CC BY
124
УДК 620.91;911.9
DOI: 10.24411/1728-323X-2020-13112
КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ АКМОЛИНСКОЙ ОБЛАСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
A. А. Тулегенова, аспирант
научно-исследовательской лаборатории
возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ)
географического факультета,
МГУ имени М. В. Ломоносова,
e-mail: ainur18.93@list.ru, Москва, Россия,
С. В. Киселева, к. ф-м. н, в. н. с.
научно-исследовательской лаборатории
возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ)
географического факультета,
МГУ имени М. В. Ломоносова,
e-mail: k_sophia_v@mail.ru, Москва, Россия,
Ю. Ю. Рафикова, к. г. н., с. н. с.
научно-исследовательской лаборатории
возобновляемых источников энергии
(НИЛ ВИЭ)географического факультета,
МГУ имени М. В. Ломоносова,
e-mail: ju.rafikova@gmail.com, Москва, Россия
Впоследние десятилетия прослеживается устойчивая тенденция увеличения масштабов применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в ТЭК многих стран и регионов. Основными факторами, определяющими потенциал использования ВИЭ, являются величина ресурсов, их пространственная, временная неоднородность и стоимость выработанной энергии в сравнении с традиционными источниками энергии. Для определения этого потенциала необходим комплексный анализ территории с точки зрения как физико-географических условий, так и экономических факторов. В статье представлены результаты пространственного анализа потенциала энергообеспечения на основе ВИЭ для территории Акмолинской области Казахстана.
Over the past decade, there has been a steady trend towards an increase in the use of renewable energy sources (RES) in the fuel and energy complex of many countries and regions. The main factors that determine the potential for the use of renewable energy are the size of the resources, their spatial, temporal heterogeneity and the cost of energy generated in comparison with traditional energy sources. To determine this potential, a comprehensive analysis of the territory is required in terms of both physical and geographical conditions and economic factors. The article presents the results of a spatial analysis of the energy supply potential based on renewable energy for the territory of the Akmola Region of Kazakhstan.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечная энергия, ветровая энергия, Акмолинская область, Казахстан.
Keywords: renewable energy sources, solar power, wind power, the А-kmola Region, Kazakhstan.
Введение
Экологические проблемы и климатическая повестка стимулируют общество развивать ресурсосберегающие технологии. Возобновляемую энергетику можно рассматривать как флагман этой тенденции. Даже при кардинальном снижении цен на углеводородное топливо, происходящем в настоящее время, это направление энергетики останется актуальным, в частности, для отдаленных регионов крупных по территории стран, где отсутствует центральное энергоснабжение, а дороговизна прокладки линий электропередач стимулирует автономный тип энергообеспечения. Первоначальным этапом планирования и проектирования станций на основе ВИЭ является оценка ресурсного потенциала региона и анализ тех природных и экономических факторов, которые ограничивают или благоприятствуют строительству и эксплуатации таких объектов. В статье представлены результаты исследования территории Акмолинской области с целью оценки потенциала энергообеспечения в текущих природных, экономических и институциональных условиях.
Состояние использования возобновляемых источников энергии в Республике Казахстан
Производство электрической энергии в Республике Казахстан (РК) в настоящее время основано на использовании углеводородного топлива (табл. 1). Электросетевая инфраструктура Казахстана представлена сетями оператора национальной электрической сети, региональных электросетевых компаний и энергоснабжающими организациями, поставляющими электроэнергию розничным потребителям. Старение созданной при СССР инфраструктуры приводит к росту потерь электроэнергии, так что к 2018 году нормативные потери составили около 3 млрд кВтч/год [1].
На севере Казахстана 70 % электроэнергии вырабатывают угольные электростанции [1], что влечет за собой высокую
интенсивность загрязнения атмосферного воздуха. Ратификация Киотского протокола послужила триггером формирования институциональных условий для развития ВИЭ в РК. Начало развития этого направления энергетики было положено в 2009 году принятием Закона № 165-1У «О поддержке использования ВИЭ». Расчетно-аналитический центр совместно с Европейским банком реконструкции и развития и Азиатским банком развития — разработал концепцию перехода РК к зеленой экономике. Реализация концепции предполагает выполнение ряда целевых показателей (табл. 2). Видно, что м аксимальный прирост мощностей, согласно концепции, должны обеспечить ветровые (ВЭС) и солнечные (СЭС) электростанции.
Как и в других странах, для реализации обязательств в области возобновляемой энергетики, в РК были приняты механизмы государственной
Таблица 1 Использование разных видов топлива на тепловых электростанциях (ТЭС) Казахстан, 2018 г. [1]
Всего Уголь Мазут Газ
Тыс. т. у. т. % Северна Тыс. т. у. т. % В 42230,7 100 я зона элек 35085,2 100 сего по ТЭ1 36351,2 86,1 гроэнергети 33954,6 96,8 357,7 0,8 ческой сист 259,0 0,7 5521,8 13,1 емы РК 871,7 2,5
Таблица 2
Целевые показатели установленной мощности станций на ВИЭ в Казахстане, МВт [1]
Тип станций 2020 (утверждены) 2025 (прогнозируются)
ВЭС 933 1200
СЭС 467 1100
Малые ГЭС 290 219
Биогазовые станции 10 15
Суммарная м ощность 1700 2615
станции
Таблица 3 Электроэнергетический баланс Акмолинской области, млн кВтч (составлено автором на основе [4])
Год Потребление электроэнергии Выработка электроэнергии Баланс
2016 8285 3632 -4653
2017 8645 4042 -4603
2018 9141 4349 -4792
900
800
700
600
т
500
нл 400
мл 300
200
100
0
□ БиоТЭС
□ ВЭС
-128" 45 " " 31 "
271
6
2
2014
86
81
335
2015
2016
90 144 2017
398
138
242 2018
Рис. 1. Объем выработки энергии от станций на возобновляемых источниках в Республике Казахстан в период с 2014 по 2018 год [3]
поддержки и стимулирования отрасли, которые вошли в Закон «О поддержке использования ВИЭ» [2]. Принятые институциональные механизмы стимулировали повышение конкурентоспособности и развитие отрасли в целом. Так, в период с 2014 по 2018 год прослеживается положительная динамика установленных мощностей и выработки энергии от ВИЭ, максимальный рост пришелся на ветровую энергетику, на втором и третьем месте — месте малые ГЭС, и солнечные электростанции (рис. 1). Суммарная установленная мощность ветровых и солнечных электростанции к 2018 году достигла 330,5 МВт, суммарная мощность всех станций на ВИЭ — 531 МВт, а доля этих станций в электроэнергетическом балансе РК — 1,26 %.
Поскольку в стране со значительными запасами углеводородных топливных ресурсов и развитой сетевой электроэнергетикой возобновляемые источники могут объективно рассматриваться в основном как местный энергетический ресурс, с нашей точки зрения важно разработать и апробировать методику исследования потенциала энергообеспечения на ВИЭ именно на региональном уровне. Выбор в качестве региона исследования Акмолинской области обусловлен ее нарастающим отрицательным электроэнергетическим балансом. Так, в 2018 году годовой дефицит элект-роэнергиив области составил 4653 млн кВтч, и потребление энергии в 2,2 раза превосходит собственное производство (табл. 3).
Выработка электроэнергии обеспечивается работой двух ТЭЦ — Акмолинской ТЭЦ-2 (АО «Астана-Энергия») и Степногорской ТЭЦ (ТОО «Степногорская ТЭЦ»), — на которых выработка за 2016—2018 годы существенно выросла до 3285,6 и 839 млн кВтч соответственно [4]. Однако рост производительности станций не покрывает нарастающего дефицита энергии, связанного с ростом промышленного производства, потребления энергии населением, в непроизводственной
1
сфере и т. д. Покрытие дефицита передачей энергии из Павлодарской области сопровождается потерями энергии в сетях.Таким образом, Акмолинская область является регионом, где рассмотрение потенциала альтернативных путей энергообеспечения является актуальным.
Объект и методы исследования
В связи с физико-географическими особенностями региона, в том числе широтным положением, рельефом, типом подстилающей поверхности, нами будут рассмотрены ветровые и солнечные энергетические ресурсы. В качестве характеристик ресурсов солнечной радиации в работе приняты средние (за год и сезон) суточные суммы суммарной солнечной радиации приходящие на горизонтальную и наклонную поверхность. С учетом высоты современных ВЭУ средней мощности (1—1,5 МВт), характеристиками ресурсов ветровой энергии приняты средняя (за год и сезон) скорость ветра и повторяемость ветра на высоте 50 м. Источником данных для расчета указанных величин служила глобальная база данных NASAPOWER [5], в которой данные представлены в формате суточных сумм (для солнечной радиации), средних суточных значений
(для температуры, скорости ветра и др.) для каждых суток периода с 1983 года по настоящее время. Для получения ресурсных характеристик солнечной и ветровой энергии были использованы последовательности данных за 1983—2005 годы. В результате были рассчитаны ресурсные характеристики солнечной и ветровой энергии на пространственной сетке (1 х 1)° с последующей генерализацией до сетки (2 х 2)°. Было показано, что междугодичные вариации характеристик радиации и средних скоростей ветра составляют от 2 до 13 %. В дальнейшем предполагалось, что точность оценки производительности станций определяется междугодичными вариациями ресурсных характеристик и находится в этих же пределах.
Средние годовые характеристики ресурсов солнечной и ветровой энергии представлены на рисунках 2—3. Видно, что распределение приходящей солнечной радиации на территории области имеет широтный характер с незначительным ростом в южном направлении, что позволяет считать ресурсы солнечной энергетики всей территории примерно однородными. Лишь в южной части области выделяется зона с повышенным приходом солнечной радиации, но не более чем на 0,4 кВтч/м2/день по сравнению с северными
Рис. 2. Средние годовые суточные суммы суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность (кВтч/м2/день).
Акмолинская область
Рис. 3. Средняя годовая скорость ветра на высоте 50 м (м/с). Акмолинская область
районами области. Ресурсы ветровой энергии по территории области более неоднородны. Выделяется область с повышенной (на 0,5 м/с) среднегодовой скоростью ветра, расположенная на территории северных и центральных районов области (Аккольский, Шортандинский и Енбек-шильдерский районы).
Анализ и картографирование ресурсов выбранных видов ВИЭ является первым этапом пространственного анализа территории при обосновании выбора площадок для проектирования и строительства ВЭС и СЭС, которые должны помимо ресурсного потенциала соответствовать ряду критериев и требований.
Перечень учитываемых ограничивающих и оценочных факторов, влияющих на размещение станций, представлен в табл. 4. При этом ограничивающие факторы дают однозначную оценку возможности размещения станций, а оценочные факторы позволяют дифференцировать отдельные районы по степени их пригодности для размещения указанных объектов. В работе учтен только один оценочный фактор — автодорожная сеть в связи с отсутствием информации по расположению распределительных ЛЭП и электрических подстанций низкого напряжения.
Таблица 4 Факторы1, влияющие на размещение ВЭС и СЭС
Факторы Характеристика фактора
Ограничивающие
1. Рельеф местности Исключить территории
с уклоном более 10°
2. ООПТ Исключить
3. Водные объекты Исключить
(включая буферные зоны)
4. Лес Исключить
5. Пути миграции птиц Исключить
(ключевые орнитологи-
ческие территории)
6. Территории населенных Исключить
пунктов
Оценочные
7. Автодорожная сеть Близость ВЭС/СЭС к авто-
дорогам границ площадки
8. Линии электропередач Близость ВЭС/СЭСк ЛЭП
(ЛЭП)
9. Электрические подстан- Близость ВЭС/СЭС к элект-
ции (ПС) рическим подстанциям
1 Фактор «Пути миграции птиц» применим только для ВЭС
Результаты и обсуждение
Рассмотренные выше факторы, влияющие на размещение станций на ВИЭ, были нанесены на комплексную карту, отображающие территории, где размещение СЭС/ВЭС допустимо или запрещено (рис. 4).
Следующим этапом определения потенциала энергообеспечения является расчет энергетической производительности солнечных и ветровых станций на отобранных территориях и оценка их экономической рентабельности (себестоимости электроэнергии). В работе был проведен расчет производительности станций одинаковой мощности (15 МВт), расположенных на разрешенных территориях и имеющих следующие технические характеристики:
— солнечная электростанция, состоит из фотоэлектрических модулей (ФЭМ) единичной мощности 265 Вт, площадью поверхности 1,65 м2, паспортным КПД 16,2 % и инверторов с КПД, изменяющимся в зависимости от мощности ФЭМ в диапазон 89—98 %;
— ветровая электростанция состоит из ветро-установок (ВЭУ) модели NordexN 27-50 номи-
нальной мощностью 150 кВт каждая, высотой мачты 50 м, диаметром ветроколеса 27 м.
Для пространственного анализа производительности станций в дальнейшем рассчитывалась плотность производительности станций (МВтч/км2) с учетом площади генерирующих объектов. Расчет проводился на основе годовой последовательности суточных сумм суммарной солнечной радиации из базы данных NASAPOWER, которые в соответствии с методикой, описанной в [6], были пересчитаны в солнечную радиацию, приходящую на наклонную поверхность. При определении производительности СЭС была использована программа расчета производительности сетевых солнечных станций PvGr_v2_2 (программный продукт разработан И. Т. Паром). Оценка производительности ВЭС проводилась средствами Excel с учетом многолетней средней повторяемости скорости ветра и мощностной характеристики выбранного типа ВЭУ. Расчеты проводились в пространственной сетке исходных д ан-ных с разрешением (2 х 2)°, после чего полученные значения плотности производительности СЭС и ВЭС были интерполированы по методу обратно взвешенных расстояний между узлами сетки.
Территория, где размещение
- ВЭС, СЭС запрещено
Территория, где размещение
ВЭС, СЭС допустимо Ключевые орнитологические территории
□ Границы областей
Рис. 4. Запрещенные и допустимые для размещения ВЭС/СЭС территории
Рассчитанная плотность выработки энергии (производительности) для территории Акмолинской области составила: для ВЭС — от 186 до 251 МВтч/год/км2, для СЭС — от 44 до 50 МВтч/год/км2 (рис. 5, 6). Уже на этом этапе видно, что плотность производительности ветровых станций в 3—5 раз выше, чем плотность производительности солнечных станций (для выбранных типов ФЭМ и ВЭУ). Полученное распределение производительности с учетом ограничивающих факторов и природных ресурсов показывает потенциал энергобеспечения территории на основе установок (станций) солнечной и ветровой энергетики. Видно, что максимальный потенциал энергообеспечения с использованием солнечной энергии сосредоточен в южных районах области, однако его распределение в отличие от распределения ресурсов солнечной энергии (рис. 2) не является строго широтным. Наибольший потенциал энергообеспечения с использованием ветровой энергии коррелирует с распределением ветровых ресурсов (рис. 3), однако площадь территории с максимальной потенциальной производительностью энергии от ВЭС существенно сокращена вследствие влияния ограничивающих факторов. Доля исключенных территорий (вследствие наличия указанных факторов) составляет около 32 % для ВЭС и 28 % — для СЭС от площади области.
Для учета транспортной доступности, которая является одним из оценочных факторов, была рассчитана близость каждого участка области площадью 1 км2 к дорогам с шагом 5 км. Учитывались дороги не только республиканского, но местного значения. Полученные результаты показывают, что плотность дорожной сети высока, и, следовательно, транспортная доступность является ограничивающим фактором лишь для небольшой доли территории Акмолинской области (рис. 7).
Себестоимость (и, следовательно, конкурентоспособность) произведенной солнечными и ветровыми станциями энергии оценивалась на основе полученных на предыдущем этапе результатов выработки энергии. В качестве ключевой характеристики себестоимости была использована приведенная стоимость электроэнергии (Levelised Costof Energy (LCOE)), которая в общем случае определяется как:
+Mt+F
LCOE = '= 1 ( 1 + ' ,
I = 1 (1 + Г)
где Ц — инвестиционные затраты за год I; М1 — операционные затраты (включая техническое обслуживание) за год I; ^^ — затраты на топливо за год I; Ец — выработка электроэнергииза год I; г —
Рис. 5. Производительность СЭС на территориях, доступных для строительства солнечных станций, МВтч/км2
Рис. 6. Производительность ВЭС на территориях, доступных для строительства ветровых станций, МВтч/км2
Рис. 7. Результаты дифференциации территории Акмолинской области по доступности транспортной сети
ставка дисконтирования за год I; п — срок экс- традиционного топлива, составляет 0,57^2,73 руб.
плуатации станции. для физических и 0,71^5,71 руб. для юридических
В качестве данных о капитальных (расходы на лиц (минимальный — максимальный суточный
оборудование) и операционных (доставка обору- тариф). Таким образом, себестоимость энергии,
дования, строительство, эксплуатация станций) выработанной на солнечных и ветровых станци-
расходах для СЭС были использованы сметы ях, с учетом оценочного характера расчетов близ-
строительства Кош-Агачской солнечной станции ка к конкурентоспособной. (Республика Алтай, РФ), построенной в 2014 году, с учетом инфляции и изменения стоимости ФЭМ
Заключение
за прошедший период. Затраты на строительство Расчет производительности типовых СЭС и
и эксплуатацию ВЭС оценивались по двум источ- ВЭС мощностью 15 МВт и отображение резуль-
никам: данные по общим капитальным затратам татов этих расчетов на картах позволили полу-
на 1 кВт установленной мощности были взяты чить картографическое представление о потен-
из результатов конкурсных отборов проектов на циале энергообеспечения Акмолинской области
ВИЭ в России в 2019 году [7]. В связи с отсутс- с использованием ВИЭ. Плотность выработки
твием детальной информации использовались энергии для территории Акмолинской области
также результаты исследования средней мировой составила: при использовании ВЭУ — от 186 до
стоимости ветровой энергии [8], в которых при- 251 МВтч/год/км2, при использовании фото-
водится оценка различных статей расходов (в %). электрических модулей в составе СЭС — от 44 до
В результате приведенная стоимость состави- 50 МВтч/год/км2. Оценка приведенной стоимости
ла 6,166 руб./кВтч и 1,015 руб./кВтч для СЭС и электроэнергии (LCOE), выработанной на ВЭС и
ВЭС соответственно. Себестоимость электроэнер- СЭС, показывает, что себестоимость энергии от
гии на Казахстанском оптовом рынке энергии и ВИЭ может достигать уровня конкурентоспособ-
мощности, выработанной при использовании ности по сравнению с традиционной генерацией.
Библиографический список
1. Национальный энергетический доклад // Казахстанская ассоциация организаций нефтегазового и энергетического комплекса «Kazenergy». 2019. 213 с.
2. Закон «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» от 4 июля 2009 г.
3. Годовой отчет расчетно-финансового центраза 2018. — 82 с.
4. Годовой отчет Казахстанского оператора рынка электрической энергии и мощности за 2018. — 192 с.
5. Открытая база данных NASAPOWER. Электронный ресурс. Режим доступа: https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/. Дата обращения: 21.05.2020.
6. Даффи Д., Бекман У. Основы солнечной теплоэнергетики // Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2013. — 888 с.
7. Официальный сайт АТС РФ (Администратор торговой системы РФ). Электронный ресурс. Режим доступа: https:// www.atsenergo.ru/. Дата обращения: 21.05.2020.
8. Tyler Stehly, Philipp Beiter, Donna Heimiller. 2017 Cost of Wind Energy Review // Technical report // National Renewable Energy Laboratory (NREL USA).
COMPREHENSIVE ANALYSIS OF ENERGY SUPPORT POTENTIAL OF THE AKMOLA REGION USING RENEWABLE ENERGY SOURCES
А. А. Tulegenova, Postgraduate at Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, ainur18.93@list.ru, Moscow, Russia, S. V. Kiseleva, Leading Scientific Worker at Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, k_sophia_v@mail.ru Moscow, Russia,
Yu. Yu. Rafikova, Senior Scientific Worker at Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, ju.rafikova@gmail.com, Moscow, Russia.
References
1. Nacionalny jenergeticheskij doklad. Kazahstanskaya associaciya organizacij neftegazovogo i energeticheskogo kompleksa "Kazenergy" [National Energy Report.] 2019. p. 213. [in Russian].
2. Zakon "O podderzhke ispolzovaniya vozobnovlyaemyh istochnikov energii" ot 4 iyulya 2009 g. [Law on Supporting the Use of Renewable Energy Sources of July 4, 2009] [in Russian].
3. Godovoj otchet raschetno-finansovogo centra za 2018 g [Annual report of the counting and financial center for 2018]. p. 82. [in Russian].
4. Godovoj otchet Kazahstanskogo operatora rynka elektricheskoj energii i moshnosti za 2018 g [Annual report of the Kazakhstan operator of the electric energy and capacity market for 2018]. p. 192 [in Russian].
5. Open database NASAPOWER. Available from: https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/. Date of the access: 21.05.2020
6. Daffi D., Bekman U. Osnovy solnechnoj teploenergetiki [Fundamentals of solar thermal energy]. Dolgoprudnyj, ID Intellekt. 2013. p. 888. [in Russian].
7. Web site of Trading System Administrator of Russia (Administrator torgovoj sistemy PF). Available from: https://www.atsen-ergo.ru/. Date of the access: 21.05.2020
8. Tyler Stehly, Philipp Beiter, Donna Heimiller. Cost of Wind Energy Review. Technical report. National Renewable Energy Laboratory (NREL USA). 2017.
