CC BY
14
УДК
Прутских М.С., Ермоленко Б.В., Фетисова Ю.А.
ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ, ТОПЛИВНЫХ, РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ, ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ
Прутских Максим Сергеевич, студент 4 курса факультета биотехнологии и промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, e-mail: maxim.prutskikh@yandex.ru;
Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент факультета биотехнологии и промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева;
Фетисова Юлия Александровна ведущий эксперт Центра развития возобновляемых источников энергии
Института энергетики НИУ «Высшая школа экономики»,
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева,
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Сформулирована задача разработки информационно-вычислительной системы для оценки электроэнергетического, теплоэнергетического, топливного, ресурсосберегающего и экологического потенциалов ветровой энергии в точках градусной сетки РФ. Разработана структура системы и алгоритмы расчета потенциалов. Предусмотрена возможность оценки потенциалов для разных высот от поверхности земли, ветроэнергетических установок, направлений ветра, интервалов времени. Информационно-вычислительная система реализована на базе электронных таблиц Exel. Проведены расчеты потенциалов на всей территории РФ в 3506узлах градусной сетки.
Ключевые слова: информационно-вычислительная система, ветроэнергетика, потенциал, электроэнергетический, теплоэнергетический, топливный, ресурсосберегающий, экологический, экономический, эколого-экономический
INFORMATION AND COMPUTING SYSTEM FOR THE ESTIMATION OF ENERGY, FUEL, RESOURCE-SAVING, ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL AND ECONOMIC POTENTIALS OF WIND ENERGY
Prutskikh M.S., Ermolenko B.V., Fetisova Y.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The task of developing an information and computing system for estimating the electric power, heat and power, fuel, resource-saving and environmental potentials of wind energy at the points of the RF grid is formulated. The structure of the system and the algorithms for calculating potentials have been developed. It is possible to estimate the potentials for different heights from the surface of the earth, wind power installations, wind directions, time intervals. Information and computing system is based on Exel spreadsheets. The potentials were calculated throughout the territory of the Russian Federation at 3506 nodes of the degree grid.
Keywords: information and computing system, wind power, potential, electric power, heat and power, fuel, resource-saving, ecological, economic, ecological-economic
Последние десятилетия отмечены существенном ростом доли возобновляемой энергетики в общем объеме производства энергии. Это обусловлено желанием большинства стран снизить локальное и глобальной негативное воздействие традиционной топливной энергетики на окружающую среду, необходимостью сбережения ценных ископаемых ресурсов для будущих поколений, заботой об энергетической безопасности страны. Лидером по установленной мощности среди всех ВИЭ является ветроэнергетика. В Европе данный способ производства энергии составляет существенную часть энергобаланса. Правительство Российской Федерации начинает поддерживать и стимулировать развитие ветроэнергетики в нашей стране.
Для принятия решений о возможности включения в региональные программы развития данной отрасли проектов строительства конкретных ветроэнергетических станций (ВЭС), в первую
очередь, необходима информации о величине электроэнергетического потенциала ветра в конкретных точках территории рассматриваемой территориально-административной единицы. Если электроэнергетический потенциал окажется достаточным для удовлетворения нужд
потребителей в электрической энергии, инвестору и администрации региона для экономического и эколого-экономического обоснования
инвестирования средств в разрабатываемую программу понадобится информация о размерах топливного, теплоэнергетического,
ресурсосберегающего, экологического,
экономического и эколого-экономического потенциалов энергии ветра с учетом специфики энергоснабжения и топливопотребления на рассматриваемой территории.
С целью обеспечения участников
инвестиционного процесса необходимой
информацией разработана информационно-
вычислительная система (ИВС), предназначенная для расчета перечисленных выше потенциалов. В качестве источника исходной информации для оценки потенциальных возможностей ветровой энергии выбрана база данных NASA SSE, созданная на основе долголетних спутниковых наблюдений за поверхностью Земли. База содержит информацию о скоростных характеристиках ветра для всего земного шара с разрешением 1°*1°. Территория РФ насчитывает 3506 узлов этой градусной сетки. Для каждого узла на основании обработки статистических данных представлены скоростные показатели: средние, минимальные и максимальные скорости ветра на базовой высоте 50 м над поверхностью земли, м/с; повторяемость скоростей ветра по градациям на высоте 50 м над поверхностью земли, %; средние скорости ветра на высоте 50 м над поверхностью земли для восьми 3-х часовых интервалов времени в течение суток, м/с; средние направления ветра на высоте 50 м над поверхностью земли, градусы; средние направления ветра на высоте 50 м над поверхностью земли для восьми 3-х часовых интервалов времени в течение суток, градусы; средние скорости ветра на высоте 10 м над поверхностью земли для территории типа «аэропорт», м/с; процентное различие скоростей ветра на высотах 10 м и 50 м над поверхностью земли для различных типов подстилающей поверхности, %; средние скорости ветра на высотах 50, 100, 150 и 300 м над поверхностью земли для различных типов подстилающей поверхности, м/с.
В состав показателей, включаемых в разработанную ИВС, входят для каждого узла и временного интервала: все рассмотренные выше скоростные характеристики ветра для базовой высоты 50 м, рассчитанные в системе параметры функции плотности распределения вероятностей скоростей ветра Вейбулла для различных высот от поверхности земли, соответствующие значения функции Вейбулла, кривые мощности
ветроэнергетических установок (ВЭУ) разной высоты, доступные мощности этих установок, значения электроэнергетических, топливных, теплоэнергетических, ресурсосберегающих,
экологических, экономических и эколого-экономических потенциалов. Предусматривается возможность оценки потенциалов энергии ветра для любых ветроэнергетических установок при проектировании ВЭС на территории Российской Федерации.
Используемая для оценки потенциалов функция Вейбулла, аппроксимирующая значения плотностей вероятностей скоростей ветра в диапазоне от 0 м/сек до +<», имеет следующий вид
eGD
Я-1
(1),
где и - скорость ветра, м/с; А - параметр масштаба (скоростной), м/с; К - безразмерный параметр формы кривой (рис. 1).
Рис. 1. Функция плотности вероятностей распределения скоростей ветра
Кривая мощности М(и) ветроэнергетической установки изображена на рис. 2
Рис. 2. Кривая мощности ветроэнергетической установки
[2].
Наличие функции Вейбула и кривой мощности ВЭУ позволяет оценить доступную мощность
Мдост, -
£/{u)M(u) (2).
ц=0
Параметры этой функции для различных временных интервалов и высот рассчитываются на основе данных о повторяемости скоростей ветра по градациям на базовой высоте 50 метров, с помощью разработанной методики. Для оценки параметров ;Мес, и на базовой высоте используется
метод наименьших квадратов. Переход к ?-му трехчасовому интервалу осуществляется с применением средних скоростей ветра и формул
"йбазлеь /
= к
ЬбазЛИЖ.
(4),
а к другой высоте h с использованием соотношений
Аъ =
=(—У
Ahb
(5),
Kh ~ Khe.
(6),
/ '-"баз --п6щ
где а - коэффициент шероховатости подстилающей поверхности в точке расчета.
Для оценки эффективности целесообразно определить коэффициент использования
установленной мощности, Рассчитанные значения доступной мощности позволяют перейти к вычислению электроэнергетического потенциала. Помимо доступной мощности для его оценки необходима информация о количестве часов за рассматриваемый временной интервал. Оценку
энергетического потенциала нельзя считать полной, если не будет рассчитан теплоэнергетический потенциал, который характеризует возможность преобразования вырабатываемой электрической энергии в тепловую.
В основу обоснования эффективности инвестирования средств в развитие ветроэнергетики положены значения топливного,
ресурсосберегающего, экологического,
экономического и эколого-экономического потенциалов. Отправной точкой расчётов служит значение топливного потенциала, выраженного в тоннах условного топлива. Однако, важнейшим показателем для проведения обоснования является ресурсосберегающий потенциал, оцениваемый в натуральном выражении в т/год. Он характеризует количество мазута, угля, дизельного топлива или газа, которое использовалось бы в районе размещения ВЭС при производстве энергии на тепловых электростанциях в количестве, соответствующем энергетическому потенциалу энергии ветра. Помимо натуральной оценки ресурсосбережения используют стоимостную, которая задает величину экономического
потенциала, руб/год. Исходя, из объемов потребления конкретного вида топлива имеется возможность произвести расчёт экологического потенциала. Экологический потенциал измеряется в т/год и характеризует величину предотвращённых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от тепловых электростанций и котельных. Обобщающими показателями предотвращаемых выбросов являются объемы выбросов в тоннах СО-эквивалента и в тоннах СО2-эквивалента. Стоит отметить, что пока рассматривается только предотвращение загрязнения атмосферы как наиболее существенное воздействие на человека и другие биологические объекты.
Заключительным этапом в формировании ИВС является расчёт эколого-экономического потенциала, соответствующего величине
предотвращаемого эколого-экономического ущерба от загрязнения атмосферы d в руб./год. Для локального воздействия на окружающую среду расчёт проводится согласно стандартной методике [3]. Глобальное воздействие оценивается исходя из потенциальных ставок платы за выбросы
парниковых газов в т СО2-экв. Взяв во внимание проводимые изменения в законодательстве по установлению платы за выбросы С02, расчёт этого показателя проводится по среднеевропейской ставке платы за выбросы - 30 БИЯ/т СО2-экв. [4].
Таким образом, впервые была разработана информационно-вычислительная система для эколого-экономического обоснования программы развития региональной энергетики на базе ВИЭ и инвестирования средств в строительство отдельных ветровых электростанций. Система содержит информацию о потенциалах энергии ветра в 3506 узлах градусной сетки РФ для различных высот, временных интервалов и ветроэнергетических установок. Разработанная ИВС реализована на основе электронных таблиц Бхе1. Планируется переход к использованию метеорологических баз данных с более мелким шагом, создание многослойной карты с помощью ГИС-технологий и объединение в данной системе ветроэнергетики с другими видами ВИЭ.
Список литературы
1. Фетисова Ю.А., Ермоленко Б.В., Ермоленко Г.В., Киселева С.В Определение параметров функции Вейбулла для оценки ветроэнергетического потенциала в условиях ограниченных исходных метеорологических данных // Теплоэнергетика. -2017. - №4. - С. 13-20.
2. Б.В. Ермоленко, Г. В. Ермоленко, Ю.А. Фетисова. Методы количественной оценки энергетического, ресурсосберегающего и экологического потенциалов энергии ветра. Серия: Энергетика XXI век «Возобновляемые источники энергии». Выпуск 1; сб. научн. трудов НИУ ВШЭ. -М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2015.- 41- 59 сс.
3. Н.П. Тарасова, Б.В. Ермоленко, В.А. Зайцев, С.В. Макаров. Оценка воздействия промышленных предприятий на окружающую среду. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 230 с.
4. Институт комплексных стратегических исследований. Плата за выбросы парниковых газов по странам мира // События и комментарии. - 2016. -№10. - С. 1-2.
