быть генерирующими источниками, но имеют низкий КПД - от 10 до 25%. Технологии их использования могут рассматриваться как дополнение к основным, мощным генерирующим источникам. При этом низкий КПД, высокие затраты
на эксплуатацию и неспособность быть самостоятельным источником электроэнергии делают эти технологии неконкурентоспособными в большой энергетике [14].
Таким образом, наиболее перспективным направлением развития энергообеспечения в Камчатском крае на сегодняшний день является гидроэнергетика. Учитывая уникальные гидроресурсы Камчатки, это направление способно не только обеспечить потребности региона в электрической и тепловой энергии, но и позволит создать колоссальный резерв мощности для развития энергоемких производств и реализации энергоемких технологий. При комплексном подходе и развитии малой гидроэнергетики возможно кардинальное решение проблемы энергообеспечения удаленных поселков и производственных объектов [15]. При этом возможно реальное снижение себестоимости электроэнергии, что будет способствовать повышению социальной привлекательности региона и обеспечит конкурентоспособность камчатской продукции на российском и мировом рынках.
Использование более экологически чистой технологии генерации электрической энергии позволит существенно снизить загрязнение окружающей среды и обеспечить сохранность уникальной природы Камчатки. Воздействие гидроэнергетики на окружающую среду гораздо менее разрушительно, а при рациональном подходе на этапах проектирования и строительства инженерных сооружений сводится к минимуму.
В условиях изолированности Камчатки от внешних энергоресурсов именно развитие гидроэнергетики является наиболее перспективным и актуальным. И конкретные шаги в этом направлении необходимо предпринимать уже сейчас, пока есть запас времени и возможность эффективной реализации гидроэнергетических проектов.
Литература
1. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений: санитарные правила и нормы. М.: Информационно-издательский центр Минздрава России, 1997.
2. Руководство по энергетической статистике / Международное энергетическое агентство. Евростат, L-2920. Люксембург: Стеди, 2007. 192 с.
3. Можаева С.В. Экономика энергетического производства: учебное пособие. 6-е изд., доп. перераб. СПб.: Лань, 2011. 272 с.
4. Белов О.А. Перспективы автономного электроснабжения удаленных объектов с использованием бесплотинных ГЭС // Наука, образование, инновации: пути развития: материалы Седьмой всероссийской научно-практической конференции (24-26 мая 2016 г.). Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2016. С. 109-111.
5. Рогалев Н.Д. Экономика энергетики: учебное пособие. М.: МЭИ, 2005. 288 с.
6. Кириченко К.Ю., Вахнюк И.А., Дрозд В.А., Голохваст К.С. Исследование загрязнения атмосферы населенных пунктов Камчатского края с помощью лазерной гранулометрии // Вестник Камчатского государственного технического университета [Bulletin of Kamchatka State Technical University]. 2018. № 46. C. 86-94.
7. Доклад о состоянии окружающей среды в Камчатском крае в 2018 году / Министерство природных ресурсов и экологии Камчатского края. Петропавловск-Камчатский, 2019. 395 с.
8. Белоусов В.И., Белоусова С.П. Природные катастрофы и экологические риски (на примере геотермальной энергетики): учебно-методическое пособие. Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГПУ, 2002. 160 с.
9. Крылов Д.А. Сможет ли Камчатка решить энергетические проблемы без атомной станции? // Бюллетень по атомной энергии. 2008. № 3. С. 16-20.
10. Белов О.А., Парфенкин А.И. Обзор основных факторов снижения безопасности сложных технических систем // Вестник Камчатского государственного технического университета [Bulletin of Kamchatka State Technical University]. 2015. № 35. С. 11-14.
11. Мошников В.А., Теруков Е.И. Основы водородной энергетики. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. 288 с.
12. Марченко О.В., Соломин С.В. Анализ эффективности аккумулирования электрической энергии и водорода в энергосистемах с возобновляемыми источниками энергии // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22, № 3. С. 114-125.
13. Никитин А.Т., Белов О.А. Перспективы развития малой энергетики как экологичной технологии // Образование, наука и молодежь - 2017: материалы научно-практической конференции (26 октября 2017 г.). Керчь: КГМТУ, 2017. С. 268-272.
14. Безруких П.П. Нетрадиционно возобновляемые источники энергии: монография. М.: Топливно-энергетический комплекс, 2002. 120 с.
15. Белов О.А., Пантина А.И. Анализ возможности автономного энергообеспечения биостанции на реке Коль // Наука, образование, инновации: пути развития: материалы Седьмой всероссийской научно-практической конференции (24-26 мая 2016 г.). Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2016. С. 115-118.
Информация об авторах Information about the authors
Кротенко Дмитрий Сергеевич - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; аспирант
Krotenko Dmitriy Sergeevich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsky, Graduate
Семчёв Владимир Андреевич - Региональный центр развития энергетики и энергосбережения; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; директор филиала «Елизовский»; kletn@yandex.ru
Semchev Vladimir Andreevich - Regional Center for Energy Development and Energy Saving; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsky; Director of the branch "Elizovsky"; kletn@yandex.ru
Белов Олег Александрович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; кандидат технических наук; заведующий кафедрой энергетических установок и электрооборудования судов; boa-1@mail.ru
Belov Oleg Alexandrovich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsky; Candidate of Technical Sciences, Head of Power Plants and Ships Electrical Equipment Chair; boa-1@mail.ru
Жуков Сергей Алексеевич - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; доцент кафедры энергетических установок и электрооборудования судов; va_zhukov@rambler.ru
Zhukov Sergey Alexeevich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsky; Associate Professor of Power Plants and Ships Electrical Equipment Chair; va_zhukov@rambler.ru
