CC BY
45ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGYAND ECOLOGY
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ТУРКМЕНИСТАНЕ
А. М. Пенджиев ^
Member of the International Editorial Board
Туркменский политехнический институт Солнечный 4/1, Бикрова, Ашхабад, 744032, Туркменистан
The report considers the current state and perspectives of implementation of solar energy as well as wind and biomass energy both world-wide and in Turkmenistan, in particular.
Традиционная энергетика, основанная на органическом топливе, наносит значительный ущерб окружающей среде. При получении энергии за счет сжигания топлива ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается 150 млн. т золы, 100 млн. т диоксида серы, 60 млн. т оксидов азота, 300 млн. т окислов углерода, углекислого газа и многих других веществ, которые поглощают длинноволновое излучение, идущее от поверхности Земли. Время нахождения в атмосфере этих примесей различно: двуокись серы — 3 дня, углекислый газ — 5 дней, фреон — 50-70 лет, закись азота — 120 лет. Долгосрочное нахождение примесей в атмосфере может привести к глобальным изменениям климата [4, 7-9].
Атомная энергетика встречает активное неприятие населения в связи с возможностью тяжелых аварий с радиационными загрязнениями больших территорий.
В развитых странах энергопотребление в последнее время либо уменьшалось, либо его рост существенно замедлился. В связи с этим планирование строительства новых крупных электростанций связано с большой неопределенностью и, следовательно, с риском. Энергетические компании предпочитают наращивать мощности путем строительства сравнительно небольших энергетических блоков, что характерно для возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Некоторые промышленно развитые страны, например Япония, практически не имеют собственных ресурсов органического топлива и базируют свою энергетику на импортных поставках. Это снижает энергетические результаты, каковыми являются ВИЭ.
Для развивающихся стран характерен дефицит больших капиталовложений. В то же время установки с ВИЭ, как правило, имеют модульный характер и позволяют вводить в строй сравнительно малые мощности, наращивая их по мере необходимости.
В развивающихся странах большая доля населения живет в сельской местности, далеко друг от друга. В этих условиях создание энергетических систем по типу, сложившемуся в промышленно развитых странах, когда электроэнергия вырабатывается на крупных электростанциях и доставляется в районы с высокой плотностью населения по линиям электропередач, оказывается нерентабельным. Создание автономных энергоустановок малой мощности, базирующихся на ВИЭ, снабжающих местных потребителей, имеет очевидные преимущества [4].
Последнее обстоятельство характерно и для некоторых отдаленных районов пустынной зоны Туркменистана, где проживают животноводы, работники нефтяных и газовых месторождений, железнодорожники и др.
Большинство промышленно развитых стран сегодня осуществляют государственные программы и создают установки, организуют их сервисное обслуживание [2].
Наибольший интерес сегодня представляют установки, использующие солнечную энергию, энергию ветра, биомассы, геотермальную энергию. О них и пойдет речь в данной статье.
Солнечная энергия. Использование солнечной энергии сегодня сводится в основном к производству низкопотенциального солнечного тепла с помощью простейших плоских солнечных
Статья поступила в редакцию 25.05.2007 г. Ред. per. № 081. The article has entered in publishing office 25.05.2007. Ed. reg. No. 081.
Прогноз развития возобновляемой энергетики
В 2020 г. В 2020 г.
Возобновляемые источники
«Минимум» «Максимум»
МТОЭ % МТОЭ %
Биомасса 243 45 561 42
Солнце 109 20 355 26
Ветер 85 16 215 16
Геотермальные источники 40 7 91 7
МиниГЭС 48 9 69 5
Энергия приливов и волн 14 3 54 4
Суммарная 539 100 1345 100
коллекторов. Например, в США в 1990 г. из 3,6 млн. ГДж энергии, произведенной за счет солнечной радиации, 3,5 млн. ГДж приходится на низкопотенциальное тепло, использованное для горячего водоснабжения, подогрева воды в плавательных бассейнах и, в меньшей степени, отопления. В Израиле установлено около 800 тысяч солнечных коллекторов, которые производят около 15 млн. ГДж энергии [2] и обеспечивают 70 % населения горячей водой.
КПД солнечного коллектора определяется его оптическими характеристиками, качеством тепловой изоляции, инсоляцией и температурами теплоносителя и окружающего воздуха. В большинстве существующих установок средний годовой эксплуатационный КПД коллектора находится на уровне 40-50 % . Это означает, что для широт около 30° с 1м коллектора можно получить в год 3-5 ГДж тепла температурой 60-70 °С. Стоимость этого тепла при таких показателях и сроке службы установки 30 лет оказывается на уровне 3-4 долл./ГДж, что делает эти установки привлекательными для потреблении. Для более высоких широт солнечные водонагреватели более предпочтительны как сезонные [3-7].
Наряду с коллекторами для отопления домов принимаются пассивные методы, основанные на оптимизации архитектурно-планировочных решений. Кроме того, представляют интерес разработки так называемой изоляции для стен домов, селективных пленок для окон и др.
Электроэнергию от Солнца можно получить либо в теплосиловых установках, в которых тепло от сгорания топлива заменяется потоком концентрированного солнечного излучения либо в установках прямого преобразования энергии, основанных на применении полупроводниковых фотоэлектропреобразователей (ФЭП).
В конце 70-х - начале 80-х гг. в разных странах мира было построено семь пилотных солнечных электростанций (СЭС), так называемого башенного типа, с уровнем мощности от 0,5 до 10 МВт. Самая крупная СЭС мощностью 10 МВт (Solar One) была построена в Калифорнии.
Башенная СЭС PHOEBUS [2] реализуется немецким консорциумом. Проект предполагает
создание демонстрационной гибридной (солнечно-топливной) СЭС мощностью 30 МВт с объемным ресивером, в котором будет подогреваться атмосферный воздух, направляемый затем в паровой котел, где производится водяной пар, работающий в цикле Ренкина. На тракте воздуха от ресивера к котлу предусматривается горелка для сжигания природного газа, количество которого регулируется так, чтобы в течение всего светового дня поддерживать заданную мощность [2, 4, 6, 8, 9].
Интересный проект был разработан в Австралии, где проходили Олимпийские игры 2000 г. Местный Олимпийский комитет решил сделать эти игры «зелеными», для чего, в частности, в Олимпийском комплексе соорудили солнечную ТЭЦ с термодинамическим циклом преобразования.
В последнее время в мире повысился интерес к установкам, непосредственно преобразующим солнечную радиацию в электроэнергию с помощью ФЭП. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими установками (ФЭУ), сегодня в несколько раз выше, чем энергии СЭС с тепловым циклом. Тем не менее, ФЭУ активно внедряются как в развитых, так и в развивающихся странах. При этом можно проследить две противоположные тенденции: в развивающихся странах речь идет о применении сравнительно мелких установок для электроснабжения индивидуальных домов в отдаленных деревнях, для оснащения культурных центров, где благодаря ФЭУ можно пользоваться телевизорами и др. В этих случаях использования на первый план выступает не стоимость электроэнергии, а специальный эффект.
В промышленно развитых странах ФЭУ рассматриваются как экологически чистый источник, способный уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Применение ФЭУ в частных домах повышает энергетическую автономию и защищает владельца при возможных перебоях в централизованном электроснабжении. Следует отметить, что правительства некоторых стран (например, Германии) поощряют использование ВИЭ частными владельцами, доплачивая энергокомпаниям, если они покупают у них излишки электроэнергии по более высокой цене. В-третьих, немаловажное значения имеет динамика измерения показателей ФЭУ за последние два десятилетия, на основании которой на ближайшее время прогнозируется достижение конкурентоспособности ФЭУ для различных целей. В этом отношении представляет интерес опыт Японии, где в настоящее время в префектуре Окинава сооружается ФЭУ мощностью 750 кВт. В США 90 энергетических компаний создали Фотоэлектрическую группу, которая в течение ближайших 5 лет планирует ввести в эксплуатацию ФЭУ общей мощностью 47 МВт [5, 6].
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №9 (53) 2007
© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»
Энергия ветра. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут выполнять механическую работу. В подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Несколько реже применяются устройства с вертикальным валом. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в том случае, если скорость ветра достаточно велика. Сегодня наибольшее распространение получили установки, подсоединяемые к сети, мощностью от 100 до 500 кВт. Удельная стоимость ВЭУ мощностью 500 кВт составляет около 1200 долл./кВт и имеет тенденцию к снижению [1, 5, 7, 13].
Наряду с этим создаются ВЭУ существенно большей мощности. В 1978 г. в США была создана первая экспериментальная ВЭУ мегават-тного класса с расчетной мощностью 2 МВт. В 1979-1982 гг. в США были сооружены и испытаны 5 ВЭУ с единичной мощностью 2,5 МВт. Самая большая к тому времени ВЭУ мощностью 3 МВт была сооружена в Германии в 1984 г., но, к сожалению, проработала лишь несколько сотен часов. Построенные несколько позже в Швеции ВЭУ и '^Г8-4 мощностью, соот-
ветственно, 3 и 4 МВт, были установлены в Швеции и США и проработали: первая — 20 лет, вторая — 10 тыс. ч.
В Канаде ведутся работы по созданию крупных ветровых установок с вертикальным валом (ротором Дарье). Одна такая установка мощностью 4 МВт проходит испытания с 1987 г. Всего за 1987-1993 гг. в мире было построено около 25 ВЭУ мегаваттного класса.
Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ обычно принимается на уровне 11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем на большую скорость ветра он рассчитывается. Однако в связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность. Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальная мощность, не менее 2000, то такая местность благоприятна для установки крупной ВЭУ и даже ветровой фермы.
Автономные установки киловаттного класса, предназначенные для энергоснабжения сравнительно мелких потребителей, могут применяться в районах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра.
В некоторых промышленно развитых странах установленная мощность ВЭУ достигает заметных значений. Так, в США установлено более 1,5 млн. кВт ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3 % потребляемой страной энергии, ве-
лика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии. В настоящее время недалеко от Лейпцига создается ветровая ферма из 10 ВЭУ; первые 5 агрегатов мощностью 600 кВт каждый введены в строй с 1995 г. На ближайшие годы государственные программы этих стран предусматривают дальнейшее значительное увеличение парка ВЭУ.
По мере совершенствования оборудования ВЭУ и увеличения объема их выпуска стоимость производимой ими энергии снижается. Если в 1981 г. стоимость электроэнергии, производимой ВЭУ, составляла примерно 30 американских центов за кВт-ч, то в настоящее время она составляет 6-8 центов. С учетом того, что только в 1995 г. в США велись работы по четырем большим ветровым фермам с общей мощностью около 200 МВт, станет ясно, что планируемое Департаментом энергетики США снижение стоимости ветровой электроэнергии до 2,5 центов/кВт-ч вполне реально.
В развивающихся странах интерес к ВЭУ связан, в основном, с автономными установками малой мощности, которые могут использоваться в деревнях, удаленных от систем централизованного электроснабжения. Такие установки уже конкурентоспособны с дизелями, работающими на привозном топливе. Однако в некоторых случаях непостоянство скорости ветра заставляет либо устанавливать параллельно с ВЭУ аккумуляторную батарею, либо резервировать ее установкой на органическом топливе, что повышает стоимость установки и ее эксплуатации.
Энергия биомассы. Биомасса представляет собой древнейший источник энергии, однако ее использование до недавнего времени сводилось к прямому сжиганию с весьма низким КПД. В последнее время внимание к эффективному энергетическому использованию биомассы существенно повысилось, причем в пользу этого появились новые аргументы:
- использование растительной биомассы при условии ее непрерывного восстановления (например, новые лесные посадки после вырубки леса) не приводит к увеличению концентрации С02 в атмосфере;
- в промышленно развитых странах в последние годы появились излишки обрабатываемой земли, которую целесообразно использовать под лесные плантации;
- использование отходов (сельскохозяйственных, промышленных и бытовых) для энергетических целей решает экологические проблемы;
- вновь созданные технологии позволяют использовать биомассу значительно более эффективно.
Потенциал биомассы, пригодный для энергетических целей в большинстве стран достаточно велик, и его эффективному использованию уделяется значительное внимание.
В США в 1990 г. благодаря использованию биомассы было произведено 31 млрд. кВт-ч электроэнергии, кроме того, еще 10 млрд. кВт-ч — за счет твердых бытовых отходов. К 2010 г. планируется выработать, соответственно, 59 и 54 млрд. кВт-ч.
Проблема эффективного использования биомассы актуальна для развивающихся стран, прежде всего для тех, в которых биомасса является единственным доступным источником энергии. Здесь, в основном, речь идет о рациональном использовании древесины и различных сельскохозяйственных и бытовых отходов. Известно, что сегодня население некоторых стран, прежде всего Африки, вырубает леса на дрова для приготовления пищи, и этот процесс представляет собой угрозу как для местного, так и глобального климата. Используемые сегодня дровяные очаги для приготовления пищи имеют КПД 1415%. Применяя более совершенные устройства, этот КПД легко повысить до 35-50 %, т. е. сократив потребность в исходном топливе более чем в 3 раза [4, 6, 8, 10, 14].
Потенциал возобновляемых источников энергии в Туркменистане чрезвычайно велик. Валовой теоретический энергетический потенциал солнечной энергии в южных районах СНГ оценивается в 651 109 т усл. т. (тонн условного топлива) в год, а в Туркменистане эквивалент 1,4109 т усл. т. в год. Он неодинаков в различных регионах страны. За последние 20 лет в стране разработаны и созданы опытно-промышленные установки, но доля их в энергетическом балансе страны очень скромна.
Это объясняется прежде всего тем, что энергетическая стратегия Туркменистана в прошлом исходила из приоритетности создания крупных объектов, использовавших органическое топливо (газ, нефтепродукты). В Туркменистане в 2002 г. на долю топливно-энергетического комплекса приходилось около 60 % производимой промышленностью продукции.
Солнечная энергия в Туркменистане — неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Продолжительность светового дня в стране в июне — 16 ч, в декабре — 8-10 ч, 300 солнечных дней в году, продолжительность солнечного сияния 2500-3100 ч в год, летом — 320-400 ч в месяц.
Возможность применения солнечной энергии — это ее преобразование в тепловую, механическую и электрическую, использование в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Они могут широко использоваться для получения горячей воды, опреснения воды, сушки различных материалов и сельхозпродук-
тов, выращивания в теплицах сельскохозяйственных культур, получения биогаза и т. п.
На базе НПО «ГУН» проведен ряд научно-исследовательских работ по использованию солнечной энергии, а также по внедрению их в практику [7, 12].
Следует отметить, что существуют различные конструкции гелиотеплиц: с грунтовым аккумулятором; с автономным энергообеспечением; гелиотеплицы с замкнутым влагооборотом; с биоаккумулятором тепла; блочные (пленочные, стеклянные), ангарные, малогабаритные, подземные и т. д.
Строительство обычных теплиц требует больших капитальных вложений и значительных эксплутационных расходов, которые довольно высоки — около 50-60 % суммы общих затрат. Применение же солнечной энергии значительно снижает себестоимость продукции [2-8, 12].
Энергия ветра. По карте распределения вет-роэнергоресурсов на территории Туркменистана можно подсчитать энергетические ресурсы обширных пастбищных угодий. Годовой экономический эффект от комбинирования гелиоветроэ-нергетических систем теплохладоснабжения дома в сельской местности площадью 150 м2 составит 0,4 тыс. долл. в год и сэкономит на душу населения 180-200 кг усл. т. в год. За счет ветроагрегата можно удовлетворить от 40 до 85 % энергопотребления. Разработан автономный гелиокомплекс — агропроизводственный объект, структура которого может быть различной в зависимости от природно-климатических условий. Он включает в себя солнечную опреснительную установку; гелиоветроэнергетическую установку для подъема воды из колодца и энергообеспечения; дублер — дизельную электростанцию малой мощности; кошару для содержания овец; гелиотеплицу с капельным орошением; чабанский дом с солнечной системой теплохладос-набжения и системой распределительных резервуаров для соленой, дистиллированной и питьевой воды; фотореактор закрытого типа для производства хлореллы и ферментеры по переработке отходов сельскохозяйственных животных. Автономный гелиокомплекс позволит сэкономить за 10 лет 1,8-2,0 т усл. т., уменьшит выбросы СО2 на 4,37-4,85 Мг.
Туркменистан обладает большим потенциалом геотермальных вод (ГТВ). Перспективным направлением является расширение использования ГТВ в лечебных и санаторных учреждениях страны, а также для обогрева помещений, в тепличных хозяйствах и т. д. Например, доля теп-лопотерь теплицы покрывается за счет совместного использования солнечной энергии и энергии геотермальных вод.
Поскольку основные запасы геотермальных вод Туркменистана относятся к категории низкопотенциальных, они являются главными и
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №9 (53) 2007 . - , : : y^V
© 2007 Scientific Technical Centre «TATA» Jcä>®"®LS 5
будут таковыми в обозримом будущем для сельского и коммунального хозяйств (теплоснабжение жилых промышленных зданий), бальнеологии и химии.
Перспективы использования тепла Земли в настоящее время связывается с месторождением геотермальных вод. Специальная проработка вопроса рентабельности использования геотермальных вод в Туркменистане еще не проводилась. В таком же положении находятся и проблемы использования энергии Каспийского моря.
Одним из самых древних возобновляемых источников энергии является биомасса, в основе которого лежит процесс фотосинтеза растений, приводящий к аккумулированию солнечной энергий, переходящей в химическую.Основ-ными источниками биомассы являются лес и сельскохозяйственные угодья. Только за год лес производит примерно 75109 т биомассы с энергетическим содержанием, в 3 раза превышающим мировое энергопотребление за год. Отходы же сельскохозяйственного производства (в виде соломы и навоза) ежегодно составляют 4,2109т. Пустыня Каракумы обладает богатейшими топливно-энергетическими ресурсами: белый саксаул, произрастающий на площади 3655 тыс. га с запасом древесины 7444 тыс. м3, черный саксаул на 730 тыс. га с запасом древесины 1776 тыс. м3, арчевники на 73,3 тыс. га с запасом древесины 1602 тыс. м3. Серьезным недостатком использования энергии солнца и ветра является их непостоянство. Для установок, присоединенных к сети, этот недостаток не столь существен ибо, если мощность ВИЭ не превышает 10-15 % мощности сети, то последняя может сглаживать это непостоянство. Для автономных установок, в зависимости от характеристик нагрузки, могут требоваться различные решения: использование аккумуляторных батарей, резервирование установок ВИЭ с помощью установки на органическом топливе (чаще всего, дизель-генератора), гибридизация самой установки ВИЭ (это относится только к солнечной электростанции).
Вторым решением для автономных установок может стать комбинированное использование солнечных и ветряных установок, уменьшающее фактор непостоянства. В некоторых случаях роль выравнивания производства энергии в сочетании солнечной и ветровой может играть установка, работающая на биогазе, геотермальных водах.
В рамках реализации Национального плана действий по охране окружающей среды вопрос использования возобновляемых источников энергии должен найти свое место. Тем более, что в Плане подчеркнуто: рациональное использование природных ресурсов и применение ресурсоэнергосберегающих технологий снижают отрицательное воздействие на окружающую среду.
Список литературы
1. Алексеев Б. А. Международная конференция по ветроэнергетике // Электрические станции. 1996. №2.
2. Базаров Б. А., Терешин В. Д., Пенджи-ев А. М. Использование жидких диэлектриков для охлаждения фотопреобразователей // Изв. АН ТССР. Сер.: Ф-Т, X и Г науки. 1978. № 3.
3. Байрамов Р., Рыбакова Л. Е. Микроклимат теплиц на солнечном обогреве. Ашхабад: Ылым, 1983.
4. Берковский Б. М., Кузминков В. А. Возобновляемые источники энергии на службе у человека. М.: Наука, 1987.
5. Безруких П. П. Экономические проблемы нетрадиционной энергетики // Энергия: Экон., техн., экол. 1995. № 8.
6. Богуславский Э. И., Виссарионов В. И., Елистратов В. В., Кузнецов М. В. Условия эффективности и комплексного использования геотермальной солнечной и ветровой энергии // Межд. симп. «Топливно-энергетические ресурсы России и др. стран СНГ». СПб., 1995.
7. Использование солнечной энергии. Ашхабад: Ылым, 1985.
8. Лозановская И. Н., Орлов Д. С., Садов-никова Л. К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М., 1998.
9. Пенджиев А. М. Диссертация доктора наук. М., 2000 г.
10. Пустыня Каракум и пустыня Тар. Ашхабад: Ылым. 1992.
11. Рыбакова Л. Е., Пенжиев А. М. Энергия барада сохбет. А.: Магарыф, 1993.
12. Рыбакова Л. Е., Пенжиев А. М. Гелио-теплицы // Сельский механизатор. 1985. № 12.
13. Соболь Я. Г. Ветроэнергетика в условиях рынка (1992-1995 гг.) // Энергия: Экон., техн. экол. 1995. №11. С. 34.
14. Смирнов Б. М. Атмосфера Земли и энергетика. М.: Знание, 1979.
