CC BY
155
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
УДК 621.548 (470.21) В. А. Минин
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ
Аннотация
Рассмотрен потенциал возобновляемых источников энергии Мурманской области, расставлены приоритеты их возможного практического использования. Предпочтение отдано энергии ветра и гидроэнергии малых рек. Рассмотрены площадки для сооружения первоочередных ветропарков, ориентированных на работу в составе Кольской энергосистемы, и малых ГЭС, предназначенных для участия в энергоснабжении удаленных потребителей. Представлен обзор имеющегося практического опыта использования возобновляемых источников в энергетике региона. Ключевые слова:
Мурманская область, возобновляемые источники энергии, предпосылки, приоритеты и опыт использования.
V.A.Minin
PROSPECTS FOR THE USE OF RENEWABLE ENERGY SOURCES IN THE MURMANSK REGION
Abstract
The article considers the potential of renewable energy sources in the Murmansk region, set priorities for their possible practical use. Evaluated sites for priority construction of wind farms, focused on the composition of the Kola power system, small hydroelectric power stations, intended for participation in energy supply to remote consumers. Presents an overview of current practical experience in the use of renewable energy sources in the region.
Keywords:
Murmansk region, renewable energy sources, background, priorities and experience of using.
В последние годы во всем мире ведутся исследования, направленные на поиск и вовлечение в топливно-энергетический баланс новых источников энергии. Особый интерес проявляется к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), таким как энергия солнца, ветра, гидроэнергия малых рек, приливная энергия и др. Потенциальные возможности применения этих источников огромны.
В России также не сбрасываются со счетов возможности использования ВИЭ. Вовлечение их в хозяйственный оборот - это путь к сокращению объемов использования органического топлива, энергосбережению и улучшению экологической обстановки вблизи потребителей энергии.
Использование возобновляемых источников энергии наиболее перспективно в районах, располагающих повышенным потенциалом этих источников и испытывающих недостаток в обычных традиционных топливных ресурсах. На Европейском Севере России к числу таковых относится Мурманская область, энергетика которой наряду с использованием местных гидроресурсов в значительной мере базируется на привозном топливе (ядерном горючем, угле, нефтепродуктах, сжиженном газе). В то же время область располагает широким набором возобновляемых источников.
Потенциал ВИЭ региона. Солнечная энергия. Согласно результатам наблюдений на актинометрических станциях Мурманской области годовой приход суммарной солнечной радиации при реальных условиях облачности составляет около 650-850 кВт-ч/м2 (рис. 1). Область почти полностью расположена за Полярным кругом, поэтому месячное число часов солнечного сияния изменяется в течение года в широких пределах -- от 0 ч в декабре до 200-300 ч июне и июле. Годовая продолжительность солнечного сияния составляет около 1200 ч на севере области и 1600 ч в ее южных районах. В итоге Кольский полуостров уступает по суммарной солнечной радиации районам средней полосы и юга страны в 1.3-1.7 раза, что снижает масштабы возможного использования солнечной энергии.
650 1
Баренцево море 2
750
800
Белое море
Рис. 1. Поступление солнечной энергии на территорию Мурманской области (кВт-ч/м2): 1 - метеостанция Цып-Наволок; 2 - Дальние Зеленцы; 3 - Мурманск; 4 - Янискоски; 5 - Хибины; 6 - Краснощелье; 7 - Умба; 8 - Чаваньга
Энергия ветра. Результаты обработки 20-летних рядов наблюдений за скоростью ветра по 37 метеорологическим станциям Кольского полуострова [1] показали, что наибольшие скорости ветра наблюдаются в прибрежных районах Баренцева моря. Здесь они составляют 7-8 м/с (на высоте 10 м),
на побережье Белого моря скорости несколько ниже — 5-6 м/с. По мере удаления от береговой линии интенсивность ветра заметно снижается (рис. 2).
Исследованиями установлено, что на Кольском полуострове имеет место зимний максимум скоростей ветра. Это является благоприятной предпосылкой для эффективного использования энергии ветра. Максимум скоростей ветра приходится на холодное время года и совпадает с сезонным пиком потребления тепловой и электрической энергии. Весьма существенно, что зимний максимум находится в противофазе с годовым стоком рек. Ветровая и гидроэнергия удачно дополняют друг друга, и это создает благоприятные условия для их совместного использования.
Гидроэнергия малых рек. Технические гидроэнергоресурсы 35 малых рек Мурманской области, впадающих в Баренцево и Белое моря, составляют около 4.4 млрд. кВтч/год (табл. 1).
Энергия морских приливов. На побережье Кольского полуострова имеет место сравнительно небольшая величина прилива (2-4 м), поэтому и сооружение экономически эффективных приливных электростанций (ПЭС) возможно далеко не повсеместно. Действующая более 40 лет опытная Кислогубская ПЭС (северо-западнее Мурманска) изначально (с 1968 г.) имела мощность 400 кВт, а после реконструкции в 2007 г. и установки нового ортогонального вертикально-осевого гидроагрегата мощность была поднята до 1500 кВт.
В качестве промежуточного этапа на пути к сооружению более крупных ПЭС в Мурманской области предлагается строительство опытно-промышленной Северной ПЭС мощностью 12 МВт в губе Долгой (в 6 км западнее пос.
7
4
Рис. 2. Средние многолетние скорости ветра (м/с) на высоте 10 м от поверхности земли
Териберки). Эта ПЭС рассматривается специалистами также как прототип сооружения Мезенской ПЭС в Белом море и Тугурской ПЭС в Охотском море мощностью несколько тысяч мегаватт каждая.
Таблица 1
Гидроэнергетические ресурсы малых рек Мурманской области
№ п/п Бассейн реки Площадь водосбора, км2 Ресурсы, млн кВтч
потенциальные технические
1 2 3 4 5
1 Печенга 1830 149 97
2 Титовка 1226 187 122
3 Зап. Лица 1688 228 149
4 Ура 1030 142 93
5 Кола 3836 302 196
6 Средняя 567 91 59
7 Оленка 491 88 57
8 Рында 1018 219 143
9 Харловка 2016 394 257
10 Вост. Лица 1872 423 276
11 Сидоровка 335 59 38
12 Варзина 1456 288 91
13 Дроздовка 468 81 53
14 Лумбовка 1039 193 126
15 Каменка 483 69 45
16 Качковка 843 115 75
17 Снежница 236 47 31
18 Сосновка 582 96 63
19 Бабья 348 61 40
20 Лиходеевка 308 68 44
21 Пулонга 734 114 74
22 Усть-Пялка 253 43 28
23 Пялица 946 151 100
24 Чапома 1107 175 114
25 Стрельна 2773 333 217
26 Чаваньга 1212 158 142
27 Оленица 403 34 22
28 Умба 6248 740 481
29 Колвица Б. 1310 96 63
30 Лувеньга 202 24 16
31 Пиренга 4236 138 90
32 Тумча 4455 469 305
33 Печа 1658 133 86
34 Нота 3400 102 66
35 Лотта 4720 83 54
36 Проч.реки 1810 820 530
Всего 6913 4443
Энергия морских волн. Достоинством этого возобновляемого источника является доступность морских волн широкому кругу прибрежных потребителей, недостатком -- нестабильность во времени, зависимость от ледовой обстановки. На северном побережье Кольского полуострова, прилегающем к Атлантическому океану, среднегодовой потенциал волновой энергии составляет 25-30 кВт на 1 м гребня волны, на южном побережье полуострова (Белое море) - 9-10 кВт/м. Учитывая суровость природно-климатических условий Заполярья (низкие температуры, оледенение, короткий световой день и т. д.), использование волновой энергии здесь представляется проблематичным.
Приоритеты использования ВИЭ. Объемы практического использования возобновляемых источников зависят от ряда факторов: потенциала источника, наличия предпосылок, благоприятствующих его использованию, стоимости оборудования и т.д.
Годовое поступление солнечной энергии на территорию Мурманской области в силу ее географического положения невелико. Потенциал солнечной энергии здесь существенно ниже, чем в южных районах страны. Максимум поступления солнечной энергии приходится на летнее время, тогда как максимум потребности в энергии со стороны потребителей имеет место зимой. Все это снижает привлекательность использования солнечной энергии.
По потенциалу ветровой энергии Мурманская область выгодно отличается от других регионов страны. На побережье Баренцева моря ветровые условия просто уникальны, это одно из самых ветреных мест на всем Европейском Севере России. Здесь аномально высок уровень среднегодовых скоростей, сезонный максимум ветра совпадает с сезонным пиком энергопотребления. Перечисленные предпосылки обеспечивают эффективное применение ветроэнергетических установок для работы в составе энергосистемы, участия в электроснабжении автономных потребителей (совместная работа ДЭС и ВЭУ), участия в теплоснабжении потребителей (совместная работа котельных и ВЭУ).
Мурманская область располагает значительными запасами гидроэнергоресурсов малых рек. Однако большинство малых рек расположено за пределами экономического радиуса их присоединения к энергосистеме. Поэтому развитие малой гидроэнергетики ограничивается сооружением всего около десятка, так называемых, системных малых ГЭС в пределах зоны, охватываемой Кольской энергосистемой, а также небольшого числа малых ГЭС в зоне децентрализованного энергоснабжения вблизи существующих населенных пунктов.
Ресурсы приливной энергии региона рассредоточены вдоль всей 1000-километровой береговой линии Кольского полуострова. Использование приливов возможно далеко не повсеместно, а лишь там, где имеются подходящие акватории, позволяющие получить повышенное значение приливной волны (до 4-5 м). В этом плане заслуживает внимания проект сооружения Северной ПЭС мощностью 12 МВт в районе п. Териберка, а в дальнейшем и Лумбовской ПЭС на востоке Кольского полуострова мощностью до 600 МВт.
Использование волновой энергии в заполярных условиях представляет большие трудности из-за неблагоприятных природно-климатических условий (полярной ночи, низких температур воздуха, оледенения конструкций).
Представленная оценка ресурсов возобновляемых источников энергии региона позволяет заключить, что наиболее благоприятными предпосылками для широкого практического использования располагают ветровая энергия и гидроэнергия малых рек. Решение вопросов их практического освоения заслуживает самого пристального внимания. Применение солнечных установок может рассматриваться как «добавка» к ветровым установкам в летнее время.
Предпосылки применения ветропарков в составе Кольской энергосистемы. В Мурманской области имеется ряд предпосылок, благоприятствующих крупномасштабному вовлечению ветроэнергоресурсов в электроэнергетический баланс региона. Среди них, во-первых, высокий потенциал ветра, позволяющий ожидать от каждой ВЭУ выработку, гораздо более высокую, чем, например, в европейских странах, где ветроэнергетика получила широкое развитие. Во-вторых, зимний максимум интенсивности ветра, совпадающий с сезонным максимумом потребления энергии. В-третьих, наличие в Кольской энергосистеме 17 ГЭС суммарной мощностью около 1600 МВт (в т. ч. более 1000 МВт вблизи побережья Баренцева моря) с водохранилищами многолетнего, сезонного и суточного регулирования, позволяющими накапливать воду за счет работы ВЭУ в период активных ветров и срабатывать ее при ослаблении ветра. Именно наличие ГЭС создает на Кольском полуострове уникальные условия для крупномасштабного использования энергии ветра.
В работе [2] показано, что только в районе Серебрянских и Териберских гидроэлектростанций могут быть сооружены ветропарки суммарной мощностью около 500 МВт. Выдача мощности и энергии от этих ветропарков возможна по существующим линиям электропередачи напряжением 150 и 330 кВ. Во избежание перегрузки ЛЭП выдача энергии может осуществляться в компенсационном режиме, то есть со снижением мощности ГЭС при устойчивом сильном ветре. Благодаря этому в водохранилище может накапливаться дополнительный запас воды, линии электропередачи не перегружаются, а система "ветропарки + ГЭС" приобретает более базисные эксплуатационные характеристики. При этом равномерность загрузки ЛЭП возрастает, что ведет к увеличению их экономической эффективности.
У пяти из шести каскадов ГЭС Мурманской области верхнее водохранилище обладает емкостью, достаточной для ведения многолетнего регулирования.
Туломский каскад, состоящий из двух ГЭС, обладает вторым по полезной емкости водохранилищем. К числу других положительных качеств этого каскада относятся: высокий напор Верхне-Туломской ГЭС — 55 м, близость к промышленным узлам, наличие транспортной и строительной инфраструктуры.
Весьма благоприятными возможностями характеризуются также водохранилища Серебрянских и Териберских ГЭС. Рельеф этой части Кольского полуострова не сильно расчленен, что облегчает транспорт, строительство, монтаж и обслуживание парков ВЭУ. Водохранилище Верхне-Териберской ГЭС сезонного регулирования расположено в 13 км от моря, а водохранилище
годичного регулирования Серебрянской ГЭС-1 — в 50 км от моря. Верхние электростанции обоих каскадов являются регулирующими и самыми высоконапорными в энергосистеме (76 м и 113 м), это делает каждый сэкономленный в них кубометр воды весьма энергоэффективным. В створах Серебрянских ГЭС имеются возможности для расширения гидроэлектростанций, заложенные при проектировании и строительстве.
При выборе первоочередных площадок для размещения ветропарков необходимо учитывать, что площадка должна располагаться в зоне с высоким потенциалом ветра, обеспечивать наименьшие расходы на создание инфраструктуры, обустройство подъездных путей, мест базирования персонала и монтажной техники. Площадка должна находиться как можно ближе к высоковольтной подстанции, чтобы снизить расходы на подключение ветропарка к сети. Исходя из сказанного, можно отметить следующие площадки [3].
Ветропарк вблизи п. Лодейное. Предлагается площадка около поселка Лодейное на берегу Баренцева моря. Она находится в зоне высоких скоростей ветра, связана с Мурманском водным и автомобильным транспортом, располагает начальной инфраструктурой, имеет выход в электрическую сеть "Колэнерго". Среднегодовая скорость ветра здесь на высоте 10 м составляет около 7.0 м/с. Объемы работ по созданию инфраструктуры ветропарка представляются минимальными, так как через площадку проходит грунтовая дорога. На площадке можно разместить несколько ветроустановок суммарной мощностью около 10 МВт. Трансформаторная подстанция, пригодная для присоединения ветропарка к сети и выдачи мощности в энергосистему, расположена в 3 км от площадки (около села Териберка).
Ветропарк на берегу Териберского водохранилища. Площадка этого ветропарка расположена в 4 км от Верхне-Териберской ГЭС, имеет высотные отметки 140-150 м над уровнем моря, занимает площадь примерно 4 км2. Она расположена в непосредственной близости от вспомогательных напорных сооружений Верхне-Териберской ГЭС и на небольшом (до 4 км) расстоянии до возможного места присоединения ветропарка к сети. Ее общая площадь чуть меньше площадки вблизи п. Лодейное. Площадка на 18 км удалена от моря, и режим ветра здесь ожидается несколько ниже, чем на прибрежной площадке. Тем не менее, эта площадка заслуживает внимания как расположенная на открытой местности вблизи большого водоема, недалеко от благоустроенной автомобильной дороги и станционных сооружений Верхне-Териберской ГЭС.
Ветропарк мощностью 50 МВт в районе п. Туманный. Площадка ветропарка располагается вдоль дороги п. Туманный - Нижне-Серебрянская ГЭС. Здесь, на протяжении 6 км справа от дороги тянется гряда пологих холмов шириной до 2 км. Близкое расположение к подстанции Нижне-Серебрянской ГЭС делает удобной выдачу мощности парка в энергосистему короткой кабельной или воздушной линией. Близость к п. Туманный, в котором проживает эксплуатационный персонал каскада Серебрянских ГЭС, упрощает размещение рабочей силы и техники на период проведения строительно-монтажных работ.
Ветропарк мощностью 100 МВт в районе п. Лиинахамари. Площадка ветропарка расположена на крайнем северо-западе Мурманской области, между полуостровом Рыбачий и государственной границей с Норвегией. Ветропарк состоит из двух частей по 25 ветроустановок мощностью 2 МВт в каждой,
протянувшихся с севера на юг по обе стороны бухты Долгая Щель Баренцева моря. Трансформаторная подстанция, пригодная для присоединения ветропарка к энергосистеме, расположена в г. Заполярном — в 37 км от ветропарка.
Площадка обладает высоким потенциалом ветра. Среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м на близлежащей метеостанции Вайда-губа составляет около 7.0 м/с. Это позволяет рассчитывать на 3000 ч использования установленной мощности ВЭУ в году.
Ветропарк мощностью 200 МВт в районе 81 км автодороги Мурманск — Териберка. Площадка ветропарка располагается в 40 км от Баренцева моря на возвышенности с высотными отметками 240-300 м над уровнем моря [4]. Ориентировочное значение среднегодовой скорости ветра в этом районе составляет 6.3 м/с. Трансформаторная подстанция, пригодная для присоединения ветропарка к энергосистеме, расположена примерно в 30 км на Серебрянской ГЭС XV. На выбранной площадке предлагается разместить 100 ВЭУ мощностью 2 МВт каждая. Ветроустановки устанавливаются на площадке с учетом местной розы ветров, преимущественно на возвышенностях, на расстоянии около 10 диаметров ветроколеса друг от друга.
Перспективы участия ВЭУ в теплоснабжении децентрализованных потребителей. Существует ряд факторов, благоприятствующих использованию энергии ветра на нужды отопления удаленных потребителей, расположенных в прибрежных районах.
1. Отопительный сезон на Кольском полуострове длится 9 месяцев и более. Зимний максимум потребности в тепловой энергии со стороны потребителя совпадает с сезонным максимумом поступления ветровой энергии.
2. Ветер является вторым после наружной температуры воздуха параметром, определяющим объемы теплопотребления. Применение ВЭУ позволит превратить ветер из климатического фактора, определяющего повышенные теплопотери, в полноценный источник энергии, обеспечивающий именно в ветреные периоды активное поступление энергии на нужды отопления.
3. У большинства потребителей доля теплопотребления в общем объеме энергопотребления весьма высока и порой достигает 70-90 %. Применение ветроустановок в этих условиях будет способствовать экономии дорогостоящего топлива, доставляемого на Кольский полуостров за 1500-2000 км.
4. При использовании энергии ветра на нужды отопления не обязательны высокие требования к качеству энергии, вырабатываемой ВЭУ. Это позволяет максимально упростить конструкцию ВЭУ, сделав ее одновременно более дешевой и более надежной.
5. При использовании ВЭУ для теплоснабжения предоставляется возможность успешно бороться с основным недостатком ветровой энергии -непостоянством во времени. Кратковременные секундные и минутные изменения мощности ВЭУ сглаживаются за счет аккумулирующей способности системы теплоснабжения. Более продолжительные колебания (в течение десятков минут и нескольких часов) могут выравниваться за счет аккумулирующей способности отапливаемых зданий. Во время длительных затиший в работу могут включаться специальные аккумулирующие устройства или дублирующие источники тепла на органическом топливе.
На рисунке 3 приведена зависимость роста теплопотерь здания от скорости ветра [5]. Видно, что при очень высоких скоростях ветра (> 20 м/с)
теплопотери почти удваиваются. С использованием этой зависимости, а также многолетних данных о среднесуточных температурах наружного воздуха и скорости ветра были получены графики сезонного изменения теплопотребления в условиях побережья Баренцева моря (рис. 4). Как следует из рисунка, ветер существенно увеличивает теплопотребление. В зимние месяцы это увеличение достигает 30 %. Вместе с тем, обращает на себя внимание синхронность сезонного изменения среднего уровня ветра (среднемесячной скорости ветра и м) и потребности в тепловой энергии. Это является серьезной предпосылкой для использования ветра в качестве источника тепловой энергии.
к„
2.0
1.8 1.6
1.4
1.2
1.0
12
16
20
и, м / с
Рис. 3. Относительное увеличение теплопотерь здания от ветра
Wм/Wг
и м > м/с
0.20 -
10
0.16 0.12 ::::::::::::.3 0.08 0.04
0
8 6 4 2 0
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
месяцы
0
4
8
Рис. 4. Сезонное изменение скорости ветра (1) и теплопотребления зданий, обусловленного наружной температурой воздуха (2) и ветром (3), на северном побережье Кольского полуострова
Если наряду с котельной для отопления использовать ветроустановку соизмеримой мощности, то часть графика отопительной нагрузки будет покрываться от ВЭУ, а остальная — от котельной. В периоды с сильным ветром
ВЭУ может в значительной мере или полностью обеспечить потребности в тепле, а иногда даже создать избыток энергии. Зато в периоды холодной маловетреной погоды почти вся нагрузка ложится на котельную.
Все сказанное можно проследить по рис. 5, на котором представлен фрагмент хронологического хода возможного участия ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки. Расчеты выполнены для случая, когда мощность
котельной и ВЭУ равны (в1 = Квэу/Кк = 1). Кривая с черными точками представляет собой график потребности в тепловой энергии при температуре 1В = +200С и в отсутствие ветра. Если учесть влияние ветра, то реальный график теплопотребления будет выше, на рисунке он обозначен нижней ступенчатой линией 1. На деле редко предложение со стороны ВЭУ будет точно совпадать с потребностью со стороны потребителя. Чаще либо выработка ВЭУ, отмеченная на рис. 5 позицией 2, будет превышать потребности и создавать избытки энергии (область 3 на рисунке), либо ее будет не хватать для полного покрытия потребностей и придется часть графика нагрузки (область 4) покрывать за счет котельной.
Д, С
Сутки
Рис. 5. Фрагмент хронологического хода участия ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки на ветроэнергетическом полигоне КНЦ РАН
в п. Дальние Зеленцы 1 - график тепловой нагрузки, 2 - полезно используемая энергия ВЭУ, 3 - избыточная энергия ВЭУ, 4 - энергия, вырабатываемая котельной
Доля ат участия ВЭУ в теплоснабжении потребителя определится как отношение полезно использованной выработки ВЭУ, вписавшейся в график отопительной нагрузки, ко всему объему теплопотребления.
Для определения аТ был обработан обширный материал наблюдений по ряду метеостанций Мурманской области, включающий синхронные записи
скорости ветра и наружной температуры воздуха. Расчетная приведенная (с учетом ветра) температура самой холодной пятидневки в отдельных пунктах достигала минус 53-57 оС.
Обработка большого массива данных позволила выявить зависимость суточной выработки энергии ВЭУ от среднесуточной скорости ветра, а затем оценить возможное участие ВЭУ в теплоснабжении потребителя по отдельным месяцам и в целом за год. Все вычисления производились сериями с изменением
соотношения мощностей ВЭУ и котельной (рТ = К^у/К™*) в пределах от 0 до 1. В обобщенном виде результаты расчета ат представлены на рис. 6.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 вт
Рис. 6. Зависимость доли участия ВЭУ в покрытии графика тепловой нагрузки от соотношения мощностей вт = Квэу/Ы к (ир - расчетная скорость ветра,
обеспечивающая номинальную мощность ВЭУ, и - средняя многолетняя
скорость ветра)
Выполненные расчеты показали, что при мощности ВЭУ, значительно меньшей, чем мощность котельной, практически вся энергия ВЭУ вписывается в годовой график тепловой нагрузки и полезно используется. Исключение -теплые периоды в летние месяцы, когда необходимость в отоплении отпадает. При более мощной ВЭУ доля последней в покрытии годового графика возрастает, но увеличивается и вероятность наступления периодов, когда предложение со стороны ВЭУ будет превосходить потребности потребителя и "лишняя" энергия не будет использована и будет вхолостую сброшена. Судя по рис. 6, недоиспользование выработки начинает ощущаться, начиная
с вт = к = 0.6, когда рост ат замедляется, кривые теряют крутизну,
начинают загибаться, проявляется эффект насыщения. Это особенно характерно для районов с высоким потенциалом ветра (побережье Баренцева моря, и / и =
1.4-1.5) и с умеренным потенциалом (побережье Белого моря, и /и = 1.6-1.7).
Сказанное свидетельствует о том, что при организации работы комплекса "котельная + ВЭУ" требуется оптимизация мощности ВЭУ. Расчеты, выполненные с использованием критерия минимума приведенных затрат, показали, что, как правило, оптимальное соотношение Квэу/Мк находится
в диапазоне 0.7-0.8.
Перспективы совместной работы ВЭУ с дизельными электростанциями. Для определения возможной доли участия ВЭУ в покрытии графика электрической нагрузки при совместной работе с ДЭС был использован большой объем результатов непрерывных наблюдений, выполненных на ветроэнергетическом полигоне КНЦ РАН в пос. Дальние Зеленцы. По этим данным определялся график возможной выработки ВЭУ, который затем накладывался на соответствующий характерный зимний, осенне-весенний или летний график электрической нагрузки. Расчеты выполнялись сериями с изменением Рэ в пределах от 0 до 1.
Результаты расчета аэ в обобщенном виде представлены на рис.7. Как и в рассмотренном выше случае работы ВЭУ на нужды отопления, при работе комплекса "ДЭС + ВЭУ" требуется оптимизация мощности ВЭУ, например, по критерию минимума приведенных затрат с учетом местных условий (режима ветра, стоимости топлива, уровня заработной платы обслуживающего персонала ит. д.).
Рис. 7. Зависимость доли участия ВЭУ аэ в покрытии графика электрической нагрузки от соотношения мощностей рэ = N^^/N^30 и расчетной и среднегодовой скоростей ветра и / и
Перспективные створы для сооружения малых системных ГЭС в Мурманской области. АО "Ленгидропроект" при сотрудничестве с КНЦ РАН
был рассмотрен 21 гидроузел на 10 реках Мурманской области. В результате была определена экономическая эффективность 11 гидроузлов на 7 реках (табл. 2).
Таблица 2
Малые реки, перспективные для создания системных малых ГЭС
Река Количество малых ГЭС Установленная мощность, МВт Выработка энергии, млн кВт-ч
Пиренга 1 6.0 29.5
Тумча 3 37.0 170.8
Б. Оленка 2 9.8 49.1
Ура 2 4.6 24.0
Титовка 1 3.4 15.8
Лотта 1 2.6 12.4
Умба 1 3.0 15.3
Всего 11 66.4 316.9
Рис. 8. Створы перспективных малых ГЭС на Кольском полуострове Системные малые ГЭС: 1 - на р. Пиренга; 2, 3 - на р. Б. Оленка; 4, 5 - на р. Ура;
6 - на р. Западная Лица; 7 - на р. Титовка; 8-10 - на р. Тумча; 11 - на р. Умба.
Автономные малые ГЭС: 12 - на р. Ельрека; 13 - на р. Чаваньга
Малая ГЭС на р. Пиренга (рис. 8, поз. 1). Основные показатели Пиренгской ГЭС следующие: нормальный подпорный уровень (НПУ) - 138 м, расход воды — 75, 2 м3/с, расчетный напор - 9.9 м, установленная мощность -6 МВт, среднегодовая выработка энергии - 29.5 млн кВтч, количество гидроагрегатов -- 1.
Каскад малых ГЭС на р. Ура (рис. 8, поз. 4 и 5). Верхняя ГЭС-1 со среднемноголетним расходом 3.8 м3/с и напором 33 м будет иметь
установленную мощность 1.62 МВт и среднегодовую выработку 8.77 млн. кВтч. Нижняя ГЭС-2 при напоре 43.6 м будет иметь установленную мощность 3.02 МВт, среднегодовую выработку — 15.27 млн кВтч.
Каждая ГЭС оборудуется одним гидроагрегатом. Оперативное управление каскадом ГЭС может осуществляться диспетчером Туломской ГЭС по телемеханике без дежурного персонала.
Малая ГЭС на р. Титовка (рис. 8, поз. 7). Створ малой ГЭС на р. Титовка расположен в 19.75 км от устья реки. При среднемноголетнем расходе 13.4 м3/с и напоре 20 м установленная мощность ГЭС составит 3.38 МВт, а среднегодовая выработка 15.8 млн кВтч. На ГЭС устанавливается диаметром рабочего колеса 1.8 м. Электроэнергия может выдаваться в энергетическую систему на напряжении 35 кВ по воздушной линии длиной 28 км. ГЭС административно и оперативно может быть подчинена Туломскому каскаду. Управление станцией возможно с помощью телемеханики диспетчером каскада Туломских ГЭС.
Каскад малых ГЭС на р. Тумча (рис. 8, поз. 8, 9 и 10). Река Тумча находится в южной части Мурманской области, впадает в водохранилище Иовской ГЭС. На реке имеется три возможных створа для малых ГЭС — в 89, 74 и 18.4 км от устья реки.
Для ГЭС-1 при среднемноголетнем расходе 23.3 м3/с и напоре 37.2 м установленная мощность составит 12.2 МВт, среднегодовая выработка 55.9 млн кВт ч. На ГЭС-2 при напоре 24 м и расходе 40.1 м3/с мощность составит 8.4 МВт, среднегодовая выработка 40.4 млн кВт-ч. Нижняя ГЭС - 3 при напоре 25 м и среднем расходе 78.2 м3/с позволяет установить два агрегата суммарной мощностью 16.9 МВт и получить среднегодовую выработку 74.6 млн. кВт-ч.
Суммарная мощность каскада малых ГЭС на р. Тумча составляет 38 МВт, она может быть выдана на напряжении 150 кВ в район г. Ковдора. Управление каскадом возможно диспетчером каскада Нивских ГЭС с использованием телемеханики.
Малая ГЭС на р. Умба (рис. 8, поз. 11). При напоре 10 м, среднемноголетнем расходе 42 м3/с установленная мощность ГЭС составит 3.02 МВт, а среднегодовая выработка - 15.27 млн кВт-ч. Гидроэлектростанция может работать без дежурного персонала и управляться с использованием телемеханики диспетчером каскада Нивских ГЭС.
Наиболее эффективными из всех рассмотренных выше малых гидроэлектростанций являются ГЭС на реках Пиренга и Тумча.
Малые ГЭС для удаленных автономных потребителей. При выборе первоочередных створов для сооружения малых ГЭС необходимо исходить из технического потенциала малых рек, удаленности от них потребителя и потребностей последнего в энергии. Одним из характерных удаленных потребителей Мурманской области является с. Краснощелье в центре Кольского полуострова, удаленное более чем на 150 км от электрических сетей, обеспечивающих централизованное энергоснабжение. Источником электроэнергии здесь служит дизельная электростанция (ДЭС) со среднегодовой выработкой 1.25 млн кВтч. Максимальная нагрузка декабрьских суток составляет около 320 кВт, возможен рост на перспективу до 500 кВт.
Другим характерным децентрализованным потребителем является село Чаваньга на южном побережье Кольского полуострова. Электропотребление села составляет около 1 млн кВтч. Максимум нагрузки достигает 235 кВт.
Малая ГЭС на Ельреке (рис. 8, поз. 12). Створ ГЭС находится в 12 км от устья реки (места впадения в р. Поной). Установленная мощность этой малой ГЭС, ориентированной на электроснабжение села Краснощелье, может составить 500 кВт (два гидроагрегата, работающих на расчетном напоре 6 м). Годовая выработка ГЭС — 2.7 млн кВтч (табл. 3).
Малая ГЭС на р. Чаваньга (рис. 8, поз. 13/ Створ ГЭС находится в 8.5 км от устья реки и в 7.5 км от села. Отметка НПУ составляет 54.5 м. При напоре от 9 до 15 м установленная мощность ГЭС может достигать 1250 кВт, годовая выработка - 6.3 млн кВтч (табл. 3). Это позволит обеспечить электроэнергией не только с. Чаваньга, но и соседние села - Чапому, Тетрино, Стрельну и Пялицу и послужить надежной основой развития этих сел.
Таблица 3
Основные показатели малых ГЭС, предлагаемых для энергоснабжения сел Краснощелье и Чаваньга
Река Установленная мощность ГЭС, кВт Средняя годовая выработка, кВт-ч Напор, м Средний расход, м3/с
Ельрека 500 2.7 6 10
Чаваньга 1250 6.3 10 15
Практический опыт использования ВИЭ в Мурманской области.
Эксплуатация сетевой ВЭУ в г. Мурманске. В 2001 г. в рамках выполнения работ по гранту Правительства Норвегии, направленному на проведение работ по ветроэнергетике на Северо-Западе России, на одной из сопок около Мурманска вблизи гостиницы «Огни Мурманска» была пущена в опытную эксплуатацию датская трехлопастная ветроустановка '^псоп-200 мощностью 200 кВт [6]. Владелец ВЭУ - закрытое акционерное общество «ВетроЭнерго». Эта ВЭУ имеет башню высотой около 30 м, ветроколесо диаметром 26 м, вращающееся со скоростью около 40 об/мин. Установка располагается на высоте около 200 м над уровнем моря, среднегодовая скорость ветра в этом районе около 6 м/с. Вся производимая ветроустановкой энергия используется на покрытие энергетических нужд гостиницы. С 2011 г., когда были оформлены все необходимые разрешительные документы, коммерческая эксплуатация ВЭУ начала не только удовлетворять потребности гостиницы «Огни Мурманска», но и выдавать избытки энергии в местную электрическую сеть города.
В целом, 15-летний опыт эксплуатации сетевой ВЭУ показал перспективность использования энергии ветра в составе энергосистемы.
Гибридная установка для энергоснабжения с. Пялица. До настоящего времени в удаленных поселениях Мурманской области для энергообеспечения используются в основном дизель-генераторные установки. Закупка и доставка дизельного топлива осуществлялись в рамках реализации мероприятия по
обеспечению приобретения и доставки нефтепродуктов и топлива в удаленные населенные пункты с ограниченными сроками завоза грузов. Делается это за счет средств областного бюджета, и на эти цели ежегодно расходуется порядка 40 млн руб.
Для более надежного обеспечения энергией жителей отдаленных поселений Терского района проводится модернизация систем электроснабжения за счет дополнения дизель-генераторов ветровыми и солнечными электростанциями. Такая гибридная энергоустановка, пущенная в эксплуатацию в 2014 г. в с. Пялица на побережье Белого моря, представлена на рис. 9. Она позволяет обеспечить потребителей села круглосуточным электроснабжением и сократить региональное бюджетное финансирование за счет снижения объемов завозимого топлива и дизельного масла. Одновременно достигается снижение себестоимости вырабатываемой электроэнергии и продление срока эксплуатации дизельных станций на 25 %.
Рис. 9. Ветро-солнечно-дизельная энергоустановка в с. Пялица
Полная установленная мощность электростанции составляет 92 кВт. В своем составе станция имеет два дизель-генератора по 30 кВт, четыре ветроустановки мощностью по 5 кВт и 60 солнечных панелей по 0.2 кВт [7, 8].
Успешная работа комбинированной энергоустановки создала предпосылки для распространения полученного опыта использования солнечной и ветровой энергии в удаленных поселениях Мурманской области. Как отмечается в работе [9], администрация местного муниципального образования намерена развить данный проект и выполнить работы по установке ветро-солнечно-дизельных электростанций еще в трех прибрежных селах (Чаваньга, Тетрино, Чапома).
Использование энергии солнца и ветра для энергоснабжения малых удаленных объектов. В 2007-2009 гг. в Мурманской области компанией «Автономные технологии» в удаленных и труднодоступных поселениях (в основном, в мелких прибрежных населенных пунктах) были установлены
ветросолнечные установки [7]. Их назначение — обеспечить качественное надежное питание таксофонов спутниковой связи. В состав каждой установки входит: ветроагрегат FORTIS Wind Turbine PASSAT с номинальной выходной мощностью 1.3 кВт, фотоэлектрическая панель 8 х КСМ — 160 (напряжение — 54 В, максимальная мощность — 0.88 кВт), кабинет-термошкаф уличного антивандального исполнения, в котором размещаются спутниковый терминал, контроллеры ветроустановки и солнечной батареи, аккумуляторы (на 300 Ач, напряжение 48 В) и дополнительное оборудование (вентиляция, отопление). Многолетняя надежная работа ветросолнечных установок позволила наладить устойчивую телефонную связь 21 удаленного объекта с «большой землей».
В 1996-2010 гг. был успешно реализован российско-норвежский проект «Утилизация отработанных радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ) и установка альтернативных источников питания на российских маяках взамен утилизированных РИТЭГов в Мурманской и Архангельской областях» [7]. Заинтересованность в реализации проекта проявила Гидрографическая служба Северного флота. Мощность светового оборудования на светящихся навигационных знаках (СНЗ) и маяках в зависимости от их назначения составляет 50-800 Вт. Комплектование солнечных фотоэлектрических установок производилось с использованием российских единичных модулей мощностью 30 и 50 Вт, производимых ОАО Позит» и «Сатурн». Всего российско-норвежским проектом было охвачено 14 маяков и более 100 светящихся навигационных знаков.
Выводы
1. Мурманская область располагает большими ресурсами возобновляемых источников энергии (солнца, ветра, гидроэнергии малых рек, приливов, морских волн), из которых повышенным потенциалом отличаются ветровая энергия и гидроэнергия малых рек.
2. Потенциал солнечной энергии в силу географического положения региона невысок, но этот источник, имеющий максимум летом (в полярный день), дает весомую добавку к энергии ветра и гидроэнергии, потенциал которых в летнее время ослабевает.
3. Предложены площадки для сооружения крупных ветропарков на северном побережье Кольского полуострова. Площадки выбраны вблизи действующих каскадов ГЭС, способных компенсировать непостоянство поступления ветровой энергии.
4. На Кольском полуострове имеется положительный опыт применения сетевой ветроэнергетической установки мощностью 200 кВт в составе городской электрической сети г. Мурманска, гибридной ветро-солнечно-дизельной установки для энергоснабжения удаленного с. Пялица на побережье Белого моря, и комбинированных ветросолнечных установок, обеспечивающих надежную круглосуточную работу объектов Гидрографической службы флота. Полученный опыт заслуживает широкого распространения в «большой» и «малой» энергетике региона.
Литература
1. Минин В. А. Ресурсы нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Мурманской области и приоритеты их использования // Вестник Кольского научного центра РАН. 2010. № 1. С. 94-101.
2. Дмитриев, Г. С. Оценка возможного влияния крупных ветропарков на долгосрочные режимы работы ГЭС Кольского полуострова / Г. С. Дмитриев, В. А. Минин // Технико-экономические и электрофизические проблемы развития энергетики Севера. Апатиты: Изд. Кольского научного центра. 2006. С. 30-39.
3. Энергия ветра — перспективный возобновляемый энергоресурс Мурманской области / Минин В. А., Дмитриев Г. С., Иванова Е. А., Морошкина Т. Н., Никифорова Г. В., Бежан А. В. / Препринт. Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2006. 73 с.
4. Абросимова А. А. Ветропарк в районе 81 км автодороги Мурманск-Териберка / Научно-технические проблемы развития энергетики Севера. Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2009. С. 30-34.
5. Зубарев, В.В. Использование энергии ветра в районах Севера / В.В. Зубарев,
B. А. Минин, И. Р. Степанов. Л.: Наука, 1989. 208 с.
6. Минин, В. А. Опыт монтажа и первого года эксплуатации сетевой ветроэнергетической установки около г. Мурманска / В. А. Минин, Г. С. Дмитриев // Электрические станции. № 2. 2004. С. 71-73.
7. Возобновляемая энергетика на Кольском полуострове (Реестр установок в Мурманской области, работающих на возобновляемых источниках энергии). Мурманск: МРОЭО «Беллона-Мурманск». 2014. 26 с.
8. Fedorov, O. V. Alternative energy sources for remote customers / O. V. Fedorov, M. M. Kuznetsov // Вюник Вшницького полтехшчного шституту. 2015. № 6 (123). С. 141-144.
9. Попов Г. Н. Электрификация отдаленных поселений Мурманской области // Повышение энергетической эффективности в региональной энергетике Мурманской области: Сб. статей по материалам «ENES». М.: Перо, 2015.
C.22-23.
Сведения об авторе 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
УДК 621.472:621.311.24:621.311.213 О. Е. Коновалова
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИТОГИ РОССИЙСКОЙ ПРОГРАММЫ ПОДДЕРЖКИ РАЗВИТИЯ ГЕНЕРИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
