CC BY
17COMBINED WIND AND HYDROGEN ENERGY
Статья поступила в редакцию 02.06.11. Ред. рег. № 1037
The article has entered in publishing office 02.06.11. Ed. reg. No. 1037
УДК 621.311.23/25.003.13
ВЕТРОСОЛНЕЧНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ С ВОДОРОДНЫМ ЦИКЛОМ
Ю.М. Запорожец, С.А. Кудря
Институт возобновляемой энергетики НАНУ 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс +38-044-537-26-57, e-mail: renewable@ukr.net
Заключение совета рецензентов: 22.06.11 Заключение совета экспертов: 30.06.11 Принято к публикации: 10.07.11
Распространение ветросолнечных энергетических комплексов с водородным циклом рассматривается во всем мире как путь к решению основных экологических проблем. Развитие водородной энергетики путем организации производства водорода в промышленных масштабах на основе электролизных технологий и замещение водородом сжигаемых органических видов топлив требует формирования нового экономического и структурного подхода к производству и потреблению энергии - созданию «водородной экономики».
Для Украины такой подход является особо актуальным, т. к. значительная доля ее экономики базируется на экспорте сырьевых товаров с низкой степенью переработки и избыточной энергоемкостью. Это преимущественно продукция отраслей промышленности с незавершенным циклом производства, которые в условиях недостаточной собственной ресурсной базы функционируют за счет импортных энергоносителей. Их замещение водородом является основной перспективой повышения устойчивости и продуктивности украинской экономики.
Расчеты подтверждают наличие в Украине достаточных для решения этой задачи ресурсов возобновляемой энергии, прежде всего ветросолнечного потенциала, и возможности генерирования необходимого для производства водорода количества электрической энергии. Особенности распределения этих ресурсов по территории Украины побуждает изыскивать дополнительные направления продвижения ветросолнечной энергетики с водородным циклом.
Особенно благоприятные предпосылки для сооружения ветросолнечных энергетических комплексов с водородным циклом существуют в приморской береговой и ближней шельфовой зоне Украины.
Производственно-технологической базой для реализации концепции водородной экономики служат такие развитые отрасли промышленности Украины, как металлургия, энергетическое и химическое машиностроение, судостроение и другие.
Ключевые слова: оффшорная ветроэлектростанция, поворот к морю, батиметрическая карта, шельфовая зона, изобата, Черное море, Азов.
Extension of wind-sun power complexes with a hydrogen cycle is considered all over the world as a way to the decision of the basic environmental problems. Development of hydrogen power by the organization of commercial manufacture of hydrogen on a basis of electrolysis technologies and replacement by hydrogen of burned organic kinds of fuels demands formation of the new economic and structural approach to energy manufacture and consumption - to creation of "hydrogen economy".
For Ukraine such approach is especially actual since the considerable share of its economy is based on export of the raw goods with low degree of processing and superfluous power consumption. It is mainly production of industries with an incomplete cycle of manufacture which in the conditions of insufficient own resource base is functioning at the expense of import energy carriers. Their replacement by hydrogen is the basic prospect of increase of stability and efficiency of the Ukrainian economy.
Calculations confirm presence in Ukraine sufficient for the decision of this problem of resources of renewed energy, first of all - wind-sun potential, and possibility of generating of hydrogen of quantity of electric energy necessary for manufacture. Features
WIND-SUN POWER COMPLEXES WITH THE HYDROGEN CYCLE
Yu.M. Saporozhets, S.A. Kudrya
Institute of Renewable Energy, National Ukrainian Academy of Science 20A Krasnogvardejska str., 02094, Kyev-94, Ukraine Phone/fax: +38-044-537-26-57, e-mail: renewable@ukr.net
Referred: 22.06.11 Expertise: 30.06.11 Accepted: 10.07.11
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
of distribution of these resources on territory of Ukraine induces to find additional directions of advancement wind-sun power with a hydrogen cycle.
Especially favorable preconditions for a construction wind-sun power complexes with a hydrogen cycle exist in a seaside coastal and near shelf zone of Ukraine.
As industrial-technological base for realization of the concept of hydrogen economy such developed industries of Ukraine as metallurgy, power and chemical mechanical engineering, shipbuilding and others serve.
Keywords: offshore wind farm, turn to the sea, bathymetric map, shelf zone, fathom, Black sea, Azov.
В повестке дня «водородная экономика»
Совместное использование солнечных и ветровых ресурсов позволяет существенно повысить надежность гарантированного электроснабжения и расширить географию эффективного применения гибридных солнечно-ветровых энергоустановок [1, 2].
Однако их широкое распространение сдерживается естественной нестабильностью поступления солнечной и ветровой энергии (суточной, сезонной, погодной) и возникающей в связи с этим проблемой ее аккумулирования и сохранения на достаточно длительный период [3, 4].
Как показывают отечественные и зарубежные исследования, наиболее перспективным является применение накопителей энергии на основе водородного цикла, состоящих из электролизера воды и аккумуляторов водорода [1, 2, 4].
С другой стороны, в атомной и вообще большой энергетике регулярно возникает значительный ресурс избыточных мощностей, вызванный суточной неравномерностью потребления электроэнергии, сглаживание которой в «провальные» для производства электроэнергии ночные часы также связывают с использованием водородного цикла [5, 6]. Более того, разработана концепция широкого применения производимого из воды с помощью ядерных реакторов водорода как энергоносителя в промышленности, в энергетике, на транспорте и в быту, названная атомно-водородной энергетикой [7].
В связи с этим укоренившееся понятие «водородная энергетика» в прогнозах развития и программах расширения использования возобновляемых источников энергии наполняют все более широким содержанием, которое характеризуют новой категорией -«водородной экономикой». Это понятие охватывает представление о коренной трансформации хозяйственно-технологических комплексов, создании новых индустриальных циклов, перераспределении финансовых потоков и формирование иной цивилизацион-ной парадигмы [5, 8-11].
Указанные устремления уже не являются лозунгами или декларациями о намерениях - мир делает уверенные шаги по этому пути. В течение последних лет водородная экономика получила мощное развитие во всех возможных направлениях, как-то: топливные элементы, водородные автомобили и водородные заправочные станции, улучшенные электролизеры, другие виды водородных технологий и водородных энергетических систем.
Более 50 стран мира имеют национальные программы перехода к водородной экономике. В частности:
- в Европе выпускаются газотурбинные установки на водородном топливе и строятся мощные электростанции, работающие на водороде;
- в Норвегии развернуто строительство завода по производству водорода с использованием энергии ветра;
- в США, Японии и других странах создаются сети заправок для автомобилей с водородными двигателями, в девяти странах проходят обкатку водородные городские автобусы и т.п. [12].
Осознание неотвратимости утверждения в экономике водородной парадигмы побуждает правительства, корпорации, международные организации и научные сообщества направлять все возрастающие усилия и объемы финансирования, которые достигли за последние годы миллиардов долларов и евро, в водородные проекты, которые реализуются в соответствии с целевыми программами, имеющими государственный и международный статус [9]. «Это только вопрос времени, когда водород как энергоноситель сможет конкурировать с традиционным топливом», - так оценивают специалисты нынешнюю стадию водородной «перестройки».
Экономика Украины -зависимость от энергетической стратегии
В глобальном измерении, вероятно, более всего мотивируют развитие широкомасштабной водородной экономики экологические проблемы.
Однако для Украины вопрос о «водородной экономике» приобретает особую актуальность по самой своей сути. Положение в экономике Украины предопределяется в основном двумя неблагоприятными факторами:
- преобладающая доля ВВП формируется за счет экспорта продукции энергоемких базовых отраслей промышленности с незавершенным циклом производства в виде сырьевых товаров с низкой степенью переработки и добавленной стоимости [13];
- избыточная энергоемкость указанных производств в условиях недостаточной собственной ресурсной базы покрывается преимущественно импортными энергоносителями, а оплачивается солидарными расходами всех отраслей производственной и непроизводственной сферы, и в первую очередь рядовыми налогоплательщиками [3].
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (100) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Энергоемкость продукции металлургических предприятий Украины, как известно, в 2-2,5 раза выше энергоемкости аналогичной продукции стран Европы и мира. Годовое потребление электроэнергии только предприятиями с полным металлургическим циклом составляет около 50 млрд кВт-ч, а различных видов топлива - порядка 40 млн т условного топлива (у .т.) [14].
Химическая отрасль, вторая по объемам потребления энергоресурсов, в год использует более 12 млн т у.т. [14]. Топливоемкими являются производство глинозема, на одну тонну которого затрачивается 3 т у.т., производство цемента, кирпича, стекла и др., которые в совокупности сжигают более 5 млн т у.т., причем преимущественно - природного газа [15, 16].
В то же время экспорт недрагоценных металлов в прошлом году составил 34,5% от всего товарного экспорта. Доля экспорта минеральных продуктов (цемент, руды, энергетические материалы и т.п.) за тот же период - 13,3%, экспорта химической продукции - 6,7%. Вместе это 54,5% от украинского экспорта товаров [13].
Таким образом, преобладающая экономическая схема выглядит так: завозят энергоносители (закачивают природный газ) - сжигая энергоносители, изготавливают (варят или выпекают) продукт - продукт вывозят. В «сухом» остатке Украине достаются отвалы, шламовые поля, выбросы и другие отходы несбалансированного энерготехнологического комплекса.
Продолжение «развития» в том же направлении, очевидно, ведет в тупик. Куда же сворачивать?
Наращивание мощностей атомной энергетики принесет больше проблем, чем решит вопросов, хотя бы из-за исчерпания возможностей размещения охлаждающих водоемов и гидроаккумулирующих станций, без которых функционирование АЭС практически невозможно [17, 18], не говоря уже про Чернобыль и Фукусиму [19].
Последним оплотом для энергетики и экономики Украины, как полагают авторы [20], являются морские месторождения - единственный резерв прироста добычи нефти и природного газа. На суше их активные запасы выработаны на 80%, и особого пополнения ожидать уже не приходится. Поэтому в плане обеспечения основным энергетическим сырьем собственной добычи, а значит, и обеспечения энергетического суверенитета, вся страна с надеждой смотрит на Черноморский шельф и акваторию Азова.
По этому поводу принято (и отменено) немало принципиальных и стратегических решений, даже трубы на многие миллионы закупили. Хочется думать, что этим трубам не придется ржаветь без дела. Хотя до сих пор над планами освоения морского шельфа висел злой рок - им еще ни разу не суждено было сбыться. Это притом, что редко какой отраслевой проект имеет столько расписанных государственных программ и громких анонсов на самых высо-
ких уровнях. Тем не менее, политика государства в области разработки черноморских углеводородных ресурсов так и не определена. В результате нет ни законодательного, ни финансово-экономического, ни методологического обеспечения реализации этой действительно важнейшей для страны энергетической задачи, поэтому пока что украинский шельф -«непаханое поле» и предмет громких политических и конкурентных разборок.
Остается единственная и неизбежная альтернатива - формирование нового энерготехнологического комплекса на основе возобновляемых источников энергии, максимально адаптированного ко всей существующей инфраструктуре энергетической и производственной сферы [2, 4, 5, 7, 10].
Ключом, которым открывается этот магистральный путь, как раз и является водородный цикл, используемый в качестве своеобразного «адаптера» -энерготехнологической цепочки для согласования физико-химических параметров первичных источников и разнообразных технических средств производства [2, 4-7, 10].
Причем речь идет не о простом количественном наращивании числа энергетических установок с возобновляемыми источниками, водородными генераторами и аккумуляторами, не только о расширении масштабов проведения энергосберегающих мероприятий на отдельных предприятиях, но и о коренном изменении концепции трансформации структуры энергетической сферы и составляющих энергетического баланса.
Стратегической установкой такой концепции является создание нового экономического и структурного подхода к производству и потреблению энергии - организация производства водорода в промышленных масштабах и тотальное замещение водородом сжигаемых органических видов топлив. При таком подходе водороду необходимо сообщить основные технологические свойства, присущие традиционным ископаемым энергоносителям: возможность накопления и хранения (складирования), транспортабельность и доступность.
Обеспечить выполнение указанных задач смогут энергогенерирующие и сетевые компании, которые будут производить и транспортировать не только электричество, в их функции войдут производство водорода и других энергоносителей на его основе, их транспорт, хранение и распределение, децентрализация энергоснабжения, а также производство и распределение пресной воды [6].
В силу указанных требований производство водорода и технологических средств его использования необходимо трансформируется из отдельных вспомогательных участков и цехов в масштабную индустрию, становление которой потребует вовлечения в хозяйственный оборот многих других отраслей промышленности, способствуя формированию новых производственно-кооперационных связей и завершенных производственных циклов.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
По мере утверждения «водородно-экономических отношений» нефть и газ будут сохраняться для неэнергетических производств, а атмосфера очищаться от вредных выбросов продуктов сгорания.
В Украине же на этом направлении, по обыкновению, царит покой - даже в программном энергетическом документе «Энергетическая стратегия Украины на период до 2030 г.», утвержденном КМУ в 2006 г., с последующими дополнениями от 2010 г., о водороде и водородной энергетике нет никакого упоминания.
Видимо, поэтому исследования в области водородных технологий находятся в Украине пока что в зачаточном состоянии, несмотря на то, что они проводятся уже в течение продолжительного времени. Среди причин, которые препятствуют активизации работ по водородной энергетике в Украине, можно назвать:
- отсутствие стратегии развития водородной энергетики как энергетики ХХ1 столетия, национальной программы по разработке и производству водородных энергетических установок, а также соответствующей законодательной базы;
- отсутствие целевого государственного финансирования фундаментальных и прикладных исследований и разработок в области водородной энергетики;
- неготовность частного бизнеса к субсидированию фундаментальных и прикладных исследований;
- отсутствие четкой государственной политики и реальной поддержки работ по экологически чистым ресурсо- и энергосберегающим технологиям.
На самом же деле в Украине существуют вполне реальные предпосылки для ускоренного выхода на магистральное направление развития в энергетической политике современной глобализованной экономики:
- на действующих АЭС уже сегодня существует инфраструктура, персонал и опыт использования водорода в производственном режиме;
- регулярные колебания потребления электроэнергии предоставляют достаточный ресурс избыточной мощности АЭС для производства водорода, который можно наращивать потенциалом возобновляемых источников, в частности, ветровых, и солнечных энергетических установок [1, 21];
- предприятия газотурбинного машиностроения способны в кратчайший срок адаптировать свои установки к работе на водороде и газоводородных композициях;
- имеющиеся ответвления отечественной газотранспортной системы, которые могут высвобождаться по мере сокращения потребления импортированного газа, целиком пригодны для приспособления их к перекачиванию водорода, в том числе - переоснащение под водород газотурбинных компрессорных станций [19];
- отечественные научные работники и инженеры (Институт возобновляемой энергетики и Институт электродинамики НАН Украины, Национальный университет «Киевский политехнический институт»)
наработали совместно с датскими партнерами более чем десятилетний опыт создания и эксплуатации ветроводородных электростанций мощностью от 100 кВт, которые вырабатывают горючее для автотранспорта и электроэнергию [21];
- проведены многолетние испытания и накоплен опыт эксплуатации автомобилей, переоснащенных для работы на бензоводородном и водородном топливе (Институт проблем машиностроения им. А.М. Подгорного НАН Украины, Харьковский национальный автодорожный университет) [22].
Оценка возможностей замещения потребного
природного газа ресурсами ветросолнечного энергетического потенциала с водородным циклом
Основополагающим для такой оценки все же является вопрос о первичных энергетических ресурсах, необходимых для реализации вышеупомянутой стратегической установки - что это за ресурсы и в каком объеме потребуется их извлечение?
Очевидно, ориентироваться целесообразно, прежде всего, на замещение той части импортируемого постоянно возрастающего в цене природного газа, которая расходуется промышленностью на производство экспортной продукции.
Приведенные выше данные позволяют оценить ее в 12-13 млн т у.т., или примерно 11 млрд м3 газа. На основании объемного топливного эквивалента водорода его потребное количество для замещения указанного объема природного газа следует определить на уровне 30-32 млрд нм3.
Однако в ряде химических производств и металлургии водород, получаемый из природного газа, непосредственно используется как реагент (для синтеза аммиака в объеме 6-7 млрд нм3), поэтому соответствующая доля водорода должна рассчитываться не по топливному, а по технологическому эквиваленту. Тогда необходимый объем замещающего водорода составит величину порядка 26-28 млрд нм3.
Какие имеются возможности для получения такого количества водорода, из какого сырья, какими способами? Из числа возможных видов сырья сразу следует исключить природный газ, для замещения которого, собственно, и предназначается водород, а из числа возможных способов - термические технологии, основанные на сжигании топлива. Тогда выбор оказывается весьма ограниченным, фактически предопределенным - из освоенных технологий в нужном объеме водород можно получать лишь электролизом воды, хотя в перспективе возможно вовлечение в энерготехнологический оборот новых неорганических ресурсов.
Определившись с типом производственной технологии получения (добычи) водорода, имеем возможность рассчитать необходимые характеристики первичных возобновляемых источников энергии, ресурсом которых предполагается обеспечить реализацию задекларированной концепции.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (100) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
К настоящему времени промышленностью освоены, производятся и применяются различные типы и модификации электролизного оборудования, основной характеристикой которых являются удельные затраты электрической энергии на единицу объема (или массы) вырабатываемого водорода. Этот показатель варьируется от 5 кВт-ч у «традиционных» электролизеров уральских заводов до 4 кВт-ч и ниже у лучших образцов зарубежного оборудования. Приняв средний показатель на уровне 4,5 кВт-ч/нм3 Н2, получим необходимое количество электроэнергии: 117-125 млрд кВт-ч в год. Имеются ли в наличии такие ресурсы ВИЭ, за счет которых возможно ее получить?
Согласно данным [3], технический потенциал ветровой и солнечной энергии в Украине превышает 20 млн т у.т., в том числе технически реализуемо создание ветроэнергетических мощностей более 25 млн кВт, выработка которых может обеспечить (с учетом коэффициента использования номинальной мощности на уровне 0,3) около 70 млрд кВт-ч в год.
По другим расчетам для выработки 120 млрд кВт-ч только с помощью имеющихся типов фотоэлектрических преобразователей в климатических условиях Украины достаточно задействовать не более 1000 кв. км (100 тыс. га) площади необрабатываемых земель общего назначения (для сравнения -площадь пахотных земель составляет 365 тыс. кв. км) [4].
Таким образом, даже без привлечения других видов возобновляемой энергии (например, геотермальной, потенциал которой достаточно велик - более 10 млн т у. т.) имеющихся ресурсов возобновляемой энергии для решения задачи замещения водородом около четверти импортируемого объема природного газа представляется достаточным.
Однако исследования [3, 23] показали, что преобладающая доля ветросолнечного энергетического потенциала Украины сосредоточена в сравнительно узкой прибрежной зоне 5 южных областей и Крыма совокупной площадью менее 100 тыс. кв. км. Но именно в этих регионах имеет место наибольшая концентрация индустриально-урбанизированных территорий, а также обрабатываемых земель сельскохозяйственного назначения, так что степень хозяйственного освоения территорий здесь очень высока - 90-95%. При этом сельскохозяйственное освоение земель превышает 70% [24].
Кроме того, следует учесть, что для поддержания нормального функционирования экосистем любого региона площадь «диких», не поврежденных человеческой деятельностью территорий должна составлять не менее 12-15% общей площади территории. Много развитых стран, придавая большое значение этому факту, довели площади заповедных территорий до 15-18%, а для Украины этот показатель равен, точнее, едва дотягивает в среднем до 2% (наиболее высокий 4-5% - Западная Украина, наименьший -Центральная и Восточная Украина - 0,2-1%) [24].
В свете этих обстоятельств изыскание подходящих площадок для размещения крупных ветросол-нечных энергетических комплексов с водородным циклом и реализации масштабных энерготехнологических инвестиционных проектов может вызвать определенные трудности.
Наряду с земельными осложнениями принципиальное значение для очерченной территории, которая относится к засушливой и вододефицитной зоне, приобретает вопрос обеспечения электролизного процесса водным ресурсом, ибо при удельном расходе около 1 л воды на каждый нм3 водорода ее потребуется ни много ни мало - 25 млн м3.
Такой объем приближается к полной емкости водохранилища самой крупной в Украине Днестровской ГАЭС [25]. Поэтому вопрос водообеспечения электролизных агрегатов водородного цикла в новой энерготехнологической стратегии также оказывается достаточно сложным.
Таким образом, при всей привлекательности освоения ветросолнечного энергетического потенциала, максимально приближенного к индустриально-урбанистическим конгломератам южного региона, где размещается наибольшая часть потребителей тепловой и электрической энергии, обозначенные ограничения требуют изыскания дополнительных направлений выхода на энерго- и водонасыщенные пространства.
Совершенно очевидно, что таким направлением является выход в море.
Энергия и водород из моря
Почему море? Потому что простор без преград, ничто никому не мешает, ни у кого ничего не отнимает... Потому что всегда ветер, солнце и многое другое... Ветер сильнее, солнце ярче, воды без меры.
Курс на оффшоры. Успех первых оффшорных ветряных электростанций, установленных на мелководье в прибрежной зоне, вызвал огромный интерес к использованию ветрового потенциала прибрежных зон, особенно после того, как количество подходящих для ветроэнергетики площадок на суше некоторых стран уменьшилось из-за повсеместной установки «сухопутных» ветряков [26-28]. В море ветер дует сильнее, а большинство стран Северной Европы обладает большими территориями мелководья, расположенными недалеко от береговой линии. Оба эти фактора имеют огромное значение для дальнейшего крупномасштабного развития оффшорной ветроэнергетики. Во-первых, увеличение средней скорости ветра на 10% может привести к возможному приросту выработанной энергии на 30%. Во-вторых, использование континентального шельфа глубиной до 30 м и расстоянием от берега до 30 км предполагает значительные экономические преимущества [29].
В Германии недавно запущена первая в мире морская ветроустановка мощностью 5 МВт. Ее габариты: высота башни - 126 м, длина лопасти - 61 м,
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
диаметр башни в основе - 12 м. Конструкция размещена в море на расстоянии 200 м от берега, основание находится на глубине 45 м. Стоимость сооружения составила более 5 млн евро.
В 2006 г. в Дании реализован проект самой большой в мире ВЭС морского базирования мощностью 166 МВт (рис. 1)... А мы возимся с мощностями до 600 кВт. И появляются хвалебные рецензии на установку ВЭУ-15... Давно забытый в Европе калибр, непригодный даже для небольшой фермы [30].
В недавно проведенном исследовании в рамках европейской программы по энергетике «Без атомной энергии» потенциал использования оффшорной ветроэнергетики в странах Евросоюза был оценен величиной, в два раза превышающей их современное потребление энергии.
Рис. 1. Оффшорная ветроэлектростанция в Дании Fig. 1. An offshore wind farm in Denmark
Кроме того, внедрение оффшорных технологий имеет меньше ограничений с точки зрения охраны окружающей среды, чем наземных, благодаря наличию огромных подходящих территорий и более мягких требований к шуму.
Хотя капитальные затраты на строительство ветряков морского базирования превышают затраты на строительство наземных, однако и производство энергии на оффшорных ветряках существенно выше. Поэтому сегодняшние инвестиции в эту технологию можно рассматривать как подготовку к огромному энергетическому рынку завтрашнего дня [29].
Рис. 2, взятый из [29], демонстрирует явную прогрессивную зависимость производимого морскими ветроустановками количества электроэнергии от дальности выхода в море.
(годовое потребление энергии 1767 ТВт ч)
Рис. 2. График годового потребления энергии Fig. 2. Schedule of annual energy consumption
К сожалению, сколь-нибудь представительных данных по интенсивности и продуктивности солнечной радиации в морских акваториях, аналогичных представленным на рис. 2, пока не накоплено.
Тем не менее, результаты ряда научных исследований дают основание представить природный механизм, обусловливающий столь перспективный эффект возрастания ветроэнергетического потенциала, и прогнозировать его проявление в параметрах производства энергии солнечными установками.
Лиманы и шельфы Украины. Естественный вопрос, а есть ли в Украине такие морские пространства, куда следует устремиться с оптимистическими оффшорными расчетами, целесообразно рассмотреть с самого ближнего рубежа суши и моря - лиманов.
Лиманом называют затопленную морем долину устьевой части реки в виде мелководного залива, отделенного от моря узкой песчаной косой. При полной изоляции от моря лиман превращается в соленое озеро.
Украинская часть черноморского побережья густо изрезана лиманами. Все лиманы мелководны, их максимальные глубины не превышают нескольких метров, лишь в отдельных местах достигая 8-10 м или даже 20-25 м; при этом ширина лиманов составляет от 1-1,5 до 15-18 км, а длина - в 4-5, по большей части в 7-10, а то и в 20 раз превышает ширину. Общая площадь зеркала лиманов близка к 2500 кв. км.
По-видимому, эти их морфометрические показатели и гидрографические особенности обусловливают то климатическое своеобразие лиманных областей, которое отмечено в [31].
Как там указано, климат этих областей формируется под воздействием и солнечной радиации, и атмосферной циркуляции. Атмосферная циркуляция играет основную роль в увлажнении и в значительной мере определяет температурный режим. Значительные отличия радиационного баланса суши и моря обусловливают особенности климата приморских районов. При суточных амплитудах температуры воздуха в 6 °С почти вся береговая зона (ширина ее равна глубине внедрения в сушу лиманов) находится под влиянием бризовой циркуляции. Последняя сглаживает суточные колебания температуры, в результате чего уменьшается облачность и количество осадков и, следовательно, увеличиваются радиационный баланс, суммарная радиация, влажность воздуха и скорость ветра [31].
Указанные тенденции, на наш взгляд, как раз и являются основой того природного механизма, что усиливает ветросолнечный потенциал ближней морской зоны: лиман работает как аэродинамическая труба и естественный концентратор солнечной радиации.
Таким образом, 2500 кв. км акваторий и побережья лиманов явно открывают дорогу к оффшорным ресурсам возобновляемой энергетики.
Однако следующий рубеж еще более обширен -самое мелководное в мире Азовское море имеет
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (100) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
площадь водного зеркала (без Сиваша и лиманов) 39 тыс. кв. км, из них не менее 25 тыс. кв. км являются украинской акваторией [32]. Его средняя глубина 8 м, максимальная - 15 м.
На рис. 3 приведена батиметрическая карта Азо-ва, из которой видно, что наиболее глубокая зона моря (более 12 м) охватывает не более четверти его площади.
Рис. 3. Батиметрическая карта Азова Fig. 3. Bathymetric map of Azov
Но стратегическая перспектива возобновляемой оффшорной энергетики Украины, естественно, ориентирована на Черное море.
По характеру рельефа Черное море можно разделить на мелководную область (от мыса Калиакра в Болгарии к мысу Тарханкут) и глубинную. Первая область достигает максимума ширины против Одессы (больше 200 км) и представляет собой материковую отмель, ограниченную изобатами 100-120 м, и осуществляет плавный уклон к центру моря. Вдоль гористых берегов материковая отмель также развита, но значительно более слабая (иногда всего до 1 км) [33].
Материковая, или континентальная отмель, в традиционном толковании - шельф, определяется как прибрежная часть морского дна до глубин 100 фатомов (600 футов = 183 м). На этих глубинах в мировом океане уклон дна чаще всего резко меняется. В Черном море перегиб дна обычно имеет место на глубине 90-110 м.
Ширина шельфа относительно невелика: узкая полоса от нескольких километров до нескольких десятков километров, на северо-западе - максимальна и достигает 200-250 км. Шельф расширяется также на северо-востоке моря - у Керченско-Таманского побережья.
Шельф занимает примерно 24% площади черноморского дна. Общий уклон соответствует общеокеаническим параметрам - не более 1,5-2". Иными словами, это очень пологая подводная равнина [32].
Рис. 4. Фрагмент карты шельфовой зоны с изобатой 50 метров Fig. 4. A map of the shelf zone from 50 meters isobath
На рис. 4 приведен фрагмент карты, где четко выделяется шельфовая зона с изобатой 50 метров.
Общая площадь черноморского шельфа в пределах Украины 48600 кв. км.
Итак, простора для оффшора в Украине предостаточно. Однако есть ли там энергия? Многолетние наблюдения и многочисленные исследования [23, 3437] со всей определенностью указывают на перспективность выдвижения в лиманы и на шельф ветро-солнечных энергетических комплексов.
Техника, технология, экономика. Отмеченные в [29] обстоятельства повышенных по отношению к наземным капитальных затрат на строительство морских ВЭС и ограничения по дальности их вынесения в море, связанные с передачей на береговые терминалы электрической энергии по подводным кабельным линиям, вызывают некоторую настороженность инвесторов и энергетиков. Однако непредвзятый анализ показывает целый ряд обстоятельств, которые представляют ситуацию с про-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
движением на шельф ветросолнечной энергетики совсем в ином свете.
Прежде всего, оснащение морских ветросолнеч-ных энергоустановок водородным циклом снимает всякую проблему транспортировки энергии до береговых терминалов: хоть трубопроводы укладывай (причем не 100-километровые, а многократно более короткие), хоть танкерами доставляй.
В последнем случае складывается вполне гармоничная логистика, если в качестве «танкеров» применить хорошо и давно отработанные конструктивные решения сухих газгольдеров высокого давления. Модернизированные под формат железнодорожных цистерн емкостью до 160 куб. м конструкции цилиндрических газгольдеров горизонтального исполнения (габаритом 3,2x22,5 м) в постройке будут не сложнее простейшей баржи и могут десятками в месяц изготовляться на простаивающих судостроительных заводах Украины. Собранная в «плот» сотня мини-«танкеров» буксируется к береговым терминалам и либо скачивает водород в генеральную емкость, либо становится (переваливается) на рельсы и отправляется к потребителям.
Следующая, кажущаяся достаточно сложной проблема связана с представлением о необходимости возведения на некоторой, пусть относительно небольшой глубине прочных оснований для установки ветросол-нечных энергоагрегатов типа стационарных морских платформ нефте- и газодобывающего профиля или сходных гидротехнических сооружений. Однако и в этом вопросе существует альтернативный путь - заякоренные железобетонные (композитные) доки, понтоны, искусственные плавучие острова площадью до 2,5 га постройки Херсонского завода «Паллада», которые используются во многих странах (России, Японии, Финляндии, Корее, Хорватии, Латвии) для разработки месторождений нефти и газа на шельфах Каспийского, Черного и других морей [38-40].
Удельная капиталоемкость таких плавучих платформ, целевым образом спроектированных для производства водорода за счет использования ветровой и солнечной энергии, в конечном счете оказывается существенно меньшей по сравнению с затратами на освоение земельных участков, отводимых под ветровую электростанцию, из которых только 1% территории реально используется под установку башен и подъездные пути. Чем выше и мощнее ветряки, тем большее расстояние необходимо между ними. Мега-ваттные машины должны быть разделены расстоянием в полтора километра. Территория между мощными ветряками не может использоваться ни под строительство зданий, ни под лесоводство. На морском пространстве этих ограничений не возникает.
Ко всему сказанному в пользу продвижения вет-росолнечной энергетики в огромный украинский оффшор можно добавить, что использование в водородном цикле электролизных технологий позволяет снять жесткие требования к качеству электрической энергии, которая потребляется лишь в виде постоян-
ного тока - ни частоты, ни гармоник, ничего лишнего. Это позволяет существенно упростить всю электрическую часть энергоустановки, даже генерирование можно возложить на простейшие по конструкции униполярные машины. В итоге стоимость основного оборудования энергетического комплекса может быть резко снижена.
Таким образом, в Украине существуют достаточные предпосылки для достижения сбалансированности энерготехнологического комплекса и преодоления сырьевой ориентации ее экономики.
Выводы
Серьезные проблемы экономики Украины обусловлены ее экспортно-сырьевой ориентацией и непомерной энергоемкостью всех сфер производства и систем жизнеобеспечения населения, которая покрывается огромной долей импортируемых энергоносителей - в первую очередь природного газа.
Поэтому для Украины в условиях недостатка собственных ресурсов традиционных энергоносителей становится актуальной стратегия «водородной экономики» - развертывание производства водорода в промышленных масштабах и внедрение водородных технологий во все сферы хозяйствования.
Преодоление неблагоприятных последствий хронической зависимости от импорта органических энергоносителей видится в их замещении водородом, по крайней мере, в объеме потребления экспортным сектором экономики.
Расчетами установлено, что производство потребного для этого количества водорода обеспечено наличными в Украине ресурсами возобновляемой, в первую очередь - ветровой и солнечной энергии. Особенности распределения этих ресурсов по территории Украины побуждают изыскивать дополнительные направления продвижения ветросолнечной энергетики с водородным циклом.
В последний период в ряде стран получила развитие тенденция к вынесению мощных единичных ветроэнергетических установок и ветроферм в море - в шельфовую (оффшорную) зону. Накопленные данные по эксплуатации таких установок свидетельствуют о прогрессивном характере нарастания ветроэнергетического потенциала и увеличения выработки электроэнергии по мере удаления от береговой черты.
Украина располагает обширными пространствами в акваториях Азовского моря, лиманов черноморского побережья и на шельфе Черного моря, которые оказываются весьма перспективными для продвижения оффшорных ветросолнечных энергетических комплексов с водородным циклом, связанных с береговой инфраструктурой гибкими транспортными коммуникациями.
Производственно-технологической базой для реализации концепции служат такие развитые отрасли промышленности Украины, как металлургия, энергетическое и химическое машиностроение, судостроение и другие.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (100) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Список литературы
1. Кривцова В.И., Олейников, А.М. Яковлев А.И. Неисчерпаемая энергия. Кн. 4. Ветроводородная энергетика: учебник. Харьков: Нац. аэрокосмический ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2007.
2. Андреев В.М., Забродский А.Г., Когновицкий С. О. Интегрированная солнечно-ветровая энергетическая установка с накопителем энергии на основе водородного цикла // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2007. № 2. С. 99-105.
3. Енергоефектившсть та вщновлюваш джерела енерги / Шд заг. ред. А.К. Шидловського. К.: Украшсьш енциклопедичш знання, 2007.
4. Прохоров И.Ю., Акимов Г.Я. Фотоэнергетика и водородная энергетика: возможности и достижения // Наука та шновацп. 2009. Т. 5, № 6. С. 11-24.
5. Елагин Ю.П. Роль энергетики в водородной экономике // Атомная техника за рубежом. 2006. № 8.
6. Пономарев-Степной Н.И., Столяревский А.Я. Атомно-водородная энергетика // Альтернативная энергетика и экология - 181АЕЕ. 2004. № 3. С. 5-10.
7. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику / под ред. В. А. Легасова. М.: Энергоатомиздат, 1984.
8. Пономарев-Степной Н.Н., Пахомов В.В. Водородная экономика и будущее человечества. 2007. http://www.inrus.com/index.php?section=docsys&cmd= ае1аШ&1а=30.
9. V международная конференция «Водородная экономика и водородная обработка материалов», Донецк, 2007. http://donntu.edu.ua/hydrogen-community/.
10. Запорожець Ю.М., Кудря С.О. Кроки до воднево! економши // Вщновлювана енергетика XXI столггтя. XI м1жнародна науково-практична конференщя, 2010. С. 82-85.
11. Кузык Б.Н., Кушлин В.И., Яковец Ю.В. На пути к водородной энергетике. М.: Институт экономических стратегий, 2005.
12. Гольцов В., Гольцова Л., Везроглу Н. Водородная экономика: история, современность, перспективы // Вторая международная конференция «БЕРЛИН-ПМ'2006». http://www.vebro.ru/M5.htm.
13. Кашуба А. Украинская экономика дистрофической была, есть и будет. По матер. УНИАН, 05.01.2011. http://news.finance.ua/ru/~/2/0/all/2011/01/ 05/222913.
14. Грищенко С. Г. Текущие показатели работы отрасли и перспективы освоения новых технологий . горнометаллургического комплекса Украины. Выступление на конференции 1ТМк3Я. http://haresengineering.net/reports/Grishenko.doc.
15. Розмщення продуктивних сил / Шд ред. В.В. Ковалевського, О.Л. Михайлюк, В.Ф. Семенова. К.: «Знання», 1998. С. 147.
16. Алексеев Б.В. Технология производства цемента. М.: Высш. школа, 1980.
17. Виноградов Д.В. Современное состояние водородной энергетики // Вопросы атомной науки и
техники. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15). С.153-155 .
18. Вихорев Ю.А. Проблема покрытия пиковых загрузок. О способах решения // Электрические сети и системы. 2005. № 2. С. 3-6 .
19. Фукусима: Я еще покажу вам «Кузькину мать»! http://h.ua/story/329773/.
20. Исаченко С. Последний оплот // Украинская техническая газета. 2011. № 4. 8 февраля.
21. Мхггарян Н.М., Кудря С.О., Яценко Л.В. та ш. Розвиток воднево1 енергетики в Украш // Вщновлювана енергетика XXI столггтя. IX м1жнародна науково-практична конференщя, 2008. С. 24-29.
22. Канило П.М., Шадрина М.В. Анализ эффективности и перспектив применения водорода на автомобильном транспорте // Проблемы машиностроения. 2006. Т. 9, № 2.
23. Атлас енергетичного потенщалу ввдновлю-ваних та нетрадицшних джерел енерги Украши / НАН Украши. К.: 1н-т електродинамiки, 2007.
24. Экологические проблемы Украины. http://www.coralintech.com/index.php?ln=rus&id=2&pi d=58.
25. Поташник С.И., Рассовский Б.Л., Жук А.П., Мартинчик В.Ф., Бондаренко Ю.Н. Пуск первого гидроагрегата Днестровской ГАЭС // Пдроенер-гетика Украши. 2009. № 3. С. 6-16.
26. США. Ветроэлектростанции - энергия ветра (часть 2). Ветроэлектростанции для использования ветровой энергии на расстоянии от берега и в глубинных водах.
http://www.immigrantclub.net/wind_power.php.
27. The UK is the world's largest offshore wind energy nation. http://www.statkraft.com/presscentre/ news/the-uk-is-the-worlds-largest-offshore-wind-energy-nation.aspx.
28. First foundation installed at sheringham shoal. http://www.statkraft.com/presscentre/news/2009/first-foundation-installed.aspx.
29. Оффшорные ветроэлектростанции или ВЭС морского базирования. http://www.teplonasos.com/ru/ raznoe/drugie-istochniki-energii/veter.html.
30. Мечта о ветре и грусть об украинской ветроэнергетике. По материалам сайта: http://h.ua. http://alternativnajaenergija.blox.ua/2009/08/Mechta-o-vetre-i-grust-ob-ukrainskoj.html.
31. Молодых И.И., Усенко В.П., Палатная Н.Н. и др. Геология шельфа УССР. Лиманы. Киев: Наукова думка, 1984.
32. Шнюков Е.Ф., Зиборов А.П. Минеральные богатства Черного моря. К.: НАН Украины, 2004.
33. Добровольский А.Д., Залогин Б.С. Моря СССР. М., 1982.
34. Наумова В.А., Евстигнеев М.П. и др. Ветро-волновые условия азово-черноморского побережья Украины // Наук. ^am УкрНДГМ1. 2010. Вип. 259.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
35. Репетин Л.Н., Белокопытов В.Н. Режим ветра над побережьем и шельфом северо-восточной части Черного моря // Наук. пращ УкрНДПШ. 2008. Вип. 257.
36. Лопатухин Л.И., Рожков В. А. Ветер и волны в морях и океанах. Справочные данные. Регистр СССР / Давидан И.Н. Л.: Транспорт, 1974.
37. Запорожець Ю.М. Дослвдження можливостей створення автономних систем безперебшного енер-гозабезпечення автоматичних станцш регулювання руху суден на основ1 вщновлювальних джерел у зонах !х розташування // Техн. звгг, держ. обл1ковий № 02084005674, 1ВЕ НАНУ. К.: 2008.
38. Кульмач П. П. Якорные системы удержания плавучих объектов. Л.: Судостроение, 1980.
39. Сичкарев В.И., Акулиничев В.А. Волновые энергетические станции в океане. М.: Наука, 1989.
40. Продукция ХПЗ «Паллада». http://www.pallada-doc.com/ru/main/39/; http://www.pallada-doc.com/.
41. Васько П.Ф., Постников В.И. Научно-технические разработки гидроаккумулирующих электростанций для аккумулирования энергии ветра // Вщ-новлювана енергетика XXI столитя. IX м1жнародна науково-практична конференщя, 2008. С. 202-203.
42. Волощенко Г.Н., Кухаркин Н.Е., Пахомов В.П. Использование возобновляемой энергии на газопроводах с целью экономии природного газа // Альтернативная энергетика и экология - ШЖББ. 2009. № 5. С. 74-77.
43. Запорожець Ю.М., Пундев В.О. та шш. Можливоси створення морських шверсних ГАЕС // В1дновлювана енергетика XXI столитя. XI м1ж-народна науково-практична конференщя. 2010. С. 280-282.
44. Мордкович В.З. Трезвый взгляд на водородную энергетику // Химия и жизнь. 2006. № 5. С. 8-11.
45. Темеев А.А., Белокопытов В.П. и др. Производство водорода и сопутствующих продуктов путем электролиза морской воды // Наука и техника в газовой промышленности. 2008. № 3.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (100) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
