CC BY
139
УДК 621.311 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-1-60-64
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МАЛОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF SMALL DISTRIBUTED ENERGY
© 2015 г. Н.Н. Ефимов, О.С. Попель, В.Н. Балтян
Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Е-таП: efimov@novoch.ru
Попель Олег Сергеевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Балтян Василий Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering» Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: efimov@novoch.ru
Popiel Oleg Sergeevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering» Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Baltyan Vasiliy Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering» Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Анализируется состояние и структура топливно-энергетического комплекса России. Показано, что страна занимает лидирующее положение в мире по топливным ресурсам. В то же время в РФ, также как и за рубежом, идет активное внедрение малой распределенной энергетики на базе использования возобновляемых источников энергии. В работе рассматривается возможность и перспективность использования солнечной, ветровой и других энергий в нашей стране. Приводятся некоторые факты продвижения нетрадиционной энергетики.
Ключевые слова: топливно-энергетические ресурсы; малая распределенная энергетика; солнечная энергия; ветровые энергоустановки.
This paper analyzes the status and structure of the fuel and energy complex of Russia. It is shown that the country has a leading position in the world fuel resources. At the same time, in Russia as well as abroad, there is an active introduction of small distributed energy based on renewable energy. This paper considers the possibility and prospects of the use of solar, wind and other energy in our country. Are some facts promotion of alternative energy.
Keywords: fuel-energy resources; small distributed power; solar energy; wind power plants.
Суммарное производство топливно-энергетических ресурсов в 2009 г. в России превысило 1800 млн т у. т., из которых внутреннее потребление составило 990 млн т у. т., а экспорт - 810 млн т у. т. Россия является крупнейшим экспортером энергоресурсов. Из всей добываемой в России нефти почти 80 % экспортируется. Экспортируется в общем около 2/3 энергоресурсов. Нефтегазовый комплекс страны обеспечивает около 17 % российского ВВП и более 40 % доходов консолидированного бюджета страны.
Россия занимает лидирующее место в мире по запасам традиционных топливно-энергетических ресурсов [1]:
- 1-е место по природному газу (23 % мировых запасов);
- 2-е место по запасам угля (19 % мировых запасов);
- 5-7-е место по запасам нефти (4-5 % мировых запасов) и урана (8 % мировой добычи природного урана).
С международными обязательствами по экологии в РФ также все более менее благополучно (энергетика ответственна примерно за 50 % выбросов СО2).
Российское энергопотребление имеет следующие особенности:
1. 2/3 территории страны находятся вне сетей централизованного энергоснабжения (население около 20 млн чел., районы с наиболее высокими ценами и тарифами на топливо и энергию (более 25 руб./(кВт-ч))).
2. Более 50 % регионов страны энергодефицитны (в эти регионы осуществляется завоз топлива, импорт электроэнергии). Отсюда возникает задача повышения региональной энергетической безопасности.
3. Газифицировано около 50 % населенных пунктов (в сельской местности - менее 35 %).
Структура энергетики России в зависимости от мощности представлена большой энергетикой (10 МВт и более: тепловые электростанции, в том числе газотур-
бинные и парогазовые установки; атомные электростанции; гидравлические электростанции большой мощности), малой энергетикой (0,5 - 10,0 МВт: газотурбинные, газопоршневые и паросиловые установки; гидравлические энергоагрегаты; нетрадиционная энергетика); микроэнергетикой (до 500 кВт: газотурбинные, газопоршневые и паросиловые энергомашины; гидравлические энергоаппараты; нетрадиционная микроэнергетика).
Основными производителями электрической и тепловой энергии в настоящее время являются крупные тепловые, атомные и гидравлические электростанции на базе энергоагрегатов мощностью 50 МВт и выше и котельные. Считается, что эти электростанции вырабатывают электро- и теплоэнергию более экономично.
Следует отметить, что существующие энергокомплексы большой мощности, входящие в структуру Единой энергетической системы страны, имеют недостатки:
1. В цене электроэнергии, продаваемой населению, только 50 % отводится производству. Другие составляющие ценообразования тарифов, это: услуги системного оператора - 5 %; потери электроэнергии по линиям дальних передач высокого напряжения - 7 %; потери электроэнергии по межрегиональным сетям низкого напряжения - 22 %; транспортировка по местным коммунальным сетям и распределение по потребителям электроэнергии - 10 %; сбытовые надбавки - 6 %. Таким образом, эффективность энергоснабжения потребителей снижается, несмотря на более высокую экономичность энергоустановок производства.
2. При увеличении неравномерности суточных графиков нагрузок потребления и производства возрастает скорость их изменения, особенно при прохождении вечернего пика нагрузок. Такую скорость изменения нагрузок все труднее обеспечивать при существующей инерционности системы передачи энергии на большие расстояния от производителя к потребителю.
В этих условиях все большее значение приобретает малая распределенная энергетика. Распределенная энергетика в России в последние годы развивается опережающими темпами по сравнению с другими производствами электроэнергии. По данным Росстата в 2007 г. суммарная установленная мощность малых энергоустановок в России составила 11,8 ГВт и ими было произведено 23,7 млрд кВт-ч электроэнергии. Доля малой электрогенерации в установленной мощности всех электростанций страны достигла 5,2 %, а в выработке электроэнергии - 2,3 %. При этом эффективность использования мощностей малой генерации существенно ниже, чем большой (соответственно 2105 и 4670 ч/год).
Причинами опережающего развития распределенной энергетики являются следующие факторы:
- наличие и освоение территорий, не охваченных централизованным электроснабжением;
- экономический рост в зонах централизованного электроснабжения при наличии существенных инфра-
структурных ограничений (отсутствие технологических возможностей подключения к электрическим сетям);
- низкое качество электроснабжения (низкая надежность поставок электроэнергии, несоответствие параметров электроэнергии нормативным требованиям). В результате эффективная эксплуатация современных приборов и оборудования, в том числе у населения, стала невозможной без использования индивидуальных средств бесперебойного (резервного) электропитания;
- технические достижения в средствах малой генерации электроэнергии. На рынке, включая российский, стало доступным электрогенерирующее оборудование небольшой мощности с приемлемыми технико-экономическими показателями: высокоэффективные газотурбинные установки малой мощности, микротурбины, газопоршневые агрегаты, ветрогенерато-ры, фотопреобразователи и др.;
- неоспоримыми достоинствами малой генерации являются небольшие сроки ввода объектов в эксплуатацию и небольшие требуемые начальные инвестиции.
Применение индивидуальных, автономных мик-роэнергокомплексов позволяет избегать дополнительных финансовых затрат и эксплуатационные расходы полностью переложить на производство электроэнергии и тепла. Эффективности энергоснабжения в малой распределенной энергетике можно добиваться не только за счет приближения производителя энергии к потребителю, но и путем комплексного энергоснабжения потребителя электрической и тепловой энергией, т.е. за счет когенерации и тригенерации. В этом случае можно повысить экономичность энергоустановок до 90 % и даже более.
При использовании когенерации и тригенерации разные энергетические турбомашины с проточной рабочей средой способны создавать вполне определенные соотношения по производству электроэнергии и тепла. Например:
- газопоршневые агрегаты обычно производят при соотношении - на 1 кВт электрической энергии 1,2 - 1,5 тепловой;
- газотурбинные турбомашины имеют возможность увеличить это соотношение на 1 кВт электрической энергии 1,5 - 2,0 тепловой;
- еще большего соотношения можно добиваться при использовании паросиловых установок - на 1 кВт электрической энергии 5,0 - 7,0 тепловой [2, 3].
В таблице представлены объемы вводов в России электрогенерирующих установок малой мощности на базе двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, а также крупных электростанций. Из данных таблицы видно, что объемы вводимых малых электроустановок больше, чем крупных, особенно в последние годы. Наибольшей популярностью пользуются малые энергоагрегаты мощность более 300 кВт и до 60 кВт.
Анализ различия в приведенных оценках объемов реализации за период 2001 - 2007 гг. (таблица) в
России малых электростанций (13,4 ГВт) показывает, что:
- большое количество установок приобретается взамен существующих для модернизации и реконструкции действующих дизельных электростанций (муниципальных и производственных);
- большое количество реализуемых установок, особенно мощностью менее 60 кВт, приобретается в качестве резервных, в том числе, в коттеджной застройке, предприятиях мобильной связи, котельных и т.д.;
- не все реализуемые в стране электрогенераторы учитываются отечественной статистикой. Действующими формами статистического наблюдения за электроэнергетикой страны достаточно полно отслеживаются электростанции мощностью 500 кВт и выше и значительно хуже электростанции меньшей мощности, особенно находящиеся на балансе неэнергоснаб-жающих организаций. Малые предприятия и индивидуальные предприниматели вообще не предоставляют «энергетические данные» в органы государственной статистики. Таким образом, большое количество установок по производству электроэнергии малой мощности для государственной статистики остается ненаблюдаемым.
Малая распределенная и микроэнергетика в последнее время развиваются в основном при использовании возобновляемых источников энергии: солнечной, ветровой, энергией биомасс, малых рек и морских волн, приливов, геотермальной и др.
В настоящее время имеется широкий спектр различных технологий преобразования энергии, причем одни и те же первичные нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ) могут быть эффективно применены для получения разных полезных энергетических продуктов.
Основные сферы энергетического использования возобновляемых источников энергии:
- производство электроэнергии;
- производство тепла и холода;
- производство альтернативных топлив, прежде всего, биотоплив.
Эффективное использование возобновляемых источников энергии возможно лишь в сочетании с реализацией мер энергосбережения и повышения энергоэффективности потребителей. К известным инноваци-
онным технологиям энергетического использования ВИЭ можно отнести: технологии термодинамического и прямого фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в электроэнергию; технологии солнечного горячего водоснабжения, отопления, сушки и холодоснабжения на основе использования эффективных солнечных коллекторов; технологии преобразования энергии ветровых потоков в электроэнергию; технологии геотермального теплоснабжения и производства электроэнергии; технологии энергетической переработки биомассы с получением альтернативных твердых (топливные брикеты), жидких и газообразных топлив; технологии преобразования энергии малых водных потоков в электроэнергию; технологии преобразования энергии морских приливов и морских волн; технологии использования природного и сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью тепловых насосов.
Солнечная радиация достаточно интенсивна в южных регионах России. Не менее эффективно солнечное излучение и в Якутии. Однако здесь оно может быть использовано только в летние месяцы и частично в осенне-весенний сезон, в то время как потребность в энергии проявляется в зимнее время. В зимний период в северных регионах светлое время суток очень ограничено, практически отсутствует, что не позволяет эффективно использовать солнечную радиацию. Среднегодовые дневные суммы солнечной радиации на неподвижные поверхности южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту, кВт-ч/(м2-день), представлены на рис. 1 [4 - 7].
Вторым по значимости возобновляемым источником энергии является ветровая энергетика. На рис. 2 представлены среднегодовые скорости ветра на высоте 50 м от уровня земли, из которого можно сделать вывод, что основные ресурсы ветроэнергетики находятся на побережье северного ледовитого океана, где отсутствует массовый потребитель электроэнергии в России.
Геотермальная энергия используется для теплоснабжения, производства электроэнергии на геотермальных электростанциях (прежде всего, бинарных). Она может базироваться на высокопотенциальных и низкопотенциальных геотермальных ресурсах.
Объемы вводов в России электрогенерирующих установок малой и крупной мощности,
МВт (данные Росстата)
Вводы малых электростанций, МВт Годы
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2001 - 2007
До 60 кВт 134 151 206 265 470 919 1443 3455
60 ... 300 кВт 30 47 68 83 137 279 415 1028
Более 300 кВт 1422 1609 1363 1243 1046 1617 2017 8895
Всего малых электростанций 1585 1808 1637 1591 1653 2815 3875 13379
Вводы крупных электростанций в РФ по данным ЦДУ ТЭК 2773 579 1851 950 2861 1307 2082 9630
В России к высокопотенциальным ресурсам относится только Курило-Камчатский геотермальный район, прогнозный ресурс которого оценивается в 2000 МВт. Низкопотенциальные геотермальные районы: Дальневосточный, прогнозный ресурс которого оценивается в 5000-1010 МВт ■ч; Западно-Сибирский (3093-1010 МВт-ч); Северо-Кавказский и Поволжский (1900-1010 МВт-ч); Восточно-Сибирский (1514* х1010 МВт-ч); Северный район с центром в г. Воркута (773-1010 МВт-ч); Северо-Западный (81-1010 МВт-ч); Центрально-Черноземный (57-1010 МВт-ч).
Приведем некоторые факты о продвижении нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в мировую энергетику.
1. Установленная мощность электрогенерирую-щих установок на НВИЭ (без крупных ГЭС) в 2010 г.
более 340 ГВт превысила установленную мощность всех АЭС.
2. Суммарная мощность 150 тыс. ветровых энергоустановок (ВЭУ) в составе сетевых ветростанций на конец 2009 г. - 159 ГВт. За 2009 г. в эксплуатацию было введено 39 ГВт ВЭУ, или их установленная мощность по сравнению с концом 2008 г. (120 ГВт) выросла на 32 %. Приблизительная выработка ими электроэнергии в 2009 г. - 324 ТВт-ч.
3. Суммарная мощность действующих в мире фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) к концу 2009 г. достигла 21,3 ГВт, причем в 2009 г. в эксплуатацию было введено более 7 ГВт, а прирост продаж ФЭП на мировом рынке за год составил более 50 %. Годовая выработка ими электроэнергии в 2009 г. составила 23,9 ТВт-ч;
Рис.
-1-1-г
1. Суммарно-годовая солнечная радиация на оптимально ориентированную поверхность
Рис. 2. Среднегодовые скорости ветра на высоте 50 м
4. Суммарная мощность энергоустановок на биомассе в 2009 г. достигла 60 ГВт, а годовая выработка электроэнергии более 300 ТВт-ч.
5. Мощность геотермальных электростанций превысила 10,7 ГВт, а выработка ими электроэнергии 62 ТВт-ч/год.
6. Суммарная тепловая мощность установок солнечного теплоснабжения в 2008 г. достигла 145 ГВт (более 180 млн м2 солнечных коллекторов), солнечное горячее водоснабжение имеет более 60 млн домов в мире, ежегодные темпы роста более 15 %.
7. Производство биотоплив (этанол и биодизель) в 2008 г. превысило 79 млрд л в год (около 5 % от ежегодного мирового потребления бензина), в том числе биоэтанол - 67 млрд л в год, биодизель -12 млрд л в год. По сравнению с 2004 г. производство биодизеля возросло в 6 раз, а биоэтанола удвоилось.
В 30 странах мира действует более 2 млн тепловых насосов, суммарной тепловой мощностью более 30 ГВт, утилизирующих природное и сбросное тепло и обеспечивающих тепло- и холодоснабжение зданий.
8. В 2009 г. в 73 странах, среди которых 20 развивающихся, имели специальные государственные программы освоения НВИЭ и на государственном уровне утвержденные индикативные показатели их развития на среднесрочную и долгосрочную перспективу.
Энергетика - крайне инерционная сфера мировой экономики, развивающаяся со средними темпами 1,1 - 1,2 % в год. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии вступили в стадию роста в несколько десятков процентов в год при уже «ненулевом» вкладе в мировой энергетический баланс.
Государство должно быть заинтересованным в развитии ВИЭ и активно содействовать развитию это-
го нового направления в энергетике, прежде всего путем создания стимулов для бизнеса. Участие государства в развитии нетрадиционной возобновляемой энергетики - не благотворительность за счет налогоплательщика, а «государственный бизнес». Каждый затраченный бюджетный рубль должен стать окупаемым, может и должен приносить прибыль в бюджет. Это становится реальным, когда интересы государства и бизнеса совпадают и оба партнера получают прибыль.
Литература
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р [Электронный ресурс]. М., 2009. Режим доступа: http://www.energy strategy. га/projects/ docs/ES-2030_(utv._N1715-p_13.11.09). rar
2. Кузнецова О.Р. Экономическая эффективность систем децентрализованного энергоснабжения: на примере Хабаровского края: дис. канд. экон. наук: 08.00.05. Комсомольск-на-Амуре, 2002. 180 с.
3. Ефимов Н.Н. Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины // Энергосбережение. Специализированный журн. 2013. № 6. С. 54 - 55.
4. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология.
5. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. М., 2010. 84 с.
6. Попель О.С., Фрид С.Е., Киселева С.В., Коломиец Ю.Г., Лисицкая Н.В. Климатические данные для возобновляемой энергетики (база климатических данных): учеб. пособие. М., 2010. 56 с.
7. Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Сушникова Е.В, Ямудер В.Ф. Эффективность и перспективы использования различных систем солнечного нагрева воды в климатических условиях Российской Федерации // Теплоэнергетика. 2011. № 11. С. 26 - 31.
References
1. Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 goda: utverzhdena rasporyazheniem Pravitel'stva Rossijskoj Federacii ot 13 noyabrya 2009 g. №1715-r. [Energy strategy of Russia for the period up to 2030: approved by resolution of the Government of the Russian Federation dated 13 November 2009 No. 1715-R]. Moscow, Institut 'energeticheskoj strategii, 2009. Available at: <http://www.energystrategy.ru/projects/docs/ES-2030 (accessed 13.11.09).
2. Kuznecova O.R. Ekonomicheskaya 'effektivnost' sistem decentralizovannogo 'energosnabzheniya: na primere Habarovskogo kraya. Diss. kand. 'ekon. Nauk [Cost-effectiveness of decentralised energy supply systems: the case of the Khabarovsk Krai. Diss. Kida. Econ. Sciences ]. Komsomol'sk-na-Amure, 2002, 180 p.
3. Efimov N.N. Mikro'energokompleks na baze vlazhno-parovoj turbiny [Microelecronics on the basis of wet-steam turbine]. En-ergosberezhenie. Specializirovannyjzhurnal [Energy Saving. Specialized magazine]. 2013, no. 6, pp. .54-55.
4. SNiP 2.01.01-82 Stroitel'naya klimatologiya [SNiP 2.01.01-82 Building climatology.].
5. Popel' O.S., Frid S.E., Kolomiec Yu.G., Kiseleva S.V., Terehova E.N. Atlas resursov solnechnoj 'energii na territorii Rossii [Atlas resources of solar energy in Russia]. Moscow, OIVT RAN, 2010. 84 p.
6. Popel' O.S., Frid S.E., Kiseleva S.V., Kolomiec Yu.G., Lisickaya N.V. Klimaticheskie dannye dlya vozobnovlyaemoj 'energetiki (baza klimaticheskih dannyh). Uchebnoe posobie [Climate data for renewable energy (climatic data base). Uchebnaya]. Moscow, OIVTRAN, 2010, 56 p.
7. Frid S.E., Kolomiec Yu.G., Sushnikova E.V, Yamuder V.F. 'Effektivnost' i perspektivy ispol'zovaniya razlichnyh sistem sol-nechnogo nagreva vody v klimaticheskih usloviyah Rossijskoj Federacii [Performance and prospects for the use of different systems for solar water heating in the climatic conditions of the Russian Federation]. Teplo'energetika, 2011, no. 11, pp. 26-31.
Поступила в редакцию 20 ноября 2014 г.
