Альтернативные источники энергии и возможность их использования в России

По зарубежным данным для сооружения ветровой энергетической установки мощностью в несколько мегаватт предпочтительны районы со среднегодовой скоростью ветра 8 м/с на высоте размещения ветроколеса. Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от 3,5 до 6 м/сек. К этой же зоне относится часть территории, лежащая юго-восточнее озера Байкал. [1]

 

Рисунок 10. Карта ветроэнергетических ресурсов России. [12]

Цифрами обозначены зоны со среднегодовыми скоростями ветра:

1 – выше 6 м/сек; 2 –  от 3,5 до 6 м/сек; 3 – до 3,5 м/сек.

Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири и Дальнего Востока, некоторых областей европейской  части России. В этой зоне скорости ветра относительно невелики – до 3,5 м/с, и широкое применение здесь ветроэнергетических установок не рекомендуется.

В отдельных районах России скорости ветра достигают 8 м/с и более. В то же время в районах восточнее реки Енисея до побережья Охотского моря преобладают ветры слабой интенсивности - от 1,5 до 3,5 м/с; только на самом побережье она повышается.

Отсюда  можно выявить определенную закономерность - высокие скорости ветра характерны для морских побережий и горных перевалов. Западногерманские специалисты, изучавшие возможность создания системы мощных ветровых электростанций в Германии, сообщают о том, что скорости ветра на Балтийском побережье Германии находятся в интервале 6-7,5 м/с, во внутренних же районах эти значения меньше. Одновременно они приводят данные о периоде затишья. Оказалось, что периоды затишья (штиля) наблюдаются, как правило, летом, на морском побережье Германии продолжительностью 7-10 ч, во внутренних районах страны - 16-30 ч максимально до 130 ч. [2]

Необходимо  иметь в виду, что даже к одному работающему ветряку близко подходить не желательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направление оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч и тем более миллионов ветряков потребовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Дело в том, что ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, "отнимая ветер" один от другого. А на занимаемой ветроагрегатами площади уже ничего другого делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, и что особенно плохо — генерируют неслышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц. Кроме этого, ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке — могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями. Отсюда следует, что при строительстве ветряных электростанций, нужно брать во внимание не только скорость ветра в данном районе, но и наличие населенных пунктов и лесов поблизости.

Использование ветряных электростанций в России имеет массу преимуществ при установке их в районах, не обеспеченных централизованным энергоснабжением и использующих дорогое привозное топливо. В этих случаях использование энергии ветра имеет также большое социальное значение, увеличивая надежность энергоснабжения. [9]

 

3.2 Малая гидроэнергетика

К малым ГЭС условно относят  гидроэнергетические агрегаты мощностью  от 100 кВт до 10 МВт. Меньшие агрегаты относятся к категории микро-ГЭС. Суммарная мощность в 2008 году малых ГЭС в мире  превышала 85 ГВт.

В последние  годы малая гидроэнергетика занимает одно из ведущих мест в электроэнергетике многих стран мира. В некоторых странах суммарная мощность микро-ГЭС превышает 1 млн. кВт (Италия, Франция, Испания, Швеция, Канада, США). Их используют как локальные экологически чистые источники энергии, за счет которых экономятся традиционные виды топлива, уменьшая выброс углекислого газа в атмосферу. Лидирующие позиции в развитии малой гидроэнергетики занимает Китай, если в 2000 году в этой стране совокупная мощность малых ГЭС составляла около 25 ГВт, то к началу 2010 года работало  45 тыс. малых ГЭС общей мощностью более 55 ГВт, обеспечивающих значительную часть потребностей в электроэнергии сельского населения страны.[1]

В России работает несколько десятков  малых гидроэлектростанций общей мощностью порядка 250 МВт. Многие из них были введены в строй более 50 лет назад и  нуждаются в реконструкции. А в 50-е годы прошлого столетия, в России функционировало более 6 тысяч микро-ГЭС, но, в итоге более устойчивое положение в энергетике страны заняло крупное гидроэнергостроительство, а малые гидроэлектростанции со временем отошли на второй план. В наши дни интерес к малым ГЭС возрос. Независимо от того, что крупные ГЭС являются экономически более выгодными, у малых гидроэлектростанций есть свои плюсы. Во-первых, строительство малых ГЭС менее затратно и может быть организовано за счет частных предприятий и фермерских хозяйств. Немаловажным фактом является то, что малые ГЭС зачастую не требуют сложных технических элементов, таких как большие водохранилища, являющиеся причиной затопления больших площадей на равнинных реках. Современные малые гидроэлектростанции полностью автоматизированы. А их высокая надежность и полный ресурс не менее 40 лет только доказывают необходимость их использования. [1]

Технически возможный  потенциал  малой гидроэнергетики в России составляет примерно 41 ГВт мощности и 372 млрд кВтч ежегодной выработки. Экономически эффективный к использованию потенциал точно не определен, ориентировочно он составляет порядка 55% от технического. А по другим данным сегодняшними доступными средствами на малых ГЭС в России можно производить около 500 млрд. кВт*ч электроэнергии в год. [10]

Рисунок 11. Потенциал и интенсивность  использования гидроэнергетики  в России. Источник: [15].

По сравнению с огромным потенциалом  малой гидроэнергетики в России, использование малых ГЭС пока что слишком мало. Часть регионов с высоким потенциалом не задействованы в получении энергии с помощью малой гидроэнергетики вовсе.

Большая часть гидроэнергетического потенциала малых рек сосредоточена  в Сибири и на Дальнем Востоке. В Европейской части России большие  возможности для создания малых ГЭС существуют  на Северном Кавказе, Урале, в Карелии и Мурманской области.

В 2006-2007 годах в Дагестане были введены в эксплуатацию пять малых  ГЭС мощностью 0,6-1,4 МВт. В 2008-2009 годах  полностью на средства частного инвестора была построена Фаснальская ГЭС мощностью 6,4 МВт в Северной Осетии, являющаяся частью планируемого каскада из 17 малых ГЭС общей мощностью 240 МВт в бассейне реки Урух.

В 2006-2009 годах две малых ГЭС  мощностью 1,2 и 0,5 МВт были сооружены  на выпускных коллекторах очистных сооружений Ульяновска. Реализуются и проекты по восстановлению малых ГЭС ( в Карелии и Ленинградской области). В 2009 году ОАО «РусГидро» ввело в эксплуатацию Эшкаконскую малую ГЭС в Карачаево-Черкесии мощностью 0,6 МВт. В настоящий момент «РусГидро» реализует пилотную программу малых ГЭС, ведется исследование новых створов под строительство, воплощаются  проекты строительства: Фиагдонской МГЭС в Северной Осетии, Зарагижской и Верхнебалкарской - в Кабардино-Балкарии, «Чибит» - в Республике Алтай, «Большой Зеленчук» - в Карачаево-Черкесии. [10]

Перспективна установка малых  ГЭС на плотинах большого количества водохранилищ, созданных в интересах  водоснабжения, ирригации, водного  транспорта, рекреации, на ирригационных  каналах, системах водоснабжения и канализации. Сегодня их можно реконструировать и технически перевооружить. Целесообразно использовать в энергетических целях существующие малые водохранилища, которых в России более 1000. Кроме того, возможно восстановление сотен малых ГЭС, ранее выведенных из эксплуатации, но сохранивших полностью или частично основные сооружения. Из всех ВИЭ малые ГЭС  наиболее конкурентоспособны (за исключением обычных ГЭС).  Тем не менее в сложившихся в России условиях в большинстве случаев они  экономически менее привлекательны по сравнению с традиционными электростанциями. С помощью малых ГЭС можно провести электроэнергию в отдаленные населенные пункты России при сравнительно низкой стоимости установленного киловатта и коротком инвестиционном. [10]

 Для успешного развития малой гидроэнергетики необходимы меры по ее государственной поддержке, декларированные законом «Об электроэнергетике» и другими документами, но не реализованные на уровне подзаконных актов. Также требуется упростить  административные процедуры получения разрешений на строительство малых ГЭС, отвода под них земель, подключения их к энергосистеме.

 

2. Солнечная энергия

 

Солнце - неисчерпаемый источник энергии - ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч  раз больше, чем все электростанции мира. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции. Нужно только уметь пользоваться им.

В последнее время интерес к  проблеме использования солнечной  энергии резко возрос. Потенциальные  возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего лишь 0,0125% энергии  Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние  потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть  потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации – слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1 м² освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км². Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.[3]

Доказано, что в высоких широтах  плотность солнечной энергии составляет 80-130 Вт/м², в умеренном поясе – 130-210, а в пустынях тропического пояса - 210-250 Вт /м². Это означает, что наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии существуют в развивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности. [2]

 

Рисунок 12. Распределение плотности солнечного излучения на Земле. [8]

 

Количество энергии, падающей на единицу  площади в единицу времени, зависит от нескольких факторов:

• Широта;
• местный климат;
• сезон года;
• угол наклона поверхности по отношению к Солнцу.

Отсюда следует, что количество солнечной энергии сильно отличается в зависимости от географического положения и времени года (рисунок 12). Это необходимо учитывать при использовании энергии Солнца.

Сегодня преобразование солнечного излучения в электрическую энергию возможно двумя путями:

• Использование солнечной энергии как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов)
• преобразовывание солнечной энергии в электрический ток в солнечных элементах.

В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал – для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.

Проще всего использовать энергию  Солнца для нагрева воды. Солнечные водонагревательные установки (СВУ) получили широкое распространение в жарких странах. Например, власти Израиля требуют установок СВУ в каждом доме. В Соединенных Штатах Америки СВУ используют для прогрева бассейнов. В США ежегодно вырабатывается около 2 млн. т.у.т. Приблизительная площадь СВУ в мире, установленных сейчас, равна около 50-60 млн м², что обеспечивает получение 5-7 млн т.у.т. в год. В Европе к концу 2000 г. было построено около 11,7 млн м² коллекторов. На данный момент эти цифры существенно выросли. [8]

В России электростанции, использующие энергию Солнца, на сегодня практически не распространены. Это связано с довольно низкой стоимостью нефтегазовой энергии.

Однако в ходе тщательных исследований было выявлено, что использование  СВУ 3-6 месяцев в год(в зависимости  от региона) экономически выгодно. [8]

На данный момент используется несколько  методов преобразования энергии Солнца в электроэнергию. Среди них широкое распространение получили термодинамические методы и прямое преобразование с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Рисунок 13. Схема преобразования солнечной энергии в электричество с помощью ФЭП. Источник: [15].

Фотоэлектрические преобразователи находят все большее применение в самых разных регионах. Одно из преимуществ ФЭП в том, что они, помимо прямого излучения, используют также и рассеянное. Это позволяет отказаться от дорогостоящих устройств для слежения за Солнцем.

Рынок ФЭП с каждым годом все быстрее набирает обороты. Суммарная мощность установленных в мире ФЭП в 2002 году, превысила 500 МВт. Сильным толчком для развития ФЭП в мире является принятие национальных программ в разных странах («100 тысяч солнечных крыш» в Германии, «100 тысяч солнечных крыш» в Японии, «1 млн. солнечных крыш» в США). По прогнозам аналитиков Япония и Германия в ближайшее время выйдут на годовые объемы производства до 500 МВт каждая. Массовое производство ФЭП ведет к их удешевлению. Сегодня модули ФЭП на мировом рынке стоят около 4 долл. за пиковый ватт, что при удовлетворительной инсоляции приводит к стоимости электроэнергии в 15-20 цент/кВтч. Особенное значение рынок ФЭП имеет в развивающихся странах. Установки сравнительно небольшой мощности в единицы кВт представляют сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население этих стран к современной цивилизации.