CC BY
2ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ - ОСНОВА УСТОЙЧИВОГО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Исаев Р. И
Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий,
профессор https://doi.org/10.5281/zenodo.10719651 Аннотация. В статье приведены проблемы устойчивого энергообеспечения объектов цифровых технологий, энергетической и экологической безопасности. Обоснованы актуальность применения возобновляемых источников энергии - автономных гибридных солнечно-ветровых систем электрической энергии с накопителями электрической энергии для устойчивого энергообеспечения объектов телекоммуникации и информационно-коммуникационных технологий. Предложен автономный гибридный солнечно-ветровой комплекс с накопителем электрической энергии (аккумуляторы, суперконденсаторы и водородные генераторы). Производство экологически чистого топлива -водорода удельный вес, которого в топливно-энергетическом балансе является соизмеримым с удельным весом органического топлива. Предложен автономный технический комплекс для производства экологически чистого водорода с последующим широкого использованием его в качестве источника энергии. Электроснабжение автономного технического комплекса полностью базируется на автономной гибридной солнечно-ветровой электростанции, который функционирует в зонах отсутствия инфраструктуры.
Ключевые слова: цифровые технологии, телекоммуникации, информационные технологии, возобновляемые источники энергии, накопитель электрической энергии, автономная гибридная солнечно-ветровая электростанция, водородный генератор, автономный технический комплекс.
Annotatsiya. Maqolada raqamli texnologiyalar ob 'yektlarini barqaror energiya bilan ta 'minlash, energiya va ekologik xavfsizlik muammolari keltirilgan. Qayta tiklanadigan energiya manbalari - telekommunikatsiya vositalari va axborot-kommunikatsiya texnologiyalarini barqaror energiya bilan ta'minlash uchun elektr energiyasini saqlash moslamalari bo'lgan avtonom gibrid quyosh-shamol elektr energiyasi tizimlaridan foydalanishning dolzarbligi asoslab o 'tilgan. Elektr energiyasini saqlaydigan (batareyalar, superkondensatorlar va vodorod generatorlari) avtonom gibrid quyosh-shamol majmuasi taklif etilgan. Ekologik toza yoqilg'i -vodorodni ishlab chiqarish - yoqilg'i-energetika balansida organik yoqilg'ining solishtirma og'irligi bilan taqqoslasa bo'ladi. Ekologik toza vodorod ishlab chiqarish va undan keyinchalik energiya manbai sifatida keng foydalanish uchun avtonom texnik majmua taklif qilinmoqda. Avtonom texnik majmuaning elektr ta'minoti to'liq infratuzilmaga ega bo'lmagan hududlarda ishlaydigan avtonom gibrid quyosh-shamol elektr stansiyasiga asoslangan.
Kalit so'zlar: raqamli texnologiyalar, telekommunikatsiyalar, axborot texnologiyalari, qayta tiklanadigan energiya manbalari, elektr energiya saqlagichi, avtonom gibrid quyosh-shamol elektr stansiyasi, vodorod generatori, avtonom texnik majmua.
Abstract. The article presents the problems of sustainable energy supply for digital technology objects, energy and environmental safety. The relevance of the use of renewable energy sources - autonomous hybrid solar-wind electric energy systems with electric energy storage devices for sustainable energy supply of telecommunications facilities and information and
communication technologies - is substantiated. An autonomous hybrid solar-wind complex with electrical energy storage (batteries, supercapacitors and hydrogen generators) is proposed. Production of environmentally friendly fuel - hydrogen, the specific weight of which in the fuel and energy balance is commensurate with the specific weight of organic fuel. An autonomous technical complex is proposed for the production of environmentally friendly hydrogen with its subsequent widespread use as an energy source. The power supply of the autonomous technical complex is entirely based on an autonomous hybrid solar-wind power plant, which operates in areas without infrastructure.
Keywords: digital technologies, telecommunications, information technologies, renewable energy sources, electrical energy storage, autonomous hybrid solar-wind power plant, hydrogen generator, autonomous technical complex.
Преодоление старой модели ресурсоемкой экономики, приводящий к увеличению расходов и снижения производительности, росту негативного воздействия на энергетическую безопасность и на окружающую среду - одна из острых проблем современности.
Сегодня многие страны мира активизируют свою политику энергетической и экологической безопасности с целью перехода от традиционной модели развития, при которой энергетическая безопасность и экология признана двигателем развития, то есть «зеленая» экономика - это один из путей развития, способный вернуть мировой экономической и финансовой системам - устойчивость и стабильный рост развития.
В упрощенном понимании «зеленая» экономика - это экономика с эффективным использованием природных ресурсов (энергии солнца, энергии ветра, электролиз воды для получения водорода), широкое использование гибридных солнечно-ветровых электростанций, ресурсосберегающих технологий.
Исследование и разработка автономной гибридной солнечно-ветровой электростанции с накопителем электрической энергии (кислотные аккумуляторные батареи) началось в 1982 году в научно-исследовательской лаборатории «Волоконно-оптическая связь» открытой в 1977 году при Ташкентском электротехническом институте связи (ТЭИС - ныне Ташкентский университет информационных технологий (ТУИТ) имени Мухаммада ал-Хоразмий) под руководством автора статьи. Эта лаборатория выполняла работы по разработке эффективных методов и средств для технической эксплуатации волоконно-оптических магистралей различной протяженности. Для этих целей была разработана система телеконтроля и телеуправления волоконно-оптических линий передачи.
Министерство связи бывшего СССР разработал совершенно секретный проект «Разработка и строительство волоконно-оптической магистрали связи между городами Москва - Находка». Совершенно секретность заключалось в том, что в волоконно-оптическом кабеле не должно было быть металлических составляющих, чтобы не было видно трасса прохождения кабеля из космоса. В данном проекте ТЭИС был исполнителем в части разработки и реализации методов технической эксплуатации волоконно-оптической магистрали связи. Исполнителем проекта была научно-исследовательская лаборатория «Волоконно-оптические системы связи». Сотрудники лаборатории были подключены к группе проектировщиков, чтобы изучить трассу прохождения волоконно-оптической магистрали связи. В проекте было установлено, что через каждые 100 км магистрали связи
должны были устанавливаться ретрансляторы. Поскольку магистраль проходил по местностям, где вообще нет доступа к электрической энергии, автор статьи совместно с лабораторией Физико-технического института (г. Санкт-Петербург), руководитель лаборатории Алферов Ж. И. (в последствии стал лауреатом Нобелевской премии) и научно-производственной организацией «ВетроЭН» (г. Реутов, Московская область) была разработана и изготовлена первая автономная гибридная солнечно-ветровая электростанция с накопителем электрической энергии (кислотные аккумуляторы) на 24 В, 250 Вт. В 1986 году в сентябре месяце станция была построена в зоне отдыха ТЭИС (Ташкентская область, Бостанлыкский район, село Хондайлык) и в этом же году в течение месяца проводились опытные испытания и Государственная комиссия Министерство обороны бывшего СССР приняла решение о передаче законченного проекта автономный гибридный солнечно-ветровой электростанции с накопителем электрической энергии (кислотные аккумуляторы) для производства в Научно-производственном объединение «Дальная связь» (г. Санкт-Петербург).
В настоящее время данный объект был реконструирован компанией ООО «АТЕТМ» (Центр технологий связи и чистой энергии) на автономную гибридную солнечно-ветровую электростанцию с накопителем электрической энергии (гелиевые аккумуляторные батареи) с мощностью 2 кВТ, с напряжением 220 В для освещения территории зоны отдыха ТУИТ имени Мухаммада ал-Хоразмий.
В 2000 году по гранту Европейской комиссии Центр научно-технических и маркетинговых исследований (ЦНТМИ) под руководством автора статьи и с участием компаний Франции («Арминес») и Португалии была построена на объекте «Чарвак» (рядом с теле-радиовещательной станцией «Чарвак») 5-ти киловаттная автономная гибридная солнечно-ветровая электростанция с накопителем электрической энергии (литиевые аккумуляторные батареи). Солнечная электростанция имела мощность 6 кВт (Французская компания), ветрогенератор на 3 кВт (Американская компания), аккумуляторные батареи (Германия). Электростанция была оснащена автоматизированной системой регистрации вырабатываемой мощности электроэнергии.
На рис. 1 приведена автономная гибридная солнечно-ветровая электростанция на 5 кВт на объекте «Чарвак».
Рис. 1. Автономная гибридная солнечно-ветровая электростанция на 5 кВт на объекте «Чарвак»
На объекте «Чарвак» в течение 4-х лет проводились круглосуточные автоматические измерения и регистрация вырабатываемых мощностей отдельно солнечной электростанции, ветровой электростанции и автономной гибридной солнечно-ветровой электростанции.
В мае 2002 года при поддержке отдела науки и технологии НАТО под руководством автора статьи (ЦНТМИ) был проведен Международный симпозиум (Гибридные солнечно-ветровые системы. Условия эффективного применения) с участием более 30 стран мира.
На рис. 2 приведены гистограммы вырабатываемой мощности солнечной электростанции в период 2001-2004 годах.
Рис. 2. Гистограммы вырабатываемой мощности солнечной электростанцией на объекте «Чарвак»
На рис. 3 приведены гистограммы вырабатываемой мощности ветровой электростанции в период 2001-2004 годах.
Рис. 3. Гистограммы вырабатываемой мощности ветровой электростанцией на объекте «Чарвак»
На рис. 4 приведены гистограммы вырабатываемой мощности автономной гибридной солнечно-ветровой электростанции в период 2001-2004 годах.
Рис. 4. Гистограммы вырабатываемой мощности автономной гибридной солнечно-ветровой электростанцией на объекте «Чарвак»
В 2014 году международная организация International Telecommunication Union (ITU) объявил конкурс по устойчивому энергообеспечению объектов телекоммуникации удаленных от промышленных электрических сетей сельских регионов с использованием возобновляемых источников электроэнергии. На конкурсе компания ООО «ATETM» была признана победителем. Объектом для внедрения автономной гибридной солнечно-ветро-дизельной электростанции на 10 кВт с накопителем электрической энергии (литиевые аккумуляторные батареи) был выбран объект телекоммуникации «Замбар» удаленный от промышленной электрической сети.
В данном проекте был использован ветрогенератор с вертикальной осью вращения на вырабатываемую мощность 10 кВт, солнечная электростанция на 10 кВт, дизель генератор на 10 кВт, аккумуляторные батареи на 5 кВт.
Необходимо особо отметить, что в течение 8 лет в этой станции резервный дизель генератор не был задействован из-за того, что солнечно-ветровая электростанция обеспечивала устойчивое энергообеспечение объекта.
На рис. 5, 6 приведены автономная гибридная солнечно-ветровая электростанция на 10 кВт на объекте «Замбар».
На рис. 7 показана время презентации объекта с участием господина Брахима Сану - директора бюро развития ITU, профессор Исаев Р. И. - компания «ATETM» и господин Кайыков О. - представитель ITU-отделение стран СНГ.
В настоящее время компания «ATETM» внедрила в более 200 объектах телекоммуникации и выполняет функции технического обслуживания, разработала систему мониторинга автономных гибридных солнечных, солнечно-ветровых и солнечно-ветро-дизельных электростанций.
Рис. 5, 6. Автономный гибридный солнечно-ветро-дизельная электростанция на 10 кВт на объекте «Замбар»
Рис. 7. Г-н. Брахима Сану (ITU-UN), Проф. Р. Исаев (АТЕТМ), г-н. О. Кайыков (ITU-отделение для СНГ)
Особую роль в процессе перехода энергетического сектора Узбекистана к «зеленой» экономике играет развитие возобновляемых источников энергии.
В современных условиях вопрос обеспечения энергетической безопасности становится одним из важнейших приоритетов любого государства. В настоящее время ископаемые виды топлива - уголь, нефть, природный газ и уран являются основой мирового энергетического баланса, хотя их запасы ежегодно сокращаются по мере их разработки и использования. На сегодня объем ежегодно сжигаемого органического топлива в мире равняется примерно эквиваленту 13 млрд. тонн нефти, или на каждого человека планеты приходится около двух тонн нефтяного эквивалента. За последние 40 лет, объем добытого органического топлива в мире превысил объём его добычи за всю предыдущую историю человечества.
Несмотря на то, что сейчас на мировом рынке происходит тенденция снижения потребления жидкого углеводорода, при современном уровне потребления энергоресурсов, мировых запасов нефти едва хватит на несколько десятков лет. Учитывая дальнейшее развитие цифровой экономики, рост населения и сложившийся традиционный способ энергообеспечения, потребление энергоресурсов соответственно возрастет. Вместе с тем, в последние десятилетия, за счет массового использования традиционных углеводородных ресурсов на планете возникли глобальные экологические проблемы. Среди них - изменение климата, разрушение озонового слоя и др. По имеющимся оценкам, ежегодный только промышленный выброс углекислого газа в атмосферу превышает 7 млрд. тонн, а окиси углерода - сотни миллионов тонн. В мире объем вредных выбросов по сравнению с 50-ми годами увеличился в 3,7 раза и имеет устойчивую тенденцию к росту.
В условиях истощения мировых запасов углеводородного сырья, усугубления глобальных экологических проблем все большее значение приобретает развитие альтернативной энергетики с расширением использования возобновляемых источников энергии. Развитие и использование возобновляемых источников энергии в мире становится безусловным фактором инновационного развития. В частности, ведет к формированию новой технологической базы генерации электроэнергии и тепла, повышает энергоэффективность электроэнергетики, создает новые рабочие места, повышает качество жизни людей: улучшаются экологические условия, снижаются угрозы техногенных катастроф.
В связи с этим, в разработанных стратегиях экономического развития, ведущие страны ставят задачу достижения к 2030 году до 30-40 процентов и более доли возобновляемых источников энергии в общем объеме вырабатываемой электроэнергии.
Узбекистан, при нынешних объемах добычи и потребления теплоэнергетических ресурсов, будет обеспечен энергоресурсами на несколько лет. В структуре первичных топливно-энергетических ресурсов Республики Узбекистан 95 процентов занимает нефть и газ. Вместе с тем, фактор ресурсной ограниченности углеводородных источников энергии, масштабы и темпы их истощения побуждают принять необходимые меры, чтобы войти в состав ведущих стран развивающих альтернативную энергетику. Внедрение возобновляемых источников энергии является одним из важнейших приоритетов на пути перехода экономики страны на инновационные рельсы и экологически чистые технологии.
Согласно экспертным оценкам, возможности использования возобновляемых источников энергии у нас в стране приравниваются к эквиваленту 51 млрд. тонн нефти. Существующие на сегодня технологии позволяют получить энергию, эквивалентную 179 млн. тонн нефти, что почти в три раза превышает объем добываемого в республике топлива,
а также предотвратить выбросы 447 млн. тонн углекислого газа, сернистых соединений, оксида азота и других загрязняющих веществ.
В целях создания правовых основ, системного закрепления приоритетных направлений и комплекса мер государственной политики в области использования возобновляемых источников энергии, повышения энергоэффективности в отраслях экономики, социальной сфере и уровня диверсификации топливно-энергетического баланса, финансового стимулирования производителей ВИЭ, а также укрепления энергетической безопасности страны в 2019 году принят Закон Республики Узбекистан «Об использовании возобновляемых источников энергии».
В связи с истощением запасов углеводородного сырья во всем мире идет интенсивная работа по поиску альтернативных источников энергии и энергоносителей. На сегодняшний день является актуальным перевод двигателей внутреннего сгорания на водородное или бензино-водородное композиционное топливо. На всемирном уровне были организованы и проведены множество научных мероприятий, посвященные на водородную тематику, где все участники высказали мнение о том, что широкое применение водорода в энергетике «предоставляет человечеству уникальный шанс выжить в мире, избавленном от экологических и социальных катастроф».
Следует отметить, что сегодня мир вплотную приблизился к широкой реализации перехода на водородное и/или бензино-водородную композиционную топливную смесь для применения ее в двигателях внутреннего сгорания.
В настоящее время в США и странах Европы уже функционируют более 1300 автозаправочных станций, заправляющих сжатым (жидким) водородным топливом.
Преимущества водорода как топливо связаны не только с тем, что при его сгорании образуется «экологически чистый» водяной пар. По сравнению с органическим топливом он обладает большим «запасом энергии»: при сгорании 1 тонны водорода выделяется столько же тепла, сколько при сгорании 3,5 тонны органического топлива. Кроме того, водород, в отличие от углеводородного топлива, способен к каталитическому окислению при низких температурах с прямым преобразованием химической энергии окисления в электрическую, что может оказаться решающим аргументом для применения водорода в энергетике.
Водорода в свободном состоянии на Земле нет, и для его получения необходимо доступное химическое сырье и первичные источники энергии. Иначе говоря, водород - это не только энергоноситель, то есть энергия водорода используется в качестве накопителя электрической энергии вместо аккумуляторных батарей и при этом цифровая технология будет обеспечена с экологически безопасным накопителем электрической энергии.
За последние 30 лет производство водорода в мире значительно возросло. По прогнозам, к 2025 году произойдет дальнейший рост его производства, обеспечивающий развитие химической промышленности и энергетики.
Существуют два основных промышленных методов получения водорода. Один из них, действительно экологически чистый, основан на электролизе или электрохимическом разложении воды либо водяного пара. В этом случае первичным источником устойчивого обеспечения электрической энергией является автономная гибридная солнечно-ветровая электростанция с накопителем электрической энергии водорода, используемая в качестве водородного генератора электрической энергии.
За последние годы приняты ряд Указов, постановлений Президента и решений Правительства Республики Узбекистан по ускорению и расширению исследований, и внедрению таких источников энергии. Перед государственными органами поставлены конкретные задачи по существенному сокращению расхода электроэнергии до 30 % за счет применения автоматизированных цифровых технологий, солнечных и ветряных электростанций.
В рамках исследований по созданию новых инженерных и технологических комплексов по данному направлению группой ученых в составе А. Абдуллаева, Б. Алиханова и Р. Исаева с участием специалистов В. Королева, Г. Гулямхаджаева и Я. Маньковского разработано новое техническое решение по рациональному применению автономного технического комплекса на базе автономной гибридной солнечно-ветровой электростанции с водородным накопителем для генерации электрической энергии (далее в тексте - АТК).
Особенность АТК:
- не требуется наличие промышленной энергетической сети и коммуникационной инфраструктуры;
- наличие автономной системы электрообеспечения на базе гибридных технологий (солнечной и ветряной энергии);
производство газообразного водорода за счет электролиза воды; основным сырьевым материалом является обычная дистиллированная вода, получаемая из атмосферного воздуха;
- экологически чистое и отсутствие загрязняющих выбросов.
Устройства, позволяющие реализовывать эту уникальную особенность, так
называемые топливные элементы или электрохимические генераторы энергии, характеризуются очень высоким к.п.д. - 70-80%, то есть в 2-2,5 раза превышающими к.п.д. тепловых двигателей.
На рис. 8 приведена структурная схема автономного технического комплекса на основе автономных гибридных солнечно-ветровых источников энергии и водородной системы.
Рис. 8. Структурная схема автономного технического комплекса на основе автономных гибридных солнечно-ветровых источников энергии и водородной системы
Основные узлы АТК:
а) автономная гибридная солнечно-ветровая электростанция с водородным накопителем для генерации электрической энергии;
б) водогенератор для получения воды из окружающего атмосферного воздуха;
в) станция накопления водорода.
Принцип работы АТК.
АТК состоит из трех модулей:
1) первый модуль - модуль выработки электрической энергии;
2) второй модуль - водогенератор и водородный генератор;
3) третий модуль - основные потребители водородной энергии.
Первый модуль предназначен для выработка электрической энергии на основе автономной гибридной солнечно-ветровой электростанции с водородным накопителем для генерации электрической энергии.
Полученная электрическая энергия передается ко второму модулю - водородный генератор и генератор для получения воды из атмосферы, а также к третьему модулю -потребителям водородной энергии.
Рис. 9. Функциональная схема автономного технического комплекса
Водородный генератор предназначен для получения газообразного водорода, сырьевым источником которого является дистиллированная вода. Вода поступает к водородному генератору от водогенератора, который производит воду из атмосферного воздуха.
Водородный генератор электролизирует чистую воду, извлекает газообразный водород и направляет его в встроенный накопительный сосуд.
Применение выдвигаемой технологии будет успешно служить для развития цифровых технологий, цифровой экономики, зеленой энергетики путем получения экологически чистой электрической энергии. Кроме того, следует отметить, что Республика Узбекистан расположена в аридной зоне средней полосы земного шара, что вызывает необходимость и возможность широкого применения автономных гибридных солнечно-
ветровых электростанций с водородным накопителем для генерации электрической
энергии в различных сферах экономики.
REFERENCES
1. R.I. Isaev. «Features of power supply of remote objects». International workshop «HYBRID SOLAR-WIND SYSTEMS: EFFECTIVE IMPLEMENTATION CONDITIONS» -2002 , May 22-24.
2. D.A. Abdullaev, R.I. Isaev. Stability of Functioning of the HSWS in foothill Zone of Uzbekistan, WREC - VIII, August 27 - September 4, 2004 Denver, USA.
3. D.A. Abdullaev, R.I. Isaev. The Productivity and Efficiency of the HSWS. Proceeding of WREC - 2005, May 2005, Aberdeen, UK, p.676-682.
4. D.A. Abdullaev, R.I. Isaev. Investigation of Influence of the Mete-orological Factors into Efficiency of Functioning of the HSWS, // ISESCO Science and Technology Vision, August 2006, Rabat, Morocco, p. 40-44.
5. D.A. Abdullaev, R.I. Isaev. Investigation of Economic Problems of using Hybrid Solar-Wind System in view of inflation impact. World Renewable Energy Congress X. Glasgow-Scotland, United Kingdom, 2008.
6. А.Х. Абдуллаев, Б.Б. Алиханов, Р. Исаев, В.В. Королев, Г.Ш. Икромхужаев, Я.И. Маньковский "АВТОНОМНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС" для орошения сельскохозяйственных угодий при использовании возобновляемых источников энергии и производства водородного топлива для сельхоз техники, в зонах отсутсвия инфраструктуры. Свидетельство № 004658 от 11 апреля 2022 года. О депонировании объекта авторского права.
7. B. Alikhanov, A. Abdullaev, R. Isaev, Z. Iskandarov. ENERGY SECURITY PARADIGM. INTERNATIONAL AFFAIRS, INTERDISCIPLINARY SCIENTIFIC AND THEORETIC JOURNAL, 9-10 / 2023 (№ 101, 102), 37-51 p.
