CC BY
252
УДК 621.311.2
С.М. Астахов, кандидат технических наук ФГОУ ВПО Орел ГАУ
МИРОВОЙ ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОСЕЛЕНИЙ
Проанализирован мировой опыт использования
возобновляемых источников энергии, и в частности солнечной энергетики, а также рассмотрены перспективы использования возобновляемых источников энергии в системе электроснабжения сельских поселений.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии,
солнечная энергетика, фотоэлектрические преобразователи энергии, солнечные модули, сельские поселения, загородное и сельское жилье.
С созданием и началом широкого применения в конце 19-го века тепловых электростанций для производства электрической энергии доля
производимой на них электриче кой энергии во в ем мире до сих пор очень велика и составляет более 60%, второе место по выработке электрической энергии занимают гидравличес кие электростанции (более 20%), третье - атомные электростанции (около 10%). На долю же возобновляемых источников энергии (ВИЭ), если не учитывать «большую» гидроэнергетику, приходится менее 8%, в России этот показатель еще ниже и составляет менее 1%. Общую мировую потребно ть в электроэнергии, полученной за чет и пользования ВИЭ (по разным и точникам), можно обеспечить в объеме порядка 30%. В отдельно взятых промышленно развитых транах это значение уже составляет от 12 до 24%. В Швеции - 24%, во Франции - 15%, в США и Китае - 14%, в Дании и Германии - 12%. Но и эти, достаточно высокие, показатели их уже не устраивают. В 2007 году государства участники Европейского Союза приняли соглашение, которое предус матривает, что к 2020 году не менее 20%, а к 2040-му - 40% всей потребляемой ими электроэнергии должно производить я и пользованием возобновляемых, экологиче ки чи тых и точников, прежде в его, ветра, олнца и воды.
Показателен в этом отношении Китай, который тарает я не от тать от «передовиков» развития альтернативной энергетики. Уже сейчас правительство КНР завершает пере мотр принятой в 2007 году целевой программы по у коренному развитию альтернативной энергетики. На новую 10-летнюю программу оно намерено выделить 293 млрд. долларов. Где о обая роль отведена олнечной энергетике, а также энергии ветра. Китай по тавил цель дове ти к 2050 году размер производ тва энергии из альтернативных и точников до 40% в общем энергетиче ком балан е траны. А китай кое мини тер тво энергетики приняло новый план, который предусматривает доведение мощности ветряных электростанций к 2020 году до 100 ГВт. Это огромное значение, для равнения мощно ть амой крупной в мире гидроэлектро танции «Сань я», которая достраивается опять же в Китае, составит 22,4 ГВт (примерно 5% всех энергетических мощностей страны).
В нашей тране до 2009 года не было принято ни одного закона по проблеме возобновляемых и точников энергии. И только в этом году 16 января
The author analysed global experience of use of renewed energy sources, and in particular solar power and as prospects of use of renewed energy sources in system of electrosupply of rural settlements.
Key words: renewed energy sources, solar power, photo-electric converters of energy, solar modules, rural settlements, outside of city and rural habitation.
премьер-министр России Владимир Владимирович Путин подписал постановление об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года. В соответствии с этим документом, доля альтернативной энергетики, или возобновляемых и точников энергии, в нашей тране, как предполагается, составит к 2015 году 2,5%, а к 2020му - 4,5%. Подписание документа означает, что любой инвестор, вложившийся в строительство таких энергомощностей, будет получать фиксированный возврат ред тв от го удар тва на каждый киловатт-час, возврат составит 2,5 копейки на 1 кВт-ч. Они будут обирать я о в ех потребителей на территории страны. По замыслу, эта компенсация должна сделать альтернативную энергетику прибыльной [1].
Если обратиться к [2, 3] ВИЭ - это солнечное излучение, энергия ветра, рек, морей и океанов, внутреннего тепла Земли, воды, воздуха; энергия е те твенного движения водных потоков и уще твующих в природе градиентов температур; энергия от и пользования в ех видов биома ы, получаемой в каче тве отходов ра тениевод тва и животновод тва, и ку твенных ле она аждений и водоро лей; энергия от утилизации отходов промышленного производ тва, твердых бытовых отходов и осадков сточных вод; энергия от прямого жигания ра тительной биома ы, термиче кой переработки отходов ле ной и деревообрабатывающей промышленности. Другими словами ВИЭ - это и точники непрерывно возобновляемых в био фере Земли видов энергии. Возобновляемая энергия не являет я лед твием целенаправленной деятельно ти человека, и это является её отличительным признаком.
Невозобновляемые (традиционные) источники энергии - это природные запа ы веще тв и материалов Земли, которые и пользуют я человеком для производ тва энергии. Примером таких и точников энергии являет я ядерное топливо и углеводороды (уголь, нефть, газ). Энергия невозобновляемых и точников в отличие от возобновляемых находит яв природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.
Традиционное производство и использование энергии вязаны загрязнением окружающей реды. Так, например, при жигании и копаемых видов топлива, образуют я ток ичные газы и веще тва,
отрицательно во&действующие на окружающую среду. По подсчетам института энергетической стратегии, на Россию приходится 12% мировых запасов нефти, 35% запасов газа, 16% угля и 14% урана. И это при том, что население нашей страны составляет всего 2,4% от численности всего человечества. В свя&и с этим и сложилось понятие, что в стране богатой углём, газом и нефтью, не может быть стимулов для прои&водства альтернативной энергии. Это была основа государственной энергетической стратегии России. Но в последние годы во&растает интерес к более интенсивному исполь&ованию во&обновляемых источников энергии, в большей степени на данный курс ока&ывает сильное влияние тот факт, что свыше 75% территории страны не имеет централи&ованного энергоснабжения и доставлять в эти районы это же углеводородное топливо становится с каждым годом все дороже.
Потребление углеводородов по всему миру ежегодно возрастает в среднем на 4%. При сегодняшнем темпе потребления, по ра&личным источникам: нефти хватит на 20^30 лет, газа на 70^80 лет, больше всего осталось угля на 170^180 лет.
Рациональное использование энергии, сокращение потребления энергоносителей, а также применение технологий, не наносящих ущерба окружающей среде, представляют собой важные инструменты в сфере охраны окружающей среды. Существенная роль в снижении уровня экологического &агря&нения от исполь&ования традиционных видов топлива принадлежит расширению применения
во&обновляемых источников энергии. В нашей стране уже проведен анализ эффективности использования ВиЭ в ряде регионов, а также подготовлены проекты планов действий. Так, в Нижегородской области предполагается наладить исполь&ование биомассы -отходов лесопереработки, в Астраханской - солнечной и ветровой энергии, а в Краснодарском крае еще и геотермальной энергии, а также отходов сельского хо&яйства.
К настоящему времени потенциал возобновляемых источников энергии исполь&уется в не&начительных объёмах, особенно в отечественной строительной индустрии. Начавшийся осенью 2008 года мировой финансовый кризис заставил пересмотреть взгляды на вопросы энергообеспечения.
В свое время энергетический кри&ис 1970-х годов дал толчок ра&витию исследований в области исполь&ования во&обновляемых источников энергии в малоэтажном строительстве. В нашей стране так же начинались активные ра&работки домов с исполь&ованием во&обновляемых источников энергии, но в начале 90-х годов прошлого столетия эти исследования были приостановлены.
В нашей стране строительство &агородного и сельского жилья, в подавляющем большинстве случаев, велось по типовым проектам, где обеспечивался минимальный уровень комфорта и фи&иологических норм. В последние годы начался новый этап проектирования и строительства такого рода жилья, но нехватка опыта в этом виде проектирования и строительства приводит, на начальном этапе, ко многим проблемам.
Тема загородного и сельского жилья, исполь&ующего во&обновляемые источники энергии, 30
актуальна не только с точки зрения экологичности, но и с точки &рения ра&вития нового направления архитектуры жилого малоэтажного дома.
Помимо многочисленных частных домов, проектируемых с исполь&ованием во&обновляемых источников энергии, в Европе активно действуют программы по проектированию «экологических поселений», поддерживающиеся государством и региональными властями.
Наиболее быстрыми темпами в последние годы развиваются технологии практического использования фотоэлектрических преобразователей энергии, средний ежегодный прирост которых составляет порядка 60%. Высокими темпами внедряются и другие технологии исполь&ования ВиЭ: ветроустановки - 28%,
прои&водство биотоплив - 25%, солнечные
нагревательные установки - 17%, геотермальное
теплоснабжение - 13%, малые и микро-ГЭС - 8%, в то время как традиционные отрасли энергетики
развиваются темпом 2^4% в год, в том числе «большая» гидроэнергетика 2%, атомная энергетика 1,6% [4].
Более подробно остановимся на самом изученном и весьма перспективном на сегодняшний день направлении - солнечной энергетике, так как она находится в наиболее ра&витом состоянии и отвечает требованиям бе&опасности, экологичности,
доступности и и&ученности последствий ее применения.
Наибольшее ра&витие солнечная энергетика
получила в Японии 48%, Германии 23% и США 16%. В этих странах приняты &аконы и постановления по ра&витию ВиЭ, а так же предоставляются ра&личного рода льготы тем, кто исполь&ует ВиЭ. Сегодня уже более двух десятков стран исполь&уют или начали использовать солнечную энергию.
На рынке энергетических систем на основе солнечных модулей предлагается огромное количество систем, ра&личающихся по своей мощности и, следовательно, функциональному назначению. Так как солнечный модуль прои&водит электроэнергию в дневное время, а исполь&уется она и в вечерний период, то энергетическая система должна содержать как минимум три основных элемента: солнечный модуль, батарею для накопления электроэнергии, автомати&ированное устройство управления энергетической системой, в составе которой может быть и инвертор, так как солнечный модуль вырабатывает только постоянное напряжение. В &ависимости от мощности цена на энергетические установки может достигать десятков тысяч долларов.
В Европе и США распространены энергетические системы для дома мощностью 1^2,5 кВт, которые подсоединены к центральной энергетической системе и не содержат накопителей электроэнергии. В 2000 году Германия приняла меры к стимулированию прои&водства и исполь&ования фотоэлектричества. Основываясь на положительном опыте ветроэнергетики, 25 февраля была принята
не&ависимая от государственного бюджета система специальных закупочных тарифов (Гееё-т4апГГ) для прои&водителей фотоэлектричества, согласно которой государство приобретает электроэнергию,
вырабатываемую фотоэлектрическими
преобра&ователями в дневное время, по цене 99
германских пфеннигов (< 0,65 евро) за 1 кВт-ч у собственников фотоэлектрических солнечных модулей, подключенных через инверторы со счетчиками в государственную электрическую сеть, а вечером и ночью уже энергосистема отдает своим потребителям (населению) необходимое им количество электроэнергии по цене 20 германских пфеннигов (<
0,13 евро) за 1 кВт-ч.
Этот закон в сочетании с существующей в Германии программой «100 000 солнечных крыш» привел к тому, что только за два последние дня апреля 2000 года поступили заявки на фотоэлектрические солнечные модули общей мощностью порядка 20 МВт, что составило пятую часть общего годового производства солнечных модулей в Европе и в два раза больше, чем предс казывалось ранее для Германии на ве с ь 2000 год.
Рис. 1. Крыши жилых домов, построенных при поддержке программы «100 000 солнечных крыш» в г. Фрайбург (Германия).
При этом для покупателей фотоэлектрических солнечных модулей мощностью до 5 кВт был доступен практически беспроцентный кредит на 10 лет. Таким образом, правительство Германии стимулировало своих граждан приобретать фотоэлектрические солнечные модули.
Крупнейшим рынком сбыта фотоэлектрических преобразователей в настоящее время является Испания. В 2008 году благодаря активной правительственной программе, суммарная мощность солнечных электростанций в этой стране возрастала на 2 000 кВт ежедневно. По состоянию на февраль 2009 года треть электроэнергии, получаемой в Испании, приходилось на фотоэлектричество.
Рис. 2. Солнечные модули с успехом вписываются в архитектуру уже существующих зданий и сооружений г. Фрайбург (Германия).
Стоимость системы мощностью 1 кВт примерно 7 000 долларов, а 1,5 кВт - 10 000 долларов. Для автономного энергоснабжения сельских поселений и объектов сельского здравоохранения разработаны системы Р8 900, Р8 2400, вырабатывающие переменное напряжение 220 В. Мощность систем составляет 900 Вт и 2 400 Вт соответственно. Стоимость такого рода систем 20 000^33 500 долларов.
Высокая цена установок определяется высокой стоимостью солнечных модулей. При производстве монокристаллических кремниевых солнечных модулей затрачивается такое количество энергии и труда, которое не окупится в течение всего времени их эксплуатации. В то же время фотоэлектрические преобразователи на основе поликристаллической кремниевой ленты являются достаточно коммерчески привлекательными, несмотря на более низкие значения к.п.д., так как в течение их эксплуатации они вырабатывают электроэнергии значительно больше, чем было затрачено на их производство. По мнению большинства ученых, наиболее перспективными для наземного использования являются тонкопленочные фотоэлектрические преобразователи, низкая стоимость которых при массовом производстве и при достаточной эффективности определяется
уменьшением их толщины в 100 раз. Наибольшую эффективность демонстрируют солнечные элементы на основе пленок полупроводниковых
поликристаллических соединений Си(1п,Оа)8е2, СёТе толщиной порядка нескольких мкм и пленок гидрогенизированного аморфного кремния.
Сейчас стоимость фотоэлектрических
преобразователей солнечной энергии составляет 1,5^3,5 доллара за 1 Вт. Эта стоимость будет уменьшаться с развитием технического прогресса и увеличением их эффективности, например, с 1976 года по 1996 год стоимость фотоэлектричес ких
преобразователей снизилась на 80%.
Снижение стоимости тонкопленочных
фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии до 1 доллара за 1 Вт, которое прогнозируется к 2010 году, сделает фотоэлектричество конкурентноспособным с электроэнергией, производимой на тепловых электростанциях. Конкуренцию по стоимости, получаемой электрической энергии, данному виду ВИЭ может составить только атомная энергетика. Но, беря во внимание другие
неблагоприятные факторы атомной энергетики, конкуренции ВИЭ в настоящее время пока нет.
Литература
1. Гришковец, Е. За альтернативную энергетику заплатят потребители. / Е. Гришковец, В. Дзагуто // Газета «Коммерсантъ», №8 (4063) от 20.01.2009. Полоса №11.
2. ГОСТ Р 51387-99. Энергос бережение.
Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения. - Введ. 2000-07-01. - М.: Стандартинформ, 2000. - 19 с.
3. Закон Российской Федерации «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 3 апреля 1996 г.
4. Попель, О. С. Исследование и разработка систем
энерго набжения и пользованием возобновляемых источников энергии: автореф.т дис.: д-р техн. наук: 05.14.01: защищена 30.05.2007 / Попель Олег
Сергеевич. - Москва, 2007. - 59 с.
