ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В СЕВЕРНЫХ И УДАЛЕННЫХ РАЙОНАХ РОССИИ

Дмитриев А.Л.

УДК 628.1

перспективы использования возобновляемых источников энергии

в северных и удаленных районах россии

■ А.Л. Дмитриев

-®11 Российский государственный гидрометеорологический университет

~ пр-т Малохтинский, 98, г. Санкт-Петербург, 195196, Россия

Тел.: (812) 322-1889; факс: (812) 703-0153; e-mail: alldmitriev(g}yandex.ru

Ж

Мировая экономика потребляет огромное количество энергии. Основными путями получения энергии является сжигание различных видов топлива, а также использование возобновляемых источников энергии. На рис. 1 показано распределение потребляемой энергии от различных источников и количество потребляемого топлива [1].

Х=460 млн ТДж/год 1=10 млрд т/год

Рис.1. Объем потребляемых первичных энергоносителей в мире: а) млн ТДж/год; б) млрд т/год; 1 — нефть, 2 — пр.газ, 3 — уголь, 4 — уран, 5 — гидроэнергетика, 6 — биомасса

Продуктами сгорания ископаемого топлива являются парниковые газы, в основном - диоксид углерода (СО2). Всего в атмосферу за счет сгорания топлив выбрасывается в течение года более 27 млрд т (табл.1). В результате этого количество СО2 увеличилось в атмосфере по сравнению с доиндустриальным периодом (серединой XIX века) на 30 % и продолжает расти, что, по мнению многих ученых, является причиной глобальных климатических изменений. Согласно Киотскому протоколу, выбросы парниковых газов должны быть снижены к 2012 году по отношению к 1990 году на 5,2 % [2].

Кроме этого, атмосфера крупных городов и промышленных центров загрязняется токсичными веществами выхлопных газов автотранспорта, влияющих на здоровье населения.

Таблица 1

Количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу, в результате использования различных

видов топлива, млрд т/год

Нефть Уголь Природный газ Биомасса Всего

13,4 8,9 4,1 1,0 27,4

Второй крупной проблемой существующей энергетики является истощение мировых запасов ископаемых энергоносителей, и в первую очередь нефти. Растущая экономика требует увеличения энергоресурсов. Многие страны уже в настоящее время ощущают острую нехватку энергоносителей. Стремление уйти от энергетической зависимости диктует им развитие других, нетрадиционных источников энергии. Некоторые страны, например, Франция, США, Англия, наращивают долю в энергетическом балансе за счет атомной энергетики. Однако большинство стран, обделенных ископаемыми энергоресурсами, видят решение энергетических и экологических проблем в развитии возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Интенсивный рост ВИЭ наблюдается в мире с конца 90-х годов (табл. 2, рис. 2). В странах ЕС принято решение о снижении выбросов парниковых газов (в основном диоксида углерода) к 2020 году на 20% по сравнению с 1990 годом за счет увеличения выработки электроэнергии от ветровых и солнечных установок. К 2050 году доля ВИЭ (ветровой, солнечной, биомассы) в выработке электроэнергии и тепла должна составлять 60-80 % .

Суммарная мощность используемых в мире ВИЭ равна около 120 ГВт, что составляет примерно 3 % от мощности установок, вырабатывающих всю

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №2(58) 2008 f 1 ( cz' ' 1 /"j", i Pi H

Таблица 2

Прогноз роста ВИЭ в мире

Вид оборудования 2000 г. 2010 г.

или технологии ВИЭ

Ветроустановки, ГВт 14 74

Фотоэлектричество, ГВт 0,938 9,2

Малые ГЭС, ГВт 70 175

Электростанции на биомассе, ГВт 18 92

Солнечные термодинамич. станции, 0,2 10

ГВт

Геотермальные электростанции, ГВт 7,97 20,7

Итого, ГВт 111,1 380,9

Геотермальные тепловые станции, ГВт т 17,174 44,55

Солнечные коллекторы, млн м2 60 300

Рис. 2. Прогноз роста ВИЭ в мире [4]

электроэнергию в мире [3]. Наибольшая доля использования ВИЭ в выработке электроэнергии и, отчасти, тепла наблюдается в странах Евросоюза (ЕС), Японии и США. Причем в различных странах упор делается на следующие виды ВИЭ: Германия, США, Дания, Испания - ветровая энергетика (37 %); Япония, Португалия, США, Турция - солнечная фото- и термодинамическая (45 %), Исландия, США - геотермальная (90 %). В Китае интенсивно развивается малая гидроэнергетика. В странах ЕС (Финляндия, Швеция, Дания) поощряется выращивание рапса в качестве исходного сырья для биодизеля. Между США и Бразилией заключен договор о поставках в США биоэтанола. В странах ЕС, США, Бразилии расширяется использование в качестве моторного топлива биоэтанола и биодизеля, что должно снизить выбросы СО2 на 40 %. К 2020 году США планируют 20 % моторного топлива заменить на биоэтанол. Кроме того, в США строится завод по производству биогаза мощностью до 400 млн л/год. В странах ЕС в качестве биотоплива используются также отходы лесной промышленности. Например, в Швеции для использования в газогенераторах налажено производство из древесных отходов гранул (пеллетов) [3].

Развитие ВИЭ для нашей страны имеет особое значение, т.к. около 16 % населения проживает в районах отсутствия или ненадежного централизованного электроснабжения. Население, проживающее в Северных территориях, на Дальнем Востоке и в других удаленных регионах, получают электроэнергию в основном от автономных ди-зельгенераторов небольшой мощности, а в некоторых местах вообще нет электричества. Только на территории Севера сейчас эксплуатируется свыше 10 тыс. мелких дизельных электростанций. Для обеспечения энергоснабжения удаленных районов требуется ежегодно завозить 6-8 млн т нефтяного

топлива и 20-25 млн т угля. Цена доставляемого туда дизельного топлива превышает 1,5 тыс. долл. за 1 т [5]. Кроме того, около 30 млн. семей и фермерских хозяйств имеют загородные дома, которые, как правило, не подключены к системе центрального энергоснабжения.

Положение России в мировом энергосекторе и балансе загрязнения атмосферы нельзя признать благоприятным. Занимая 4,4 % в мировом энергопотреблении, Россия имеет уровень энергоэффективности в 2,5 раза ниже по сравнению со среднемировым, что, соответственно, приводит к увеличению выбросов СО2 в 2,5 раза. Одной из причин низкой эффективности энергетики является принцип централизованного энергоснабжения [5]. Ряд указанных проблем может быть решен с помощью ВИЭ. Однако в настоящее время доля их использования в выработке электроэнергии в России составляет (за исключением крупных ГЭС) не более 0,5 %, в то время как экономический потенциал ВИЭ на территории России (по данным на 1995 год) равен 500 ГВт (см. табл. 2), что составляет около 30% от объема потребления всех топливно-энергетических ресурсов страны.

Например, в Северо-Западном регионе страны в силу климатических и природных условий наиболее широкое применение могли бы найти малая гидроэнергетика, ветровая энергетика и биомасса. Потенциал гидроресурсов Ленинградской, Псковской, Новгородской и Вологодской областей равен более 12 млрд кВтч, что соответствует установленной мощности примерно 1370 МВт [6]. В послевоенные и 1950-е годы в Ленинградской области были сооружены десятки плотин на малых реках. В дальнейшем их роль в выработке электроэнергии стала падать в связи со строительством крупных ТЭц, работающих на природном газе, и Ленинградской атомной электростанции. К настоящему времени на реках Ленинградской области осталось 7 ГЭС общей мощностью 631 МВт.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2(58) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008

Энергетика и экология

Таблица 3

Оценка потенциала ВИЭ (по мощности установок) в России, ГВт

Ресурсы Теоретическ. потенциал Техническ. потенциал Экономич. потенциал Реализован в 2000 г. Прогноз на 2020 г.

Энергия ветра 117,5103 9103 45,2 7,2.10-3 1,0-1,2

Малые ГЭС 750 260 135,7 553 10-3 2,5-3,0

Солнечная энергия 7,5106 7,5103 40,7 - -

Энергия биомассы 20,4103 108 71,3 523 10-3 1,0-1,5

Геотермальная энергия - - 163 23.10-3 0,25-0,3

Низкопотенц. тепло 730 160 44,1 - -

Итого 7,6.106 17103 500 1,11 4,75-6,0

На территории России потенциал различного вида ВИЭ неодинаков. Например, ветровая энергия - это, в первую очередь, территории Севера, Дальнего Востока, Камчатки, Кавказа; солнечная энергетика - юг Европейской части, Сибири и Дальнего Востока; малая гидроэнергетика - Северо-Запад, Восточная Сибирь, Дальний Восток, Камчатка; геотермальная энергия - Кавказ, Урал, Восточная Сибирь, Дальний Восток, Камчатка. На Камчатке сосредоточен богатый потенциал различного вида ВИЭ, в то время как используется только геотермальная энергия, и то всего на 30 % Из табл.3 видно, что особенно велик технический потенциал ветровой и солнечной энергии [3, 4].

Известно, что использование ВИЭ направлено, в основном, на генерацию электроэнергии и, в меньшей степени, тепла или получения моторного топлива (не считая биотоплива). В то же время, как показывает анализ соотношения потребляемых в мире вторичных энергоносителей (рис. 3), на электроэнергию приходится немногим более 20 %, а более 70 % потребляется в виде тепловой и механической энергий [1].

21%

Рис. 3. Соотношение объемов потребляемых в мире вторичных энергоносителей:

1 — электроэнергия; 2 — тепловая; 3 — механическая; 4 — химическая энергия

Кроме того, эффективность и продолжительность рабочего цикла ветровых, солнечных или гидравлических электрогенераторов в значительной степени зависят от погодных условий, времени года и суток. Существующие же аккумуляторы не способны запасать большое количество электроэнергии. Поэтому очень важной задачей для повышения работоспособности ВИЭ является разработка методов эффективного аккумулирования излишков электроэнергии и ее диверсификации в другие виды энергии.

Такая возможность открывается при использовании некоторой части вырабатываемой ВИЭ электроэнергии для получения электролитического водорода. Водород может играть также роль аккумулятора электроэнергии в нерабочие для ВИЭ периоды (например, в связи с отсутствием ветра).

Оценка эффективности применения ВИЭ в удаленной от центрального энергоснабжения местности проведена на примере обеспечения энергией семьи из пяти человек, проживающей в сельском доме. В качестве источника электроэнергии взят ветровой генератор с установочной мощностью 16 кВт (3,2 кВт/чел.). Для возможности дополнительного аккумулирования и диверсификации электроэнергии с наработкой моторного топлива используется установка получения водорода путем электролиза воды. В состав ветровой энергоустановки входят: электрогенератор, выпрямитель, аккумулятор, инвертор, электронагреватели (ТЭНы) водяные. Электроснабжение обеспечивает электрической энергией работу электробытовых приборов, электроинструмента, нагрев воды для бытовых целей и на обогрев помещения. Излишки электроэнергии используются для производства электролитического водорода. При использовании 25 % вырабатываемой электроэнергии в течение 20 часов в сутки можно получать примерно 1,5 кг водорода, что по энергоемкости равноценно 6 л бензина или дизельного топлива. Для обеспечения водородом необходимо оборудование: электролизер производительностью 0,8 нм3/ч, хранилище водорода, водородный компрессор. Транспортное средство должно быть оборудовано для работы на водороде (ДВС или электрохимический генератор на топливных элементах, баллоны для хранения водорода).

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2(58) 2008

По сравнению с дизельгенератором использование ветроустановки, при средней продолжительности работы в течение года 2500 час, экономия топлива составит 11,5 т (17,25 тыс. долл.), а стоимость ветроустановки примерно 16 тыс. долл (при удельной стоимости около 1000 долл./кВт). С учетом водородного блока общая стоимость оборудования может возрасти до 60 тыс. долл. При серийном производстве цены будут снижены в несколько раз.

К новому виду ВИЭ можно отнести энергоустановку с получением водорода [7] путем взаимодействия алюминия (например, в виде тонкодисперсного порошка) с водой в соответствии с химической реакцией: А1 +2Н2О ^ А1ООН + 1,5Н2 + q,

где q = 266 кДж /моль - тепловой эффект реакции.

При этом водород используется для выработки электроэнергии на топливных элементах (ТЭ). Электроэнергия и тепло могут быть также дополнительно получены при реализации на турбине энтальпии высокотемпературного (300 °С) парогаза. Указанная технология получения энергии может быть отнесена к возобновляемому виду, поскольку получаемые твердые продукты реакции (оксид гидроокиси алюминия) могут быть опять восстановлены до алюминия или реализованы в виде ценной товарной продукции (бемита).

При стоимости порошка алюминия 3 долл/кг стоимость вырабатываемой электроэнергии обойдется примерно в 1,07 долл/кВтч, а при реализации бемита (10 долл/кг) будет полностью окупаться. Для сравнения, стоимость электроэнергии, получаемой на дизельгене-раторах (при стоимости дизтоплива 1,5 тыс. долл./т), составляет примерно 0,45 долл./КВтч, а при учете экологического ущерба окружающей среде будет еще выше. Следует учесть, что за последние несколько лет темпы роста на мировом рынке дизтоплива примерно в три раза превосходили темпы роста алюминия. Поэтому вполне вероятно, что стоимость алюмоводородной энергетики через несколько лет не будет существенно отличаться от таковой на основе дизельгенераторов.

Заключение

Возобновляемые источники энергии рассматриваются передовыми странами как значительный резерв в решении энергетических и экологических проблем. Эффективность и потенциал ВИЭ могут быть существенно повышены при их сочетании с водородной энергетикой. Динамика развития ВИЭ в мире требует учета данного фактора при разработке энергетической стратегии России.

Список литературы

1. Беляев Л.С., Филиппов С.П. Изучение долгосрочных тенденций в развитии мировой энергетики. «Энергия». Изв.РАН. 1996, № 3. С.13.

2. Ануфриев В.П., Чазов А.В. Энергоэффективность и проблема изменения климата. М.: УЦЭЭ, 2006. С. 61.

3. Безруких П.П. Состояние и тенденции развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Электрика». 2003. №4. С.7.

4. Воропай Н.И., Кейко А.В., Санеев Б.Г. Возобновляемые источники энергии. // Энергия, экономика, техника, экология. 2006. № 7. С.4.

5. Кузык Б.Н., Яковец Ю.В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. М.: И-т экономич. стратегий, 2007.

6. Карлин Л.Н. Возможность использования некоторых механизмов гибкости Киотского протокола на Северо-Западе России // Материалы конференции: Киотский протокол: экономические аспекты. СПб., Россия, 2006.

7. Иконников В.К., Рыжкин В.Ю., Румянцев А.И., Харченко С.С. Установка непрерывного получения водорода путем гидротермального окисления промышленных порошков алюминия // Материалы второй Российской конференции «Физические проблемы водородной энергетики». СПб., Россия, 2005. С. 25-26.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Дмитриев А.Л.

Текст научной работы на тему «ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В СЕВЕРНЫХ И УДАЛЕННЫХ РАЙОНАХ РОССИИ»