Оценка эффективности внедрения ветроэнергетических установок на дизельных электростанциях в Арктической зоне РФ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

УДК 62 1.548 (470.21) В. А. Минин, А. А. Рожкова

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ДИЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ РФ

Аннотация

Рассмотрен вопрос о возможном участии ветроэнергетических установок (ВЭУ) в электроснабжении небольших рассредоточенных потребителей Мурманской области, расположенных в районах с повышенным потенциалом энергии ветра. Выполнена технико-экономическая оценка перспектив возможного участия ВЭУ в покрытии графика электрической нагрузки местных дизельных электростанций.

Ключевые слова:

Мурманская область, автономные потребители энергии, дизельные электростанции, ветроэнергетические установки, технико-экономическая оценка.

V. A. Minin, A. A. Rozhkova

THE ASSESSMENT OF EFFICIENCY OF WIND TURBINES ADOPTION INTO DIESEL POWER PLANTS IN THE ARCTIC ZONE OF THE RUSSIAN FEDERATION

Abstract

The article deals with the problem of wind turbines possible engagement in electric power supply of widely distributed small Murmansk Region customers, which are located in the high wind energy capacity districts. Techno economic assessment of the prospects of wind turbines possible engagement in the local diesel power plants annual schedule commitment, has been made.

Keywords:

Murmansk Region, independent electric power consumers, diesel power plants, wind turbines, techno economic assessment.

В прибрежных районах Арктической зоны РФ имеется много относительно небольших населенных пунктов, таких как метеостанции, маяки, пограничные заставы, места базирования рыбаков и оленеводов, объекты специального назначения. Необходимость в их функционировании сохраняется на далекую перспективу. Удаленность и разобщенность перечисленных малых потребителей вносят затруднения во все сферы их хозяйственной деятельности. В значительной мере это сказывается и на организации энергоснабжения.

Способы доставки топлива потребителям Севера весьма разнообразны. Анализ обширной информации, собранной по Мурманской области, позволил установить, что стоимость топлива при его дальней перевозке автотранспортом возрастает в 1.2-1.3 раза. При использовании водного морского транспорта — в 1.3-1.5 раза, бездорожного — в 1.5-2.0 раза и при использовании авиации — в 2.0-3.0 раза по сравнению с отпускной ценой на опорных пунктах топливоснабжения. При сложившихся в 2017 г. ценах на дизельное топливо в размере 40 руб. за литр стоимость его после доставки потребителю с учетом транспортных расходов может достигать 55-60 руб/л и более.

Высокая стоимость топлива оказывает негативное влияние на технико-экономические показатели работы местных дизельных электростанций (ДЭС). Себестоимость вырабатываемой энергии достигает 20-25 руб/кВт-ч, что в 5-10 раз выше, чем при централизованном электроснабжении. Поэтому в удаленных населенных пунктах очень остро стоит вопрос об экономном использовании привозного дизельного топлива. Одним

из возможных направлений его экономии может быть использование местных возобновляемых источников энергии, в том числе энергии ветра.

Потенциал ветра и предпосылки его использования. Западная часть Арктической зоны РФ располагает повышенным потенциалом ветровой энергии [1-3]. В качестве примера можно обратиться к Мурманской области, где наибольшая интенсивность ветра наблюдается в прибрежных районах. На побережье Баренцева моря среднегодовые скорости на высоте 10 м составляют 6-8 м/с, на побережье Белого моря — 5-6 м/с. В рассматриваемых районах имеет место существенная сезонная неравномерность интенсивности ветра (рис. 1), максимум скоростей ветра и, соответственно, максимум возможной выработки ветроэнергетических установок (ВЭУ) приходится на холодное время года. Он совпадает с сезонным максимумом потребности в энергии со стороны потребителей, и это является основной предпосылкой для участия ВЭУ в покрытии графика электрической нагрузки.

Рис. 1. Годовой ход среднемесячных скоростей ветра на островах (1) и побережье (2) Баренцева моря, побережье Белого моря (3) и на плато

в Хибинских горах (4): 1 — метеостанция о. Харлов; 2 — Дальние Зеленцы; 3 — Чаваньга; 4 — Центральная

Показатели работы действующих ДЭС. В табл. 1 представлены некоторые типовые удаленные потребители, расположенные в прибрежной зоне Кольского полуострова, а на рис. 2. показано их местоположение в соответствии с порядковым номером. Из табл. 1 следует, что дизельные электростанции укомплектованы тремя-четырьмя дизель-генераторами. Такой состав генерирующего оборудования позволяет маневрировать мощностями, вовремя проводить их техническое обслуживание и плановый ремонт, иметь необходимый аварийный резерв. В представленных населенных пунктах число часов использования установленной мощности ДЭС находится на достаточно высоком уровне и составляет 2000-2500 ч.

и , м/с

м

VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI VII

Месяц

Таблица 1

Показатели работы дизельных электростанций и режима ветра в прибрежных районах Кольского полуострова

№ п/п Населенный пункт Назначение Мощность ДЭС, кВт Годовая выработка, тыс. кВт-ч Число часов использования уст. мощности в году Средняя годовая скорость ветра на высоте 10 м, м/с

1 Вайда СФ 60+60+ 464 2580 6.9

+30+30=180

2 Цып-Наволок ПС 20+16+16=52 126 2420 7.1

3 Сеть- СФ 30+30+ 248 2070 7.0

Наволок +30+30=120

4 Кильдин ПС 60+60+ 360 2120 7.5

Восточный +30+20=170

5 о. Б. Олений СФ 30+30+ 248 2070 8.4

30+30=120

6 о. Харлов СФ 30+30+30=90 Н/д н/д 8.4

7 Восточная ПС 16+16+12=44 110 2490 7.3

Лица

8 Корабельный ПС 30+16+10=56 134 2390 6.2

9 Чапома РК 120+120+ 440 1220 5.5

+120=360

10 Чаваньга РК 60+60+ 297 1980 5.5

+30=150

СФ — объект Северного флота; ПС — пограничная служба; РК — рыболовецкий колхоз.

Рис. 2. Расположение удаленных прибрежных населенных пунктов Мурманской области (названия пунктов в табл. 1)

8

Выбор мощности ветроэнергетической установки для совместной работы с ДЭС. При выборе мощности следует учитывать, что ВЭУ не может работать в переменной части графика электрической нагрузки. Это означает, что установленная мощность ВЭУ должна быть не больше базовой нагрузки ДЭС. Как показал анализ работы ДЭС, перечисленных в табл. 1, годовой минимум нагрузки ДЭС составляет 20-30 % от годового максимума. Примерно такие же показатели приводятся и в работе [4] в разделе, где анализируются показатели работы сельских ДЭС. Следовательно, если предположить, что установленная мощность ДЭС составляет 180 кВт, как в н. п. Вайда (табл. 1), то можно ожидать, что годовой максимум нагрузки составит 150 кВт, а минимальная нагрузка около 30 кВт. Именно такой величины должна быть установленная мощность ВЭУ, чтобы не выходить за пределы базовой части графика нагрузки.

Оценка экономической эффективности совместной работы ВЭУ с действующей ДЭС. Такая оценка может быть выполнена посредством расчета срока окупаемости капитальных вложений в строительство ВЭУ. Рассмотрение данного вопроса можно продолжить применительно к той же ДЭС в н. п. Вайда. Сооружение ВЭУ является довольно затратным мероприятием. Согласно [5, 6] европейские цены на ветроустановки рассматриваемого мощностного класса составляют 1300-1400 евро/кВт. С учетом таможенных сборов, транспортных издержек по доставке, затрат на сооружение фундамента, производство монтажно-пусковых работ стоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ может быть принята на уровне 2000 евро/кВт. В этом случае, например, капиталовложения в немецкую ВЭУ SUDWIND N 1230 мощностью 30 кВт составят 60 тыс. евро, что при курсе 63 руб/евро (март 2017 г.) соответствует 3.78 млн руб.

Эффект от работы ВЭУ выражается в вытеснении электроэнергии, вырабатываемой ДЭС, и, соответственно, в экономии затрат на топливо. Удельный расход условного топлива на рассматриваемой ДЭС составляет около 400 г условного топлива на кВт-ч (КПД ДЭС 30 %). С учетом потерь топлива при транспортировке и хранении удельный расход условного топлива возрастет примерно на 5 %, до 420 г у. т/(кВт-ч), или при переходе на натуральное топливо — 294 г н. т/(кВт-ч).

Если ВЭУ SUDWIND N 1230 мощностью 30 кВт будет работать с числом часов использования установленной мощности в году 1000 ч, то выработка ВЭУ составит 30 тыс. кВт-ч. В свою очередь, дизельная электростанция при установленной мощности 180 кВт и числе часов ее использования в году 2500 ч выработала бы 450 тыс. кВт-ч. Доля выработки ВЭУ в общей выработке комплекса «ДЭС + ВЭС» в этом случае будет около 6.7 %, а годовой объем топлива, вытесненного ВЭУ, равен (30-103 кВт-ч) • (294-10-6 т н. т/кВт-ч) = 8.82 т н. т.

В настоящее время на опорных пунктах топливоснабжения дизельное топливо стоит около 40 руб/л. При удельном весе дизтоплива 0.84 кг/л это соответствует 47.6 тыс. руб/т н. т. С учетом транспортных издержек и расходов на погрузочно-разгрузочные работы (зачастую в условиях отсутствия причальных сооружений с использованием маломерного флота) стоимость топлива может возрасти примерно на 40 %, т. е. до 67 тыс. руб/т н. т. В этом случае экономия затрат за счет годового объема топлива, вытесненного ВЭУ, составит 8.82 • 67 = 591 тыс. руб.

Экономия затрат на топливо от внедрения ВЭУ зависит от объема вытесняемой из графика нагрузки электроэнергии ДЭС. Поскольку в данном случае речь идет только о базовой части графика нагрузки, то максимальный объем этого вытеснения определится величиной 30 кВт • 8760 ч = 262.8 тыс. кВт-ч в год. На деле возможный объем вытеснения энергии ДЭС из графика нагрузки значительно меньше, так как ВЭУ не может беспрерывно работать на полную мощность круглый год — все 8760 ч. Практика и проведенные расчеты показывают, что в зависимости от потенциала ветра ВЭУ может работать с числом часов использования установленной мощности от 1000 до 4000. Указанный диапазон соответствует среднегодовой скорости ветра на высоте 10 м от 3.2 до 7.2 м/с (рис. 3, табл. 2). С учетом вертикального профиля ветра на высоте оси ветроколеса рассматриваемой ВЭУ, составляющей 18 м, этот диапазон среднегодовых скоростей будет несколько выше — от 3.7 до 7.7 м/с.

Эффект от работы ВЭУ будет складываться из экономии затрат на топливо за вычетом расходов на обслуживание ВЭУ. Согласно данным, приведенным в европейском каталоге ветровых турбин [6], затраты на обслуживание ВЭУ мощностью 30 кВт составляют около 600 евро/год, или 38 тыс. руб/год. Тогда годовой эффект от работы ВЭУ совместно с ДЭС составит 591 - 38 = 553 тыс. руб. При стоимости ВЭУ 2000 евро/кВт и курсе 63 руб/евро капитальные вложения в ВЭУ составят 3780 тыс. руб. Из этого расклада следует, что капиталовложения окупятся за 3780 / 553 = 6.84 года.

,ВЭУ h , ч уст '

4000 -

2000 -

U18, м/с

U10, м/с

0

2

8

4

6

2

4

6

8

Рис. 3. Зависимость числа часов использования в году установленной мощности ВЭУ SUDWIND N1230 от среднегодовой скорости ветра на высоте расположения оси ветроколеса (18 м)

В таблице 2 для различных ветровых зон, соответствующих числу часов использования установленной мощности ВЭУ от 1000 до 4000 ч в год, приведены результаты расчетов технико-экономических показателей совместной работы ДЭС и ВЭУ. Из табл. 2 следует, что при среднегодовых скоростях ветра 4.4-7.2 м/с на высоте 10 м число часов использования установленной мощности ВЭУ SUDWIND N 1230 с расположением оси

ветроколеса на высоте 18 м может составлять 2000-4000. Доля ВЭУ в выработке энергии комплексом ДЭС + ВЭУ может достигать на побережье Белого моря 13-20 %, а на побережье и островах Баренцева моря — 20-26 % и более. Срок окупаемости капиталовложений в ВЭУ (табл. 2, рис. 4) составляет всего 1.6-3.3 года, что представляется крайне благоприятным.

Таблица 2

Технико-экономические показатели совместной работы ДЭС и ВЭУ

Число часов использования

Показатель установленной мощности ВЭУ в году

1000 2000 3000 4000

Среднегодовая скорость ветра, м/с

на высоте 10 м 3.2 4.4 5.7 7.2

на высоте 18 м 3.7 4.9 6.2 7.7

Объем энергии, выработанной комплексом ДЭС + ВЭУ, тыс. кВт-ч 450 450 450 450

Энергия, выработанная ВЭУ, тыс. кВт-ч 30 60 90 120

Доля ВЭУ в выработке энергии комплексом ДЭС + ВЭУ, % 6.7 13.3 20.0 26.7

Объем топлива, вытесненного ВЭУ, т н. т/год 8.82 17.64 26.46 35.28

Экономия затрат на топливо, тыс. руб/год 591 1182 1773 2364

Расходы на обслуживание ВЭУ, тыс. руб/год 38 38 38 38

Эффект от работы ВЭУ, тыс. руб/год 553 1144 1735 2326

Капиталовложения в ВЭУ, тыс. руб. 3780 3780 3780 3780

Срок окупаемости ВЭУ, лет 6.84 3.30 2.18 1.63

4 - -

3 - -

2 - -

Срок окупаемости ВЭУ

Доля ВЭУ в выработке

-1-40

30

Э В

о оД

--20

10

1000

2000

3000

4000

5000

к

ВЭУ уст

Рис. 4. Показатели работы комплекса ДЭС + ВЭУ в ветровых условиях побережья Кольского полуострова

1

ч

Выводы

1. В небольших населенных пунктах Арктической зоны РФ, обеспечиваемых энергией от дизельных электростанций, стоимость топлива из-за больших транспортных расходов достигает 60-70 руб/т, а себестоимость вырабатываемой электроэнергии — 20-25 руб/(кВт-ч) и выше.

2. В районах с повышенным потенциалом ветра одним из направлений экономии дорогого топлива на ДЭС и снижения себестоимости электроэнергии может быть применение ВЭУ.

3. При выборе мощности ВЭУ для совместной работы с ДЭС следует учитывать, что ВЭУ не может работать в переменной части графика нагрузки, и ее мощность не должна превышать базовую нагрузку ДЭС, составляющую, как правило, около 20 % от максимальной.

4. Расчеты показателей совместной работы ДЭС установленной мощностью 180 кВт совместно с ВЭУ мощностью 30 кВт в ветровых условиях побережья Кольского полуострова (среднегодовые скорости ветра на высоте 10 м 4.5-8.4 м/с) показали, что ВЭУ в состоянии вытеснить от 13 до 26 % выработки электроэнергии ДЭС, при этом срок окупаемости капиталовложений в ВЭУ не превышает 3.3 года. Полученные показатели свидетельствуют о высокой эффективности применения ВЭУ для совместной работы с ДЭС в Арктической зоне РФ в районах с повышенным потенциалом энергии ветра.

Литература

1. Зубарев В. В., Минин В. А. Степанов И. Р. Использование энергии ветра в районах Севера. Л.: Наука, 1989. 208 с.

2. Минин В. А., Дмитриев Г. С., Минин И. В. Перспективы освоения ресурсов ветровой энергии Кольского полуострова // Изв. РАН. Энергетика. 2001. № 1. С. 45-53.

3. Энергия ветра — перспективный энергоресурс Мурманской области: препринт / В. А. Минин, Г. С. Дмитриев, Е. А. Иванова и др. Апатиты: КНЦ РАН, 2006. 73 с.

4. Электротехнический справочник / под общ. ред. П. Г. Грудинского, Г. Н. Петрова, М. М. Соколова и др. 5-е изд. М.: Энергия, 1975. Т. 2. 752 с.

5. Безруких П. П. О стоимостных показателях энергетических установок на базе возобновляемых источников энергии // Энергетическая политика. 2009. № 5. С. 5-11.

6. Windenergie 2002. Osnabrueck - Deutschland, Bundesverband WindEnergie Service, GmbH, 2002. 264 s.

Сведения об авторах

Минин Валерий Андреевич,

заведующий лабораторией энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: minin@ien.kolasc.net.ru

Рожкова Анастасия Александровна,

младший научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: nastasya_rozhkova@bk.ru