Энергетика Казахстана - Нетрадиционные источники энергии

2.5. Нетрадиционные источники энергии и возможности их использования в Казахстане и мире
К нетрадиционной энергетике принято относить установки и устройства, использующие энергию ветра, солнца, биомассы, геотермальную энергию, а также тепловые насосы, использующие низкопотенциальное тепло, малую гидроэнергетику и другие нетрадиционные способы получения энергии.
Территория Казахстана характеризуется относительно богатыми ветроэнергетическими ресурсами. Ее потенциал в сотни раз превышает современное электропотребление. Расчеты показали, что на высоте 10 м от поверхности земли энергия, заключенная в I м2 сечения воздушного потока, составляет порядка 4000 кВт.ч/м2. Наиболее значительными являются ветроэнергетические ресурсы Джунгарских ворот (17000 кВт.ч/м2). Из других перспективных районов можно отметить Ерментау - 3700 кВт.ч/м2 (Акмолинская обл.), форт-Шевченко 4300 кВт. ч/ м2 (Побережье Каспийского моря), Курдай - 4000 кВт. ч/ м2 (Жамбылская обл.) и некоторые другие.
Анализ хода энергии показывает, что значительная доля энергии приходится на холодное время года, когда потребность народного хозяйства в энергии возрастает.
Наиболее перспективным районом Казахстана по использованию энергии ветра является район Джунгарских ворот. Они представляют собой межгорную долину длиной 20 км и шириной 10-15 км. Сильные и продолжительные бури чаще всего наблюдаются в холодные периоды года. Продолжительность отдельных бурь составляет 50-100 часов, достигая в отдельных случаях 250-300 часов. Максимальные скорости ветра составляют 40-60 м/с. В данном районе могут быть размещены около 11000 штук ВЭУ мощностью 100-250 кВт (при диаметре ветроколеса - 25 м). Выработка одной такой установки ориентировочно составляет 600 тыс. кВт. ч.
В таблице 2.5.1. приведены данные о технически возможной выработке электрической энергии на ВЭС для перспективных районов Казахстана.
В основу расчета положены характеристики ветроагрегата типа "ГРОВАН", размешенные на расстоянии 10 диаметров ветроколеса.
Рассмотренные территории характеризуются малонаселенностью и практической непригодностью для сельскохозяйственного производства.
Технически возможный к использованию энергетический потенциал ветра Казахстана оценивается в 3 млрд. кВт. ч.
Выработка электроэнергии на ВЭС для перспективных районов Казахстана
Таблица 2.5.1

Наряду с ветровой энергией наиболее широко может быть использована солнечная энергии и энергия малых рек.
С помощью солнечной энергии можно производить электроэнергию. Это можно делать с помощью фотопреобразователей. Но их мощность значительно меньше, чем мощность электроустановок, в которых преобразование осуществляется с помощью паровой турбины. Солнечные лучи с помощью зеркал фокусируются на емкость с водой, которая прогреваясь превращается в пар. Такая станция построена в Крыму. Площадь огромного зеркала составляет 700 м, мощность станции - 5 МВт. Но строительство солнечных станций обходится пока дороже обычных тепловых электростанций. Поэтому сейчас более перспективен другой путь использования солнечной энергии - для отопления и нагрева воды.
Существуют экспериментальные дома, в которых 70% потребности в тепле и горячей воде обеспечиваются за счет Солнца. Можно строить "солнечные приставки" к котельным, что значительно экономит топливо. Так, под Ташкентом построена "приставка" с площадью 1000 м.
Достоинством солнечной котельной является простота изготовления и малая стоимость оборудования. Приемники солнечного излучения представляют собой панели, покрытые обычным стеклом. Этот простой элемент позволяет превращать около половины солнечной энергии в тепловую энергию воды. Если учесть, что на каждый квадратный метр поверхности приходится около 300 Вт (летом значительно больше), то легко оценить практическую ценность солнечной котельной.
Потенциальный уровень потока энергии Солнца на всей территории Казахстана составляет 1 млн. млрд. кВт. ч. Уровень возможного использования потока энергии по условиям экологии составляет 1 тыс. млрд. кВт. ч (при КПД преобразования 100 %).
Солнечная энергия может быть использована на нужды человека с помощью различных преобразователей энергии.
Потенциально возможная выработка на базе фотопреобразователей при возможной суммарной мощности гелиоэлектростанций 2500 МВт составляет 2,5 млрд. кВт. ч/год.
Наиболее предпочтительные районы размещения гелиоэлектростанций в Казахстане - Приаралье, Кзылординская и Шымкентская области.
Гелиоустановки для отопления и горячего водоснабжения наиболее эффективны для децентрализованного использования в сельской местности.
Использование энергии Солнца для этих целей с КПД 50-60 % может достигать следующих размеров:

1. тепло для отопительных целей - 2,5 млн.Гкал/год;
2. тепло для горячего водоснабжения - 0,6 млн.Гкал/год;
3. суммарная экономия топлива - около 700 тыс.т.у.т/год.

Устройства для нагрева воды выпускаются в некоторых зарубежных странах, в том числе в России, возможно их производство и в Казахстане.
Перспективным направлением повышения эффективности использования гидроэнергоресурсов является строительство малых ГЭС на небольших реках Казахстана. Кроме того, можно отвести воду от арыка с помощью трубы или рукава к микро-ГЭС, установленной на 5-6 метров ниже его, и можно выработать электроэнергию, достаточную для жилого дома.
Полный энергетический потенциал малых рек Казахстана оценивается величиной 38,7 млрд.кВт.ч/год, технически возможный к реализации - 16,9 млрд. кВт.ч. Эти гидроресурсы сосредоточены в бассейнах р. Иртыш и оз. Балхаш.
В данное время выявлена экономическая целесообразность строительства 17 малых ГЭС общей установленной мощностью 425,6 тыс. кВт с выработкой электроэнергии 1,94 млрд.кВт.ч /год.
Возможно строительство ГЭС на 25 существующих и проектируемых водохранилищах ирригационного назначения общей мощностью 118 тыс. кВт с суммарной выработкой электроэнергии 450,4 млн. кВт. ч.
Одной из проблем развития малой гидроэнергетики в Казахстане является создание и выпуск надежного основного и вспомогательного оборудования, средств автоматизации.
Целесообразность развития малой гидроэнергетики подтверждается мировым опытом гидростроительства. Широкая программа возведения ГЭС на малых реках, модернизации и восстановления действующих или заброшенных малых ГЭС реализуется в таких промышленно развитых странах, как США, Франция, Германия, Япония, Англия, Швейцария.
Перспективным направлением повышения эффективности использования гидроэнергоресурсов в России так же считается строительство малых ГЭС на небольших реках, технический потенциал которых оценивается в 360 млрд. кВт.ч. Его использование малыми ГЭС, к которым в странах СНГ принято относить установки мощностью от 0,1 до 30 МВт (при диаметре рабочего колеса турбины не более 3 м), в настоящее время находится на уровне менее 1%. Количество действующих в настоящее время в России установок - порядка 300 ГЭС, а их суммарная мощность оценивается в 1300 МВт.
За рубежом малыми ГЭС считаются объекты мощностью менее 5 МВт, хотя в некоторых странах этот показатель иной: в США - до 30 МВт, в Испании - до 10 МВт, в Финляндии - до 2 МВт. Малые ГЭС являются важнейшей частью программы энергетического строительства в развивающихся ЭС более, чем в 40 развивающихся странах. Большое число малых ГЭС строится в Китае, Индии, странах Африки и Латинской Америки; здесь в полной мере используется одно из основных преимуществ таких ГЭС - обеспечение электроэнергией отдаленных труднодоступных районов.
Общая мощность малых ГЭС в мире оценивается в 25 тыс. МВт, строятся ГЭС мощность 0,5 тыс. МВт, планируется построить примерно 5,5 тыс. МВт.
Широко известные преимущества ГЭС по сравнению с другими типами электростанций - постоянное беззатратное возобновление энергоресурсов, высокая маневренность, комплексное использование водных ресурсов, отсутствие загрязняющих атмосферу выбросов и экономия топлива - часто дезавуируются отрицательным воздействием ГЭС на природу и изъятием сельхозугодий при создании больших водохранилищ.
Поэтому основными направлениями охраны окружающей среды при строительстве ГЭС остаются мероприятия, которыми предусматривается: снижение отрицательного воздействия подтопления прилегающих территорий; обеспечение сохранения рыбных запасов: уменьшение размеров затопления земель и переноса населенных пунктов.
Перспективными разработками гидростроительства предусматривается не только уменьшение отрицательного воздействия на природу, но и полная реализация положительных факторов, включая комплексное освоение районов строительства, регулирования стока, создание зон отдыха и т.д.
Для отопления и горячего водоснабжения зданий и сооружений может использоваться энергия имеющихся в Казахстане термальных вод. Термальные, слабоминерализованные, воды выявлены в Алматинской, Кзылординской, Павлодарской, Талдыкорганской и Шымкентской областях. Суммарный эффект использования температурных параметров этих вод оценивается в размере 1,8-3,3 млн.т.у.т/год.
К биоэнергетическим ресурсам относится биомасса - это отходы животноводства, сельскохозяйственного производства, твердые бытовые отходы и осадки городских сточных вод.
Биогазовые технологии - это наиболее радикальный, экологически чистый, безотходный способ переработки, утилизации и обезвреживания разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения.
Биомасса в качестве источника энергии имеет ряд преимуществ:

1. возобновляемость;
2. при ее сжигании выделяется менее 0,1% серы и от 3 до 5% золы;
3. после дезинтеграции и сепарации биомассы в реакторах биогенные
4. вещества(азот, фосфор, калий и др.) возвращаются в почву в виде удобрений.

Стабильным источником биомассы для производства энергии в Казахстане
являются отходы продуктов животноводства. За счет их переработки может быть получено около 2 млн.т.у.т/год биогаза.
Тепловые насосы позволяют использовать низкопотенциальное тепло. Использование теплонасосных установок и станций может стать важным направлением энергоснабжения, в том числе и в электроэнергетике.
Тепловые насосы могут найти применение в системах тепло- и хладоснабжения регионов с неблагоприятными экологическими условиями и повышенными требованиями к охране окружающей среды, при избытке электроэнергии, использовании низкопотенциального тепла систем охлаждения и вентиляции, в сельском хозяйстве, при утилизации тепла дымовых газов и систем водоснабжения на ТЭС, в металлургии, химии, лесной промышленности, при реконструкции и техническом перевооружении старых котельных.
Важной задачей развития нетрадиционной энергетики является создание эффективных и экологически приемлемых аккумуляторов тепла и электроэнергии. Работа по аккумулированию пока находится на стадии НИОКР, но активно ведутся в направлении создания тепловых, химических, водородных, гидро- и пневмоаккумуляторов.          
Ряд российских организаций проводят оценку возможности и экономичности использования тепла, выделяющегося в процессе расщепления так называемых высокомодульных силикатов с помощью смеси карбида и нитрида кремния. Получено экспериментальное подтверждение реальности химической реакции перечисленных компонентов с выделением теплоты. Основная цель - создать установку и осуществлять так называемую цепную физико-химическую реакцию.
Расчеты показывают, что 1 кг силиката в процессе реакции выделяет 8,5 млн. ккал тепловой энергии, что равноценно сжиганию 1 тыс. т мазута. Если будет доказана реальность цепной физико-химической реакции, то ее энергия может широко использоваться во всех отраслях народного хозяйства с помощью теплообменного контура обычной конструкции.
В энергетике силикатные энергоагрегаты могут устанавливаться вместо котлов на ТЭС и крупных котельных. Этот новый, экологически чистый вид топлива особенно пригоден для ТЭЦ и котельных, расположенных в районах жилой застройки и пригородных зонах.
Нетрадиционная энергетика, использующая энергию ветра, солнца, малых рек, термальных подземных вод, биомассы и других источников в настоящее время имеет высокие удельные капиталовложения по сравнению с традиционными источниками энергии. Однако с ростом цен на органическое топливо и ограничениями общества, направленном На охрану окружающей среды, эффективность нетрадиционных источников энергии будет, несомненно, возрастать, а создание их является важнейшим направлением энергосбережения.
Хозяйственный механизм использования нетрадиционных источников энергии необходимо строить на комплексном подходе, включающем разнообразные способы стимулирования: экономические, правовые, административные, пропагандистские.
Зарубежная государственная научно-техническая политика в области развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии развитых капиталистических стран формировалась на основе выбора и принятия решений в двух основных направлениях: прямое экономическое воздействие и косвенное экономическое регулирование.
В связи с крупномасштабностью и долговременностью НИОКР, фундаментальных исследований и разработок значительную долю финансирования (около 50%) на национальном уровне и на уровне международного сотрудничества взяло на себя государство.
Наряду с реализацией национальных программ большинство развитых капстран активно участвует в осуществлении программ, разработанных различными международными организациями (Международное энергетическое агентство, Общий рынок, Объединение Северных стран). На основе разных форм государственного стимулирования ряд стран - членов ЕЭС, США и Япония выполнили различные программы в области нетрадиционной энергетики, доведя многие технологии до стадии коммерческого и промышленного освоения.
В настоящее время в государственной политике стимулирования развития нетрадиционной энергетики произошли существенные изменения. В формах и методах государственного финансового стимулирования появились новые тенденции: повышение косвенных методов стимулирования; селективный целевой характер помощи; рост ассигнаций на прикладные исследования и нововведения; возрастание роли кредита, использование договорных кредитов банков на льготных условиях; введение налоговых и прочих льгот в разработке экологически чистых технологий и энергосберегающего оборудования, а также налоговых льгот потребителям, использующих нетрадиционные виды энергии; помощь средним и мелким фирмам; кооперирование государства с частным бизнесом, включая контрактные отношения, а также совместные исследования.
В группе нетрадиционных источников выделились в приоритетные направления технологии использования солнечной, ветровой и геотермальной энергии, в некоторых странах - энергии биомассы. В США, например, Минэнерго страны на развитие НВИЭ и повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в 1990 году затратило 34,9 млн. долларов. Федеральное министерство исследований и технологии ФРГ ассигновало в 1991 г. на работы по использованию НВИЭ и энергосбережению 318, а в 1992 году - 279 млн. марок. Увеличивается финансирование на нетрадиционную энергетику в Испании, Италии, Австрии и т.д.
Во всех странах с развитой рыночной экономикой идет поиск новой государственной политики, ориентированной на создание постоянного стимула к новаторству и предпринимательству. Государственные субсидии и льготные займы предоставляются для строительства энергоустановок и внедрения новой технологии. Налоговые льготы используются в целях коммерческого освоения технологий производства возобновляемой энергии.
Так, Конгресс США утвердил следующие налоговые льготы (% от общей стоимости):
установки в жилых домах:
солнечные и геотермальные                         - 20
ветровые                                                             - 5

установки в промышленности и торговле:
солнечные и геотермальные                          - 10
ветровые, биоэнергетические                        - 10
В ряде стран существуют программы финансового стимулирования. Так, в ФРГ в соответствии с федеральной программой строительства энергоэкономичных зданий на территории земли Шлезвиг-Гольштейн рекуперация теплоэнергии поощряется снижением налогов в течение 10 лет. В Берлине за использование НВИЭ погашается до 60%, а на территории земли Сев. Рейн-Весфалия - до 25% стоимости установок с НВИЭ. Налоговая политика совершенствуется путем предоставления скидок на разведку, разработку и освоение НВИЭ. В ряде стран (США, Италия) развитие научных исследований и разработок в области нетрадиционной энергетики стимулируется законодательными и правовыми актами.
В таблице 2.5.2. приведены данные об использовании НВИЭ в различных странах
мира.
Ниже приводятся некоторые интересные проекты и мероприятия в области освоения НВИЭ в различных зарубежных странах.
Министерство энергетики США изучает возможности превращения испытательного ядерного полигона в штате Невада* в центр по использованию солнечной энергии. Территория полигона площадью 1350 кв. миль может служить для размещения нескольких СЭС, принадлежащих частным компаниям.
Самая крупная в Европе электростанция, использующая солнечную энергию, пущена в Швейцарии. На склонах горы Мон Солей (Солнечная) установлены солнечные батареи общей площадью 4500 кв.м. При установленной мощности 500 кВт СЭС, как считают специалисты, будет давать в год 750 тыс. кВт. ч электроэнергии, что полностью обеспечит потребности 200-квартирного жилого дома.
Большое внимание использованию подземной тепловой энергии для отопления зданий, получения горячей воды, а также в лечебных целях уделяется энергетиками ФРГ. В Нойбранденбурге и Варене уже действуют геотермальные станции. Использование геотепла, по прогнозам, позволило бы успешно выполнить решение бундестага снизить к 2005 году выбросы в атмосферу двуокиси углерода по сравнению с теперешним уровнем па 25-30%. Геотермальная станция в Нойбранденбурге добилась в 1992 г. оборота в 3,2 млн. марок. Ее специалисты работают над 10 новыми проектами, в которых участвуют представители Франции, Нидерландов и Испании.
Зарубежные страны, имеющие выход к морю работают над созданием приливных электростанций. Так, испанский инженер Антонио де Альба предложил интересный проект ПЭС, которая располагается на морском дне и имеет мощность 1000 МВт.
Огромное распространение ветроэнергетики в мире обусловлено рядом преимуществ производства электроэнергии этим видом. Ветроэнергетика не вызывает загрязнения воздуха при производстве (в отличии от угля и газа) и не создает радиоактивных отходов (в отличие от ядерной энергии). Себестоимость электроэнергии, выработанной на ветроэлектростанциях, составляет 4-7 центов экю за кВт. ч, в зависимости от местных условий, особенно от скорости ветра. Для сравнения, новые электростанции на угле производят электроэнергию себестоимостью 4,5-6 центов экю, новые АЭС - 4-7, станции на газе - 3-5 центов экю за кВт. ч. И это без учета внешних и социальных затрат и ущерба от глобального потепления, который оценивается от 1 до 2,5 центов экю за кВт. ч.
Ветроэнергетика производит электричество гораздо ближе к потребителю, что снижает ее потери и стоимость строительства линий электропередач. Технология производства ветротурбин экономически эффективна, срок окупаемости затрат в среднем меньше шести месяцев.
На конец 1995 г. в США и в Европе (таблица 2.5.3. ) было установлено примерно по 1700 МВт энергомощностей. В Европе на первое место вышла Германия (632 МВт), оттеснив на второе Данию (539 МВт). На третьем оказалась Великобритания (170,5 МВт), на четвертом - Нидерланды (162 МВт).
Таблица 2.5.2
Использование НВИЭ в различных странах мира

Таблица 2.5.3
Прогноз развития мировой ветроэнергетики

Ветроэнергетикой на государственном уровне занимаются и "богатые" и "бедные" страны. К 2000 г. многие из них ставят задачу резко увеличить ввод мощностей ветротурбин.
Индия стремится занять второе место в мире после США по использованию энергии ветра. По программе, разработанной Министерством Индии, созданы и действуют 120 станций, использующих силу ветра, через два года страна будет иметь на ЮС мощность более 600 МВт.
В Финляндии создан проект ВЭС нового типа, обеспечивающий более высокий КПД при более низких затратах. В новой ЮС сила ветра передается при помощи гидравлического насоса и гидромотора на генератор без традиционной механической трансмиссии, применяемой обычно на ЮС. Новая техника дает значительные преимущества. Во-первых, гидротронные ЮС способны вырабатывать электроэнергию при гораздо слабом ветре, чем обычные ЮС. Во-вторых, определенное количество энергии можно накапливать в гидротронном аккумуляторе. КПД ЮС составляет 33-3- 8% по сравнению с 23% для обычных ЮС. Необходимые затраты при этом примерно наполовину меньше прежних, поскольку все основное оборудование устанавливается на земле, а на обычных ЮС генератор и прочее оснащение размещаются на башне. Новая ЮС работает почти бесшумно. Потребителями таких ЮС мощностью 20 кВт могут быть сельские фермы, небольшие поселки, дачные территории и центры зимних видов спорта, стоимость таких ЮС оценивается в 20 тыс. долларов.

Наиболее распространены в настоящее время ветроагрегаты мощностью 100-120кВт в Германии - 200 кВт, диаметр ветроколеса 25 м, высота башни 30 м, стоимость 480 тыс. марок.
Самая же мощная в мире ветроустановка находится в Канаде, диаметр ветроколеса копрой - 64 м, высота башни - 96 м и мощность 4 МВт.
Потенциальные запасы энергии ветра в мире оцениваются величиной 94,1 1018 Дж, которые при реализации в форме вторичной энергии составляют 31,51018 Дж.
Анализ нынешней ситуации на рынке показывает, что ежегодно устанавливаемая мощность ветротурбин в Европе увеличивалась примерно с 200 МВт в 1994 г. до 450 МВт. Наибольшие успехи достигнуты в Северной Европе - Дании, Германии, Великобритании и Нидерландах, но это не означает, что распространение ветроэнергетики ими и ограничивается. Еще в 1991 г. EWEA (Европейская ветроэнергетическая ассоциация) подсчитала, что развитие ветроэнергетики в Европе будет происходить следующим образом: к 2005 г. установленная мощность достигнет 11500 МВт, к 2010 г. - 25000 МВт, а к 2030 г. - 100000 МВт. Эти цифры вполне реальны. EWEA совместно с Европейской Комиссией приступила к подготовке долгосрочной программы производства электроэнергии от ветротурбин в контексте общей энергетической политики.
Что касается вообще нетрадиционной энергетики в мире, то ее доля к 2000 г. в США будет доведена до 5-7 %, в Германии и Дании до 10 %, в Японии и Австралии - до 10-15 % производства всех энергоресурсов.
В настоящее время, например, мощность геотермальных электростанций США превышает 5 млн. кВт, производство фотобатарей достигает почти 20 тыс.-кВт в год.
Некоторые зарубежные данные по удельной стоимости нетрадиционных источников энергии:

Нетрадиционная энергетика - динамично развивающаяся, хорошо продуманная технология, потенциал которой непрерывно увеличивается - способна сделать заметный вклад в мировой энергетический рынок. Ключ к реализации этого потенциала - интернационализация внешних затрат, то есть учет того фактора, что вредные выбросы электростанций одной страны могут оказать существенное влияние на экологическую обстановку в других странах. Поэтому в развитии экологически чистых технологий производства электроэнергии заинтересованы все. Казахстан может и должен в кратчайший срок стать полноправным участником этого процесса.