Оптимизация с-х энергетических установок - Современное состояние и перспективы использования возобновляемых источников

Глава 1
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ В ЭНЕРГЕТИКЕ РОССИИ
Энергетика играет существенную роль в развитии страны, ее экономики. С энергетикой в значительной степени связаны экологические проблемы. Эта триада — энергетика, экономика, экология — является одной из наиболее приоритетных в стратегии развития любой страны.
Развитию энергетики предъявляется ряд требований, среди которых следует выделить [1]:

1. определение рациональных направлений энергетического прогресса (разработка и использование новых технологий возобновляемых энергоресурсов);
2. учет возможных ограничений на развитие энергетики (экологических, экономических и пр.);
3. обеспечение энергопотребления (с учетом потребностей населения) не ниже определенного минимума. Это требование вытекает из концепции приоритета социальных факторов;
4. развитие национальной энергетики (точно так же, как и экономики) должно быть взаимно скоординировано с развитием ее на региональном и глобальном уровнях. Это требование обусловлено особенностью развития экологической катастрофы и необходимостью принятия соответствующих целенаправленных действий всего мирового сообщества;
5. развитие энергосберегающих мероприятий в области потребления первичных невозобновляемых источников энергии и в области использования выработанной энергии.

В настоящее время для энергетических целей используется в основном органическое топливо. За время своего существования до 2000 г., по данным разных источников [2, 3], человечество израсходовало энергии (16...18) Q (Q = 3,6·101ϋ т у.т.). Половина использованной энергии приходится на последнюю четверть века. Большая часть природного газа, применяемого в промышленности и в быту, извлечена из недр за последние 25 лет.
Реальные прогнозы запасов органического топлива на Земле составляются с учетом выполненных на будущее оценок, касающихся, с одной стороны, вновь открываемых месторождений, а с другой — уменьшением потребления топлива в связи с повышением на него цен, которое ожидается с возрастанием его дефицита. Максимальные и минимальные результаты оценки выработки в мире угля и нефти в будущем представлены на рисунке [4]. Поэтому проблема экономии потребления энергии от традиционных источников является чрезвычайно актуальной.
Принимая во внимание факторы, определяющие место энергетики в жизни общества и государства, ведущие страны мира, а также такие организации, как МИРЭС, МЭА, разрабатывают стратегии или программы наиболее эффективного использования и развития имеющегося энергетического потенциала.
Другая особенность развития энергетики — ее крайне неравномерное распределение в разных странах мира. Подобная тенденция будет наблюдаться и в будущем {табл. 1.1) [5-7]. В таблице приняты обозначения: OECD — Организация экономического сотрудничества и развития; FSUEE — страны бывшего СССР и Восточной Европы; DC — развивающиеся страны.
Неравномерность потребления энергии характерна также для России.

Данные о соответствии расхода энергии численности населения в период с 1900

Графики мировой выработки угля и нефти в соответствии с максимальными и минимальными прогнозами
Таблица 1.1. Удельное потребление конечной энергии в регионах мира, т у.т./чел. в год

по 2000 гг. включительно приведены в табл. 1.2 [2]. Можно полагать, что и в ближайшем будущем энергопотребление будет развиваться высокими темпами.
Численность населения России составляет около 2,5 % всего населения Земли; страна располагает 45 % потенциальных мировых запасов природного газа; 13 — нефти; 23 — угля и 14 % — урана, т.е. в целом почти 30 % всего энергетического природного потенциала Планеты. Россия добывает более 10 % всех первичных мировых энергоресурсов [8].

Таблица 1.2. Численность населения и потребление энергетических ресурсов за период 1900-2000 гг.

Проблемы, стоящие перед энергоэкономикой, диктуют необходимость составления и внедрения перспективной программы развития энергетики страны. В этом отношении заслуживает внимания разработанная энергетическая стратегия России до 2020 г. (ЭС-2020) [8]. Эта программа выполнена с учетом социально-экономического развития страны. Кроме того, принята во внимание рыночная модель с государственным регулированием, со средними темпами роста ВВП 5...6 % в год в условиях благоприятного экономического развития. По данным расчета в 2020 г. против 1998 г. объем ВВП должен возрасти в 3-3,15 раза, сельского хозяйства — в 2,1-2,2 раза и инвестиций в основной капитал — в 4-5 раз. Рассматривается также неблагоприятный вариант развития экономики, когда за указанный период ВВП возрастет в 1,9-2,1 раза.
В соответствии с разработанной стратегией предполагается следующая динамика развития потребности в топливно-энергетических ресурсах вплоть до 2020 г.
Общий объем добычи и производства первичных энергоресурсов в 2010 г. по сравнению с уровнем 2000 г. необходимо будет повысить на 11 % (до 1575 млн. т у.т.) и в 2020 г. — на 23 % (до 1740 млн. т у.т.).
Основные параметры топливно-энергетического баланса России до 2020 г. приведены в табл. 1.3, из которой следует, что в 2020 г. по сравнению с 2000 г. необходимо увеличить производство: нефти на 11,5 %, газа — на 20 %, угля — в 1,7 раза, электроэнергии — на 21 %.
Суммарное производство теплоты в 2020 г. по сравнению с 1999 г. должно увеличиться в 1,2-1,3 раза (с 2060 до 2415...2650 млн. Гкал).
В энергетической стратегии России до 2020 г. должное внимание уделяется развитию нетрадиционной энергетики. В целом по нашей стране прогнозируется увеличение возобновляемых источников энергии с 0,1 до 20 млн. т у.т. По данным работы [9] реализация энергосберегающих мероприятий, основанных на использовании возобновляемых источников энергии, позволит сэкономить в России к 2005 г. до 0,65 млн. т у.т. Несколько другие данные о перспективах развития ВИЭ в нашей стране приводятся в работе [10].

Таблица 1.3. Прогноз основных параметров топливно-энергетического баланса России

Предварительный расчет.
** В случае возможного снижения добычи газа до 580 млрд. м³ потребуется соответствующее увеличение импорта.

Несомненно, однако, что использование ВИЭ может дать существенный эффект, в особенности в сельскохозяйственной энергетике и в энергетике районов, удаленных от центрального энергоснабжения.
Экономический потенциал возобновляемых источников энергии сегодня оценивается в 20 млрд. т у.т. в год, что в два раза превышает объем годовой добычи органического топлива всех видов.
В настоящее время большое внимание уделяется фотоэлементам. В 1999 г. их производство в мире составило 200 МВт. В этом отношении ведущими являются страны: США — 60 МВт, Япония — 80, Германия — 50 МВт. В России их выпуск за год равен 0,5 МВт.
Общая площадь солнечных водонагревателей превысила 21 млн. м². Годовое производство гелиоколлекторов превышает 1,7 млн. м². Ведущая страна — Япония (2,0 млн. м²). Россия выпускает 0,1 млн. м².
С 1996 по 1999 гг. установочная мощность ветроустановок в мире увеличилась с 6172 до 12 000 МВт. Предполагается, что в 2006 г. их мощность составит 36 000 МВт. В настоящее время ведущими странами в области ветроэнергетики являются: Германия — 4444 МВт, США — 1819, Дания — 1752, Испания — 1539, Индия — 1100 МВт. В России использование ветра для энергетических целей незначительно — 4 МВт.
Установочная мощность геотермальных электростанций возросла с 678 МВт в 1970 г. до 8000 МВт в 2000 г. Передовые позиции занимают страны: США — 2228 МВт, Филиппины — 1909, Мексика — 755, Италия — 785, Индонезия — 589 МВт. В России мощность геотермальных электростанций равна 23 МВт.
Биомасса является четвертым по значению топливом в мире, которое эквивалентно 1250 млн. т у.т. и составляет около 15 % первичных энергоносителей в мире.
Масштабы роста мощности возобновляемых источников энергии в мире в период с 2000 по 2010 г. приведены в табл. 1.4 [11].
Потенциал нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в нашей стране велик (табл. 1.5) [12]. В частности, экономический потенциал ВИЭ России составляет [11] 270 млн. т у.т., т.е. свыше 25 % внутреннего энергопотребления.

Таблица 1.4. Прогноз роста установочной мощности оборудования нетрадиционной возобновляемой энергетики в мире, ГВт

В России наблюдается рост использования возобновляемых источников энергии, хотя и не такими заметными темпами. Динамика изменения производства энергии и замещения органического топлива возобновляемыми источниками энергии приведена в табл. 1.6.
Большой интерес представляет распределение экономического потенциала нетрадиционных источников энергии по регионам России (табл. 1.7) [13].
Одной из перспективных областей солнечной энергетики является преобразование солнечной энергии в электрическую. В настоящее время КПД фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) составляет от 12 до 15 %. Российский технологический и производственный потенциал позволяет ежегодно производить солнечные элементы (СЭ) и солнечные модели (СМ) общей мощностью до 10 МВт [13]. Если некоторые предприятия специализировать на выпуске СЭ, то производство их могло бы возрасти в ближайшее время до 200, а к 2010 г. — до 2000 МВт.

Таблица 1.5. Ресурсы нетрадиционных возобновляемых источников энергии России, млн. т у.т.

* По приближенной оценке ресурсы геотермальной энергии на глубине до 3 км составляют около 180, а пригодные для использования — примерно 20 млн. т у.т./год.
** В качестве экономического потенциала взята оценка запасов первоочередного освоения теплоэнергетических вод и парагидротерм с использованием геоциркуляционной технологии.

Таблица 1.6. Динамика замещения органического топлива возобновляемыми источниками энергии в период 1993—1997 гг., т у.т.

Таблица 1.7. Распределение нетрадиционных возобновляемых энергоресурсов в России (экономический потенциал, млн. т у.т.)

Под руководством акад. Д.С. Стребкова разработан Национальный проект, развития экономически эффективных технологий солнечной энергетики [14]. В этот проект включены основные вопросы, относящиеся к развитию современных технологий использования возобновляемых источников энергии. Цель проекта — разработка новых экономически эффективных и конкурентоспособных технологий преобразования солнечной энергии по сравнению с традиционными. Реализация проекта позволит решить ряд существенных социально-экономических проблем в стране, в частности, в сфере энергетики и экологии. Общая годовая экономия энергии за счет ожидаемого объема производства фотоэлектрических преобразовательных систем составит 100-200 кВт*ч/м². Срок окупаемости системы ФЭП снизится от 3-4 лет до 1-2 лет.
Заслуживает внимания предложение ВИЭСХ об энергоснабжении курортных комплексов Черноморского побережья Кавказа, а именно сооружение фотоэлектрических станций. Один из вариантов заключается в том, что конструктивно станция собирается из герметизированных под стеклом стационарных концентраторных модулей размером 1x2 м, установленных на общей раме с наклоном на юг под углом 30-35°. Годовая выработка электроэнергии одним модулем составляет 200 кВт-ч при КПД оптической системы 60 %.
Краснодарский край является одним из наиболее развитых регионов в части использования возобновляемых источников энергии [15-18]. В настоящее время в этом регионе страны эксплуатируется более 40 гелиоустановок горячего водоснабжения производительностью от 0,5 до 40 м² горячей воды вдень. В крае смонтированы и эксплуатируются фотоэнергетические системы установочной мощностью около 50 кВт, более 30 действующих ветроагрегатов с единичной мощностью 4 кВт. На территории края утверждены запасы семи геотермальных месторождений, эксплуатируется 45 скважин с температурой от 70 до 115 °C с единичной мощностью от 1 до 5 МВт. В санатории «Белая Русь» используется тепловой насос. Надо, однако, признать, что эти работы имеют преимущественно неорганизованный характер.
Темпы внедрения и коммерциализации возобновляемых источников энергии могут и должны быть существенно увеличены. Для этого необходимо осуществить ряд мер:

1. принять соответствующий федеральный закон и программу, направленные на государственную поддержку и стимулирование развития НВИЭ;
2. обеспечить заметную финансовую поддержку со стороны государства;
3. обеспечить государственные гарантии для привлечения инвестиций в развитие НВИЭ;
4. организовать демонстрационные центры использования нетрадиционной энергетики;
5. подготовить высококвалифицированных специалистов в области нетрадиционной энергетики.

Во многих районах особо перспективны комплексные системы, использующие несколько видов ВИЭ. Исследования и разработки, выполненные по оригинальным гелиосистемам, ветроустановкам и биогазовым установкам, а также их совместному использованию в автономных энергетических комплексах, позволяют спрогнозировать выбор энергоисточников основных типов (возобновляемых и топливно-энергетических) и определить наиболее рациональный с энергетической и экологической точек зрения вариант их применения [19]. Уже сегодня по некоторым районам страны минимальные и максимальные значения на электроэнергию, вырабатываемую ВИЭ различных видов и обычными тепловыми электростанциями, оказываются сопоставимыми между собой. Зоны экономически эффективного применения НВИЭ будут расширяться по мере ужесточения требований к выбросам и введения дополнительной платы за эти выбросы.
В энергетическом отношении использование НВИЭ имеет три несомненно положительных аспекта [12] — экологический, региональный и инвестиционный.
Экологические достоинства возобновляемой энергетики несомненны. Они стали особо весовыми вследствие Киотских соглашений.
Региональная значимость НВИЭ обусловлена тем, что в отдаленных районах страны именно эти источники позволяют обеспечить их децентрализованное энергоснабжение и освобождает от необходимости завоза на север дорогостоящего топлива.
Инвестиционная особенность использования НИВЭ в том, что сооружение этих установок не требует, как правило, больших денежных вложений и долгостроя.
Необходимо отметить еще одну особенность применения ВИЭ — это экономия дефицитного в перспективе органического топлива.
Эффективное энергосбережение сельского хозяйства возможно при сбалансированности регионов по производству энергии, при развитии автономных источников, включая ВИЭ. При этом вырабатываемая электроэнергия должна отвечать предъявляемым к ним экономическим и экологическим требованиям [20]. Несомненно, что весьма существенным в каждом конкретном случае является решение оптимизационной задачи как в энергетическом, так и в экономическом отношениях.