CC BY
40
УДК 338.2:620.9
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Екатерина Владимировна Любимова
Институт экономики и организации промышленного производства СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 17, кандидат экономических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-06-99, e-mail: [email protected]
Анализируется опыт разработки и использования различных типов возобновляемых источников энергии. Сибирь и Дальний Восток обладают огромным потенциалом их использования, определяются наиболее перспективные направления.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, технологии, стоимость. NEW OPPORTUNITIES OF NATURAL RESOURCE USE IN POWER INDUSTRY
Ekaterina V. Lyubimova
Institute for Economics and Industrial Engineering, Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., the leading researcher, tel. (383)330-06-99; e-mail [email protected]
Experience in development and use of various types of renewables is analyzed. Siberia and the Far East have the huge potential of their use, the most perspective directions are defined.
Key words: renewables, technologies, cost.
Ветер, солнце, тепло земли и воды, морские течения и приливы - это практически бесконечная энергия природы, долгое время не востребованная энергетикой, поскольку считалось, что единственным экономически эффективным способом получения электроэнергии являются технологии сжигания нефти, угля, газа, использования гидро- и атомной энергии. Традиционные технологии развивались, с ростом потребностей общества множился масштаб их применения, что приводило к критическому усилению их негативных побочных эффектов. К оным в первую очередь относятся экологические ущербы от сжигания органического топлива, радиационное загрязнение среды отработанным атомных топливом, а также вследствие аварий на АЭС, экологические и социальные ущербы от строительства крупных ГЭС [1]. Неравномерное залегание органических топлив по земному шару привело к сильной зависимости ряда стран от ввоза этих топлив извне, что неблагоприятно сказывается на их энергетической и экономической безопасности. Поэтому многие страны стремятся развивать в энергетике новые технологии природопользования, основанные не на ископаемом топливе, а на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ).
К ВИЭ относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, гидравлическая и гидро- энергии, энергия морских течений, волн, приливов, температурного градиента морской воды, разности температур между воздушной массой и океаном, тепла Земли, биомассы животного, растительного и бытового про-
исхождения. На рубеже ХХ и XXI веков произошел качественный скачок в научных и технологических разработках по их освоению. В настоящее время мировые мощности альтернативной энергетики и инвестиции в ВИЭ значительно и стабильно увеличиваются. В Германии, например, доля ВИЭ* подбирается
к 20%. К 2020 году во всём ЕЭС планируется получать 20% энергии из возобновляемых источников.
В России наблюдается другая картина. В 2000 г. доля станций на ВИЭ составляла 0.5% от установленной мощности электростанций «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года», определяющая развитие российский энергетики, постулировалось доведение этой доли до 1,5% к 2010 г. и 4,5% к 2030 г. К настоящему времени доля ВИЭ составляет менее 1%. При этом российский технический потенциал ресурсов ВИЭ в пять раз превышает годовое потребление первичных энергоресурсов в стране, Экономический потенциал намного меньше, так как его величина зависит не только от развития технологии, но и от экономической конъюнктуры, во времена принятия вышеуказанной стратегии он оценивался так:
Таблица 1
Потенциал возобновляемых энергоресурсов России, млн. т угольного эквивалента
Энергоресурс Потенциал
теоретический технический экономический
Энергия малых рек 360 125 65
Геотермальная энергия очень большой 180 115
Энергия биомассы 104 53 35
Ветровая энергия 26-103 2-103 10
Солнечная энергия 2,3-106 104 134
Низкотемпературное тепло 525 115 36
Именно регионы Сибири и Дальнего Востока представляют собой наиболее обширный плацдарм для использования ВИЭ - на огромные пространства азиатской части России приходится большая часть потенциала ВИЭ, а зона централизованного энергоснабжения, в которой ВИЭ неконкурентоспособны, покрывает мизерную часть территории. В зонах децентрализованного энергоснабжения используются дизельные установки и дорогое привозное топливо. Бюджеты всех уровней вынуждены субсидировать дизельную генерацию, в результате некоторые регионы (например, Республика Алтай, Республика Тыва,
* Здесь и далее доля ВИЭ подсчитывается без учета крупных ГЭС.
163
Камчатка), тратят более половины своего бюджета на топливо. На наш взгляд, эти затраты - хороший ресурс для возмещения затрат на строительство электростанций на ВИЭ.
В настоящее время разработка технологий использования ВИЭ ведётся в многих странах мира, повышается КПД, понижается стоимость получаемой энергии, создаётся облако обеспечивающих производств. Это касается не всех типов ВИЭ. Например, если малые ГЭС на реках в основном доказывают свою экономическую и социальную эффективность, то другие типы ГЭС проходят стадию экспериментального использования и технологической доработки:
о Приливные станции фактически используют кинетическую энергию вращения Земли, ставятся в теле плотин, перекрывающих устье реки или залива, дёшевы в эксплуатации, но очень дороги в строительстве, из-за сильно меняющейся в течение суток мощности могут работать только в связке с более стабильными мощностями других типов. В мире насчитывается пара десятков ПЭС, одна из них - российская 1,7 МВт, с 1968 г. действует в Баренцевом море.
о Осмотические станции работают на принципе диффузии жидкостей. Единственная ОЭС выстроена во фьорде Норвегии в 2009 г. мощностью 2-4 КВт стоимостью 20 млн долл. США.
о Волновые станции могут получать электроэнергию из кинетической энергии волн. Первая ВЭС 2,25 МВт построена в Португалии в 2008 г. за 8 млн евро, представляет собой плавающие в море в 5 км от берега три змеевидных объекта размером 120х3,5 м. весом 750 т. Каждый и обеспечивает энергией около 1000 домов. Поскольку удельная мощность волнения на 1-2 порядка превышает удельную мощность ветра, волновая энергетика в перспективе может оказаться более выгодной, чем ветровая.
Ветровые станции состоят из соединённых между собой ветрогенераторов в местах со скоростью ветра более 5 м/с, сильно шумят и гибельны для птиц. Поскольку скорость ветра возрастает с высотой, ВЭС строят на возвышениях, а генераторы устанавливают на башнях высотой 30—60 метров. Различают шесть типов ВЭС - наземные, прибрежные, шельфовые, плавающие, парящие, горные. Наземная - наиболее распространённый в настоящее время тип ВЭС, остальные типы существуют в единичных экземплярах. 1 МВт установленной российской мощности ВЭС в 2-2,5 раза дороже, чем у среднестатистической тепловой электростанции (ТЭС), да и коэффициент использования установленной мощности у разных ВЭС колеблется в довольно низких пределах - 7-25%. Стоимость 1 КВт мощности наземных ВЭС США равнялась в 2014 г. 2200 долл [2]. Самая мощная ВЭС Ганьсу 7965 МВт. расположена в Китае. Крупнейшие ВЭС России расположены в Калининградской области, Анадыре, Башкортостане и имеют мощности 5,1, 2,5 и 2,2 МВт соответственно.
Использовать низкопотенциальную тепловую энергию могут тепловые насосы. Это установки, которые предназначены для получения тепла, рабо-тиают от электросети: для передачи в систему отопления 1 кВтч тепловой энергии установке необходимо 0,2-0,4 кВт ч электроэнергии. В их области
накоплено огромное технологическое разнообразие. В зависимости от источника отбора тепла они могут быть геотермальными (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод), воздушными, использующими вторичное тепло. По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на восемь типов: «грунт-вода», «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-воздух» «фреон-вода», «фреон-воздух». Имеют локальный характер применения, т.е. используются для обогрева отдельных строений, бассейнов. Геотермальные электростанции (ГеоТЭС) вырабатывают электрическую и тепловую энергию из тепловой энергии подземных источников, например, гейзеров. Главными достоинствами геотермальной энергии является её независимость от условий окружающей среды, времени суток и года, высокий (до 90%) коэффициент использования. ГеоТЭС выбрасывают в атмосферу СО2, но в 3-10 раз меньше, чем станции на угле. Развитие геотермальной энергетики останавливает высокая цена установок, однако за счет исключительно низких эксплуатационных затрат цена электроэнергии ГеоТЭС может оказаться ниже, чем электричества, получаемого с использованием других ВИЭ [3]. В России действует порядка пяти ГеоТЭС мощностью от 2,5 - 50 МВт. Самая мощная ГеоТЭС Олкария IV 140 МВт расположена в Кении.
Наибольшим валовым экономическим потенциалом и количеством электростанций в мире обладает солнечная энергия. Человечество уже придумало множество технологических типов СЭС - фотоэлектрические, башенные, тарельчатые, с параболическими концентраторами, аэростатные. В силу объективных причин коэффициент использования установленной мощности СЭС ниже 20%, поэтому получают широкое распространение солнечные элементы, комбинированные с другими источниками энергии. За последние 30 лет мощность вводимых СЭС увеличилась в мире с 1 до 550 МВт, интенсивно происходит их технологическое развитие:
- кремниевые элементы. До 90% установленных солнечных панелей работают на кремнии сверхвысокой чистоты, преобразуя в электрическую энергию 10-45% улавливаемой солнечной. Повышение эффективности до 45% обеспечивают дорогие многопереходные устройства, используемые в основном в космической промышленности, в которых солнечные концентраторы посредством линз и зеркал фокусируют солнечный свет на переходных ячейках. Эффективность более дорогих монокристаллических элементов выше - до 25% без концентратора, их «нарезают» из большого кристалла кремния. Менее дорогие и чаще применяемые поликристаллические кремниевые ячейки имеют эффективность 17-18%;
- солнечные системы из теллурида кадмия. Это единственная технология пленочной фотовольтаики с затратами ниже, чем у систем из кристаллического кремния. Эффективность теллурида кадмия составляет около 15 % с потенциалом роста до 21%;
- солнечные системы селенида меди-индия и cеленида меди-индия-галлия. Ожидается рост их солнечной эффективности до 20%, модули такого состава предпочтительнее других при низкой освещенности.
- органически-неорганические гибриды. Речь идёт о ячейках, сенсибилизированных красителем, органической фотовольтаике, перовскитах, неорганических квантовых точках. Гибридные ячейки состоят из недорогих материалов -органических полимеров, малых молекул, неорганики - и могут изготовляться на гибких основаниях посредством рулонной печати. Гибкие, работающие при разной освещенности, более дешёвые, чем уже традиционные кремниевые ячейки, гибридные ячейки найдут самое широкое применение.
В 2015 г. впервые мировой объем инвестиций в фотовольтаику превысил инвестиции в газовую и угольную генерацию [4]. Успехи исследований технологий привели к тому, что отдельные технологии солнечной энергетики в некоторых регионах стали конкурентоспособными. В США стоимость установленных несубсидируемых солнечных «полей» промышленного масштаба упала с 4000 до 1000 долл на 1 КВт [4].
Самая мощная в мире СЭС Topaz Solar Farm 550 МВт выстроена в Калифорнии при затратах на проект 2 млрд долл. В России действует немногим больше 20 СЭС, выдающих мощность от 0,1 до 31,6 МВт в локальную сеть (13 из них в Крыму), а также неучтенное количество малых установок для ещё более локального частного использования (рисунок).
Рис. Солнечные элементы в частном хозяйстве п. Курбулик Забайкальского национального парка, Республика Бурятия (фото автора)
Восточные регионы России - Сибирь и Дальний Восток - обладают огромным потенциалом возобновляемых источников энергии, наиболее перспективные направления их развития - солнечная энергетика, гидроэнергетика в виде малых ГЭС, ветроэнергетика, органические отходы. низкопотенциальное тепло.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Любимова Е. В. Экономические проблемы использования гидроресурсов в большой энергетике Сибирского федерального округа // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. , ч. 3. - С. 237-241.
2. Вахрушева К. Сколько стоит атомный киловатт // Экология и право. 13 мая 2015 г.
3. Рынок геотермальной энергетики. ИАА С1еапёех/Ке8еагсЬ.Тескаг1 http://www.c1eandex.ru/artic1es/2010/08/18/market_for_geotherm_energy
4. Данилова Т. Солнечный прогресс // Атомный эксперт. - 2016. - № 6. - С. 56-61.
© Е. В. Любимова, 2017
