CC BY
81
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
УДК 621.548 (470.21)
В.А.Минин
ПЕРСПЕКТИВЫ СООРУЖЕНИЯ ВЕТРОПАРКА В РАЙОНЕ КИСЛОГУБСКОЙ ПРИЛИВНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ*
Аннотация
Рассмотрен вопрос о применении ветроэнергетических установок в районе Кислогубской приливной электростанции на побережье Баренцева моря. Предложено сооружение ветропарка мощностью около 10 МВт, состоящего из 17 ветроэнергетических установок. Дан анализ потенциала ветра на близлежащей метеостанции и в пределах территории ветропарка, определена возможная годовая выработка последнего. Оценен дисконтированный срок окупаемости ветропарка и возможная прибыль за время его эксплуатации.
Ключевые слова:
ветроэнергетическая установка, ветропарк, экономическая оценка.
V.A.Minin
PROSPECTS FOR THE WIND PARK CONSTRUCTION IN THE AREA OF KISLOGUBSKAYA TPP
Abstract
The question of wind turbines using in the area of Kislogubskaya power plant is considered. The construction of 10 MW wind park, consisting of 17 wind turbines is proposed. The analysis of the wind potential at a nearby weather station and wind park area is given. Its annual possible output is estimated. Discounted payback period and wind park potential profit are estimated during its life-time period.
Keywords:
wind power plant, wind park, the economic assessment.
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. В России также не сбрасываются со счетов возможности использования ВИЭ. В “Энергетической стратегии России на период до 2030 года” [1], определяющей приоритеты развития энергетики страны на долгосрочную перспективу, предусмотрено увеличение масштабов использования возобновляемых энергетических ресурсов. Вовлечение их в хозяйственный оборот - это путь к сокращению объемов использования органического топлива, к энергосбережению и улучшению экологической обстановки вблизи потребителей энергии.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00506).
Мурманская обл. располагает повышенным потенциалом энергии ветра [2]. Освоение высокопотенциальных ветроэнергоресурсов региона наиболее перспективно в районах, имеющих выход в энергосистему. Одним из объектов энергетики, находящимся в таком районе и связанным с Кольской энергетической системой линией электропередачи, является Кислогубская приливная электростанция. Она расположена примерно в 50 км к северу от Мурманска. Настоящая статья посвящена оценке перспектив сооружения вблизи этой станции ветропарка мощностью около 10 МВт.
Выбор площадки ветропарка, типа и мощности ветроустановок. При выборе места для размещения ветропарка необходимо, чтобы площадка располагалась в зоне с высоким потенциалом ветра, обеспечивала наименьшие расходы на создание инфраструктуры, обустройство подъездных путей, мест базирования персонала и монтажной техники. Площадка должна находиться как можно ближе к подстанции, чтобы снизить расходы на подключение ветропарка к сети.
Исходя из этих соображений, ветропарк вблизи Кислогубской ПЭС предлагается соорудить из двух частей, расположенных к востоку и западу от действующей приливной электростанции (рис.1). В качестве базовой ветроэнергетической установки для ветропарка предлагается немецкая безредукторная установка Бпегсоп Е-40/6.44 мощностью 600 кВт. Чтобы свести к минимуму взаимное влияние установок друг на друга, они размещены на расстоянии около 10 диаметров ветроколеса. На восточной половине ветропарка предлагается разместить 10 ВЭУ суммарной мощностью 6 МВт, а на западной -7 ВЭУ мощностью 4.2 МВт. В целом суммарная мощность ветропарка составит 10.2 МВт.
Технические данные ветроустановки Епегсоп Е-40/6.44'. мощность ВЭУ - 600 кВт, расчетная скорость ветра на оси ветроколеса - 12.0 м/с, диапазон рабочих скоростей - 2.5-28 м/с, высота башни - 50 м, диаметр ветроколеса -44 м, число лопастей - 3 шт., число оборотов ветроколеса - 18-34 1/мин., тип генератора - синхр., напряжение - 400 В.
Кислогубская ПЭС соединена с Кольской энергосистемой линией электропередачи длиной 18 км. Линия выполнена в габаритах 35 кВ, имеет сечение проводов 120 мм2. По ней может быть передана не только мощность ПЭС (1.5 МВт), но и 10.2 МВт мощности ветропарка. Это не только не перегрузит ЛЭП, но и, наоборот, будет способствовать улучшению ее экономических показателей за счет увеличения объемов пропускаемой через нее энергии. Трансформаторная подстанция Кислогубской ПЭС может быть использована для присоединения ветропарка к Кольской энергосистеме.
Среднегодовые скорости ветра в районе ветропарка. Среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м на близлежащей к площадке ветропарка прибрежной метеостанции Цып-Наволок, расположенной примерно в 30 км севернее Кислогубской ПЭС, составляет 7.0 м/с. Этот показатель получен по результатам наблюдений за 20 лет. По классификации В.Ю.Милевского [3], используемой метеослужбой для описания открытости местности, площадка метеостанции Цып-Наволок по разным направлениям характеризуется классами открытости, представленными в табл.1.
Рис.1. Схема расположения ветропарка из 17 ВЭУ Епегсоп Е-40/6.44 в районе Кислогубской ПЭС
Показатели открытости метеостанции Цып-Наволок
Показатели Направления ветра Среднее
С С-В В Ю-В Ю Ю-З З С-З
Класс открытости, Кф! 6б 12а 12а 12а 7а 7б 6б 6б 8.50
Повторяемость направления, т!, % 12 9 9 7 17 23 12 11
ПРИМЕЧАНИЕ. а - выпуклый рельеф, б - плоский.
Фактический класс открытости площадки КФ определится как средневзвешенный, учитывающий местную розу ветров:
Кф = I К® ■ т, (1)
где КФ, - фактический класс открытости по ,-му направлению, т, -повторяемость ,-го направления.
Из табл.1 следует, что средневзвешенный класс открытости метеостанции Цып-Наволок составляет 8.50.
Вновь обращаясь к классификации В.Ю.Милевского, можно определить классы открытости всех 17 площадок, где намечено сооружение ветроустановок ветропарка, и сделать это, как и на метеостанции, по 8 направлениям. Если после этого привлечь информацию о повторяемости направлений ветра, полученную по результатам наблюдений в 2009-2010 гг. на метеомачте вблизи Кислогубской ПЭС (рис.2), то с использованием выражения (1) можно определить средневзвешенный класс открытости каждой из 17 площадок, где планируется сооружение ВЭУ. Результаты таких расчетов сведены в табл.2.
Рис. 2. Роза ветров в районе Кислогубской ПЭС
Таблица 2
Классы открытости ВЭУ на местности и их годовая выработка
Номер ВЭУ Направления ветра Класс открытости
С С-В В Ю-В Ю Ю-З З С-З
ВЭУ 1 6б 6б 7а 7а 7а 9а 7а 7а 6.92
ВЭУ 2 7а 7а 7а 6б 6б 9б 7а 8а 6.89
ВЭУ 3 6а 6а 6а 6а 7б 8б 7а 7а 6.64
ВЭУ 4 6а 6а 6а 6а 7а 8а 8а 7а 6.72
ВЭУ 5 9а 7а 7а 7а 7б 8а 9а 9а 7.79
ВЭУ 6 9а 7а 7а 7а 7б 8а 9а 9а 7.79
ВЭУ 7 7а 6б 7б 7б 7б 7б 8а 8а 7.09
ВЭУ 8 7а 7а 7б 7б 8а 8а 8а 8а 7.55
ВЭУ 9 6а 7а 7а 7а 7а 7а 8а 7б 6.91
ВЭУ 10 7а 7а 7а 7б 7б 7а 7а 7а 7.00
ВЭУ 11 8а 8а 7а 7а 7а 7а 7а 7а 7.26
ВЭУ 12 7б 7а 7а 8а 8а 7б 7б 8а 7.49
ВЭУ 13 7б 7б 7а 7а 7б 7б 7б 7б 7.00
ВЭУ 14 7б 7б 7б 8а 8а 6б 6б 7б 7.22
ВЭУ 15 8а 8а 7б 7б 7б 7б 7б 9а 7.46
ВЭУ 16 8а 8а 7б 7б 6а 8а 8а 8а 7.25
ВЭУ 17 7б 7а 7б 7б 7б 7б 8а 8а 7.18
В работе [4] установлено, что среднегодовая скорость ветра пропорциональна среднему классу открытости площадки. Исходя из этого, зная среднегодовую скорость ветра на высоте 10 м на ближайшей метеостанции Цып-Наволок (7.0 м/с) и средний класс открытости этой станции К = 8.50, по среднему классу открытости площадки ВЭУ 1, имеющей К = 6.92, находим, что здесь на высоте 10 м можно ожидать среднегодовую скорость, равную 7.0:8.5-6.92 = 5.70 м/с.
Для сравнения можно отметить, что по результатам наблюдений в течение одного года на метеомачте вблизи Кислогубской ПЭС в 2009-2010 гг. (она располагалась между точками 3 и 4, см. рис.1) среднегодовая скорость ветра составила 5.44 м/с. Это близко к полученному выше расчетному значению. Последнее можно считать более соответствующим действительности, поскольку базируется на результатах 20-летних наблюдений близлежащей метеостанции. Подобные расчеты среднегодовой скорости ветра на высоте 10 м были выполнены по всем 17 площадкам размещения ВЭУ. Результаты расчетов сведены в табл.3.
Для определения скорости ветра на высоте оси ветроколеса (50 м) можно воспользоваться, как это показано в работе В.Е.Зубарева с соавторами [4], степенной функцией, описывающей вертикальный профиль ветра:
«50 = «ю ■ (50/10)”. (2)
Там же [4] отмечено, что показатель степени т не является величиной
постоянной, а зависит от величины скорости ветра на нижнем уровне:
т = 0.6 ■ («ю) -°'77. (3)
Эта зависимость представлена на рис. 3. Получим, например, что для
ВЭУ 1 среднегодовая скорость ветра на высоте 50 м равна:
и50 = и10 . (50/10)06'(и 10}"”7 = 5.70 • 50157 = 7.3 м/с.
Результаты подобных расчетов по всем 17 ВЭУ ветропарка сведены в табл.3.
Таблица 3
Результаты расчета среднегодовой скорости и среднегодовой выработки ВЭУ
Номер ВЭУ Класс открытости ВЭУ Ср.-год. скорость, м/с на высоте Годовая выработка ВЭУ, млн кВт-ч
10 м 50 м
ВЭУ 1 6.92 5.70 7.3 1.83
ВЭУ 2 6.89 5.67 7.3 1.83
ВЭУ 3 6.64 5.47 7.1 1.73
ВЭУ 4 6.72 5.53 7.2 1.78
ВЭУ 5 7.79 6.42 8.1 2.14
ВЭУ 6 7.79 6.41 8.1 2.14
ВЭУ 7 7.09 5.84 7.4 1.87
ВЭУ 8 7.55 6.22 7.9 2.07
ВЭУ 9 6.91 5.69 7.3 1.83
ВЭУ 10 7.00 5.76 7.4 1.88
ВЭУ 11 7.26 5.98 7.. 6 1.96
ВЭУ 12 7.49 6.17 7.8 2.04
ВЭУ 13 7.00 5.76 7.4 1.88
ВЭУ 14 7.22 5.95 7.6 1.96
ВЭУ 15 7.46 6.14 7.8 2.04
ВЭУ 16 7.25 5.97 7.6 1.96
ВЭУ 17 7.18 5.91 7.6 1.96
Всего 32.9
т
Рис.3. Зависимость показателя т степенной функции вертикального профиля ветра от среднегодовой скорости на высоте 10 м
Расчет среднегодовой выработки ветропарка. Для расчета среднегодовой выработки энергии каждой ВЭУ требуется знать повторяемость скоростей ветра на высоте оси ветроколеса и рабочую характеристику ВЭУ (зависимость мощности от скорости ветра). Что касается рабочей характеристики ВЭУ Бпегсоп Е-40/6.44, то она, заимствованная из «Каталога ветровых турбин» [5], приведена на рис.4.
Рис. 4. Рабочая характеристика ВЭУ Епегсоп Е - 40/6.44
Режим повторяемости скоростей ветра в прибрежных районах Кольского п-ова описывается уравнением Вейбулла [6, 7]:
< (»)=1 в
в
ехр
( V и
в
(4)
где в и у - параметры распределения; V - скорость ветра. Для метеостанций
Мурманской обл. в среднем у = 1.7.
Результаты расчета годовой выработки энергии ВЭУ при среднегодовых скоростях ветра 7.0-8.2 м/с представлены на рис.5. Они показывают, что годовая выработка в зависимости от степени открытости на местности варьирует в пределах 1.74-2.14 млн кВт-ч в год. Средняя величина выработки составляет 1.94 млн кВт-ч, число часов использования установленной мощности ВЭУ в году - 3225.
Годовая выработка энергии всего ветропарка (17 ВЭУ) составит 32.9 млн кВт-ч в год. Этот показатель в дальнейшем будет использован при оценке технико-экономической эффективности работы ветропарка.
Рис.5. Зависимость годовой выработки ВЭУ Епегсоп Е-40/6.44м/т среднегодовой скорости ветра на оси ветроколеса
Ожидаемая стоимость энергии от ветропарка. При техникоэкономической оценке перспектив сооружения ветропарка первостепенным является вопрос окупаемости вкладываемых в его сооружение средств. При выполнении такой оценки следует учитывать, что в случае отсутствия собственных средств их придется заимствовать в банке под определенный процент. Необходимо принять во внимание также и существующий уровень инфляции. Если исходить из возможности получения кредита по заемной ставке пг = 0.16-0.17 (16-17% годовых) и показателя инфляции Ь = 0.09 (9%, уровень 2010 г.), то так называемая реальная процентная ставка г, определяемая выражением:
г = ТГ • (5)
1 + ь
составит около 7%.
В качестве критерия для оценки прибыльности мероприятия, связанного с внедрением ВЭУ, можно использовать чистый дисконтированный доход (ЧДД). Этот показатель определяется как сумма текущих эффектов за весь расчетный период, приведенная к начальному шагу:
ЧДД =
А B2 Bn
-----------I-------------2 + ... +-----------------
1 + г (1 + г)2 (1 + г)п
-10, (6)
где В1, В2,.. ,Вп - текущий эффект (доход) от работы ветропарка за соответствующий год (с года 1 до года п) в течение всего срока службы п; г - реальная процентная ставка; 1о - инвестиции в сооружение объекта.
Согласно формуле (6) чистый дисконтированный доход выражает суммарный положительный или отрицательный экономический эффект, получаемый от реализации объекта в течение всего срока его службы, приведенный к начальному моменту. Этот показатель позволяет учесть изменение стоимости финансовых средств с течением времени и сопоставить капиталовложения, сделанные сегодня, с доходами, которые будут поступать позже, в едином масштабе цен. Положительный результат расчёта по выражению (6) свидетельствует об эффективности предлагаемого объекта, в результате его реализации инвестор в течение срока эксплуатации ветропарка получит прибыль. Чем большее значение прибыли будет получено, тем выгоднее объект. Если результат расчёта отрицательный, инвестор потерпит убытки.
Расчеты, выполненные применительно к рассмотренному выше ветропарку вблизи Кислогубской ПЭС, показали, что среднегодовая скорость ветра на высоте оси ветроколеса (50 м) в этом районе составляет около 7-8 м/с (см. табл.3), а среднегодовая выработка электроэнергии ветропарка, состоящего из семнадцати 600-киловаттных ветроустановок Епегсоп Е-40/6.44, составит 32.9 млн кВт-ч.
Годовой эффект (доход) В от работы ветропарка зависит от годовой выработки Ж и от тарифа/ по которому эту энергию можно продать в сеть, то есть:
В = Ж/ . (7)
Федеральной службой по тарифам для Мурманской обл. на 2010 г. был установлен предельный тариф на электроэнергию в размере 1.35 руб/кВт-ч. В перспективе в соответствии со сценарием развития экономики России на 2011, 2012 и 2013 гг. тарифы в области возрастут на 13, 12 и 11% и соответственно составят 1.53, 1.71 и 1.90 руб/кВт-ч. Рост тарифов продолжится и в дальнейшем.
Можно предполагать, что этот рост будет, по крайней мере, не ниже уровня инфляции (рис.6).
В последние годы в стране прилагаются большие усилия по снижению инфляции до европейского уровня (около 2%). Это трудный процесс. Но если предположить, что за 10 лет удастся снизить инфляцию с теперешних 8-9% до 2% и далее сохранить на достигнутом уровне, то тариф на электроэнергию, отпускаемую от ВЭУ, за 20 лет возрастет с 1.90 в 2013 г. до 3.41 руб/кВт-ч (8.3 евроцент/кВт-ч) в 2032 г. согласно кривой, представленной на рис.6.
Инвестиционные затраты в сооружение ВЭУ определяются удельными капиталовложениями ВЭУ и ее мощностью Л^ВЭУ:
І0 = £вэу ^вэу. (8)
Согласно статье В.В.Безруких [9] стоимость новых зарубежных ВЭУ в 2012-2013 годах составит около 1000 евро/кВт. С учетом транспортных расходов (10%) и таможенной пошлины (18%) стоимость возрастет до 1300 евро/кВт, а с учетом затрат на сооружение фундамента, монтаж и присоединение к сети (еще 20-25%) стоимость достигнет 1500-1550 евро/кВт, или около 60 тыс. руб/кВт. На рис.7 показано, как будет формироваться чистый дисконтированный доход в ходе многолетней эксплуатации ветропарка мощностью 10.2 МВт в районе Кислогубской ПЭС.
ю
а
а
«
и
Л
о
Д
л
ц
Л
Л
д
•е
д
&
н
■е
и
К
годы
Рис. 6. Рост тарифа на электроэнергию в соответствии с предполагаемым уровнем инфляции
Рис. 7. Формирование чистого дисконтированного дохода (ЧДД) за годы работы
ветропарка
После сооружения ветропарка (нулевой год эксплуатации) имеют место только инвестиции 10. Они в объеме 10.2-103-60-103 = 612 млн руб. отложены вниз по оси ординат. По мере эксплуатации ветропарка формируется доход, определяемый стоимостью выработанной энергии. За счет получаемого дохода постепенно, год за годом, окупаются инвестиции, кривая ЧДД идет вверх. Из рисунка следует, что дисконтированный срок окупаемости ветропарка (при ЧДД=0) составит 12-13 лет, а к концу планового срока службы ветроустановок (20 лет) может быть сформирована прибыль в размере 240 млн руб. (около 40% от первоначальных инвестиций).
Выводы
1. В районе Кислогубской ПЭС может быть сооружен ветропарк мощностью около 10 МВт (17 ВЭУ по 600 кВт). Район характеризуется повышенным потенциалом ветра. Среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м от поверхности земли на 17 выбранных площадках для ВЭУ составляет от 5.5 до 6.4 м/с. Среднегодовая выработка ветропарка оценивается в 32.9 млн кВт-ч, а количество часов использования установленной мощности в году - 3225.
2. Действующая линия электропередачи напряжением 35 кВ с сечением проводов 120 мм2, соединяющая ПЭС с Кольской энергосистемой, достаточна для выдачи не только мощности ПЭС, но и мощности ветропарка.
3. Удельные капиталовложения в ветропарк, формируемый из зарубежных ВЭУ, с учетом транспортных и таможенных расходов, а также затрат на сооружение фундаментов и присоединение к сети ориентировочно могут составить около 1500 евро/кВт (60 тыс. руб/кВт).
4. Технико-экономическая оценка сооружения ветропарка показала, что при существующих в последние годы тенденциях изменения инфляции и тарифов на электроэнергию дисконтированный срок окупаемости ветропарка составит 12-13 лет. К завершению планового срока службы ветроустановок (20 лет) может быть сформирована прибыль в размере 240 млн руб., что составляет около 40% от первоначальных капиталовложений.
Литература
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. М.: ГУ Ин-т энергетической стратегии. 2010. 180 с.
2. Энергия ветра - перспективный возобновляемый энергоресурс Мурманской
области / В.А.Минин, Г.С.Дмитриев, Е.А.Иванова, Т.Н.Морошкина, Г.В.Никифорова, А.В.Бежан. Апатиты: Изд. Кольского науч. центра РАН, 2006. 73 с.
3. Справочник по климату СССР. Вып. 2: Мурманская область. Часть III. Ветер.
Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 120 с.
4. Использование энергии ветра в районах Севера / В.В.Зубарев, В.А.Минин
И.Р.Степанов. Л.: Наука, 1989. 208 с.
5. Wind Energy. Osnabrueck, Deutschland, Bundesverband WindEnergie Service
GmbH, 2002. 265 p.
6. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 80 с.
7. Ресурсы ветровой энергии Мурманской области и возможности их промышленного использования / В.А.Минин, Г.С.Дмитриев, Е.А.Иванова, Т.Н.Морошкина, Г.В.Никифорова. Апатиты: Изд. Кольского науч. центра РАН, 2005. 48 с.
8. Оценка валового и технического потенциала нетрадиционных возобновляемых
источников энергии Мурманской области: отчет о НИР / ИФТПЭС КНЦ РАН; рук. Минин В.А. Апатиты, 1992. 350 с.
9. Безруких П.П. О стоимостных показателях энергетических установок на базе возобновляемых источников энергии // Энергетическая политика. 2009. № 5.
С.5-11.
Сведения об авторах
Минин Валерий Андреевич
заместитель директора Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
