CC BY
95
УДК 504.062.2
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ЮЖНОГО УРАЛА
DOI: 10.24411/1816-1863-2018-14020
A. П. Бутолин, к. г.-м. н, доцент Оренбургского государственного университета, [email protected],
B. А. Щерба, к. г.-м. н, доцент Российского государственного геологоразведочного университета им. С. Орджоникидзе, г. Москва, [email protected],
Е. А. Абрамова, к. г. н, доцент Российского государственного геологоразведочного университета им. С. Орджоникидзе, г. Москва, [email protected]
В статье исследуются возможности использования возобновляемых источников энергии на территории Южного Урала. Проводится анализ термоэнергетических показателей по использованию дифференцированных видов энергии: летом за счет солнечной радиации, а зимой — за счет тепла недр Земли. Анализируется изменение интенсивности солнечной радиации и радиационного баланса в течение суток и на протяжении года; характеризуется ветровой режим территории и делается прогноз перспектив использования ветровой энергии. Предлагается осуществлять инвестирование не только в ископаемые виды топлива, но и в возобновляемые практически неисчерпаемые источники энергии, которые в перспективе позволят занять должное место на энергетическом рынке, а также решить острые экологические проблемы.
The article explores the using of renewable energy sources in the territory of the South Urals. Thermoen-ergy indicators are being analyzed on the use of differentiated types of energy: in summer due to solar radiation, and in winter due to the heat of the Earth's interior. The changes in the intensity of solar radiation and the radiation balance during the day and throughout the year are analyzed; the territory's wind regime is characterized and the outlook for the using of wind energy is made. It is proposed to invest not only in fossil fuels, but also in renewable, practically inexhaustible sources of energy, which in the long term will allow to take a proper place in the energy market, as well as to solve acute environmental problems.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, геотермальные источники энергии, солнечная энергия, ветровые источники энергии, экологические проблемы.
Key words: renewable energy sources, geothermal energy resources, solar energy, wind energy sources, environmental problems.
В странах Западной Европы, в особенности в Исландии, Дании и Норвегии большое внимание уделяется использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В соответствии с д анными Национального энергетического управления Исландии в 2015 г. на ВИЭ в стране приходилось 85,3 % вырабатываемой энергии. Особый интерес в этой стране представляет геотермальная энергетика, доля которой составляет 66 % [1].
В настоящее время существуют различные технологии преобразования солнечной энергии в тепло. В Дании, Швеции, Германии, Австрии, Испании и Греции с начала 1980-х гг. используются солнечные нагреватели, подключенные к локальной или централизованной системе теплоснабжения. Централизованное теплоснабже-
ние является распространенным способом отопления домов и в Финляндии. Доля ветроэнергетики в странах Европейского Союза в 2015 г. достигла 9 % от уровня общего производства энергии; на ветровую энергетику в Дании приходилось 39,1 %, в Португалии — 24,1 %, в Испании — 20,8 % [2, 3].
На территории Южного Урала, в состав которого входит Оренбургская область, солнечная радиация, энергия ветра, речных и геотермальных вод глубоких водоносных горизонтов по месту их концентрации являются внутренним природным ресурсом. Распределение этих видов энергии по площади и по глубине отличается.
Это позволяет рассматривать их как локально ограниченные, но достаточные для производства и частичного экономи-
чески, а также экологически обоснованного обеспечения региона электрической энергией. Возобновляемые источники энергии являются надежным способом защиты экономики от ц еновых колебаний и уменьшения расходов на охрану жизнен -но важных компонентов природной среды. Использование возобновляемых источников энергии практически не вызывает образование парникового эффекта и связанных с ним климатических изменений, не приводит к образованию радиоактивных отходов. Все это вместе взятое улучшает состояние компонентов природной среды за счет снижения вклада в глобальную эмиссию СО2 и придает необходимую гибкость процессам производства энергии, делая их менее зависимыми от ограниченных запасов ископаемого топлива и мест их расположения.
Анализ природных термоэнергетических показателей на Земле по использованию дифференцированных видов энергии (летом за счет солнечной радиации, а зимой — за счет тепла недр Земли) показывает, что интенсивность солнечного излучения максимальна вблизи широты 40° в Северном и Южном полушариях. Это связано с наклоном земной оси к плоскости ее орбиты и поэтому на этих широтах продолжительность светового дня значительнее, чем на экваторе, и интенсивность дневной инсоляции максимальна, оставаясь такой до Полярного круга, хотя интенсивность солнечного излучения при этом несколько уменьшается [4, 5].
Во время летнего солнцестояния в тропиках Солнце практически день находится над головой и продолжительность светового дня равна 13,5 часа, то есть больше, чем на экваторе в д ень равноденствия. При повышении географической широты продолжительность дня возрастает (средняя продолжительность дня в июне в Крыму составляет 15,5 часа, а в Оренбурге — 16,5 часа).
Несмотря на то что интенсивность солнечного излучения при этом уменьшается, максимальное значение дневной инсоляции приходится на широту около 40° (Оренбуржье — 50—52° с. ш.) и остается практически постоянным (для условий безоблачного неба) вплоть до Полярного круга. Оренбуржье находится в глубине материка Евразия и подвержено влиянию
трех климатических областей — Атланти-ко-Европейской, Западно-Сибирской и Западно-Казахстанской. Среднегодовые значения климатических параметров этой территории (по потенциалу загрязнения атмосферы по зонам) относятся к категории «низких» и благоприятны для условий рассеивания вредных веществ в атмосфере (в соответствии со СНиП 11-02—97 «Строительная климатология» рассматриваемая территория относится к III климатическому району). Неблагоприятные метеорологические условия, связанные с туманами, штилями и температурными инверсиями или сочетанием двух или трех из названных факторов, наблюдаются, в среднем, около 0,6 % годового времени [6, 7].
Климат Южного Урала резко континентальный, что объясняется его значительной удаленностью от морей и близостью к полупустыням Казахстана, характеризуется большой амплитудой колебания годовой и суточной температур, сильными ветрами, непродолжительным весенним и продолжительным осенним периодами. Зима длится 4,5 месяца. Среднемесячная температура воздуха самого холодного месяца — января —13,1 °С, минимальная зимняя температура достигает —40—44 °С. Среднемесячные температуры воздуха в июле повышаются с Севера на Юг от + 19 до +22,6 °С, а максимальные температуры в отдельные дни (хотя и редко) достигают +41—44 °С [6].
Радиационные климатические условия, в соответствии с астрономическим фактором и особенностями рельефа характеризуются незначительными разницами положительного радиационного баланса с поступлением более 100—125 ккал/см2 (или 4200—5100 МДж/м2) в год. 49 % поступающей радиации приходится на инсоляцию; радиационный баланс составляет 32—34 ккал/см2 (1340—1425 МДж/м2)/год. Высокий радиационный баланс на территории Южного Урала обеспечивает положительные среднегодовые температуры воздуха от 2,5 до 4,5 °С.
Продолжительность солнечного сияния здесь составляет около 2200 час/год, а в весенне-летний период прямая солнечная радиация достигает 60—65 % от суммарной радиации. Наибольшая продолжительность солнечного сияния — до
а>
о ^
о
О -1
О ^
т О ш
322 час/мес. приходится на июнь, а наименьшая — до 55 час/мес. — на д екабрь. Соответственно наибольшее количество тепла поступает в теплый период года — в июне — июле, когда суммарная радиация достигает 18,9—19,1 ккал/см2 (330—370 Мдж/м2) в месяц. Отношение наблюдаемой продолжительности солнечного сияния к теоретически возможной в среднем составляет 49 %, достигая для летних месяцев 64 % и снижаясь в декабре до 22 %. В среднем, в течение года отмечается 73 дня без солнца.
Годовая сумма радиационного баланса равна 1780 Мдж/м2. Наименьшее отрицательное значение баланса составляет в январе — 37 Мдж/м2 (1,4 ккал/см2), наибольшее, отмечаемое в июле, — 371 Мдж/м2 (10,3 ккал/см2). Смена отрицательных значений радиационного баланса на положительные значения происходит м ежду серединой февраля и серединой марта.
На май, июнь и июль приходится 50—60 % месячного количества радиации. В августе и сентябре, по причине уменьшения прихода солнечной радиации, сокращается и доля радиационного баланса. К октябрю, в связи с увеличением альбедо, наблюдается резкое уменьшение этого соотношения (в среднем до 30 %). Осенью и весной, в зависимости от продолжительности периода залегания снежного покрова, может наблюдаться некоторое колебание сроков изменения отрицательных значений радиационного баланса на положительные значения [7].
Интенсивность проявления солнечной радиации и радиационного баланса изменяется в течение суток. Она зависит, в первую очередь, от высоты солнца над горизонтом, поэтому максимальное значение солнечной радиации приходится на полдень, причем как при ясной погоде, так и при облачной. На суточный ход радиации существенно влияет прозрачность атмосферы. Наиболее ярко это влияние заметно в летние месяцы, когда атмосфера становится менее прозрачной в послеполуденные часы, вследствие ее повышенной запыленности и влажности, чем в утренние. В такие периоды интенсивность прямой радиации и часовые суммы больше утром, чем в соответствующие по высоте солнца над горизонтом послеполуденные периоды.
Средние максимальные значения прямой солнечной радиации, поступающей на
перпендикулярную поверхность, достигают 1,3 кал/см2/мин. В процентном соотношении на рассеянную радиацию в ясную погоду летом в полдень приходится около 15 %, а в зимние месяцы — до 40 %. Доля радиационного баланса в таких условиях составляет около 65 % суммарной радиации. В зимние месяцы радиационный баланс, как правило, отрицателен. Однако в полдень значения могут достигать 0,06 кал/см2 в минуту [6].
Облачность способствует заметному снижению интенсивности прямой и суммарной радиации. Максимальная интенсивность прямой радиации при среднем значении облачности приходится, как правило, на июнь; редко максимальная интенсивность прямой радиации наблюдается в мае или июле. Наибольшее значение интенсивности прямой радиации приходится на период, когда наблюдается наибольшая высота стояния Солнца над горизонтом. При этом максимум интенсивности прямой радиации летом приходится не на полуденные часы, а на утро, что связано с явлением конвективной облачности, которая развивается к полудню.
В основном интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность определяется астрономическим фактором. Максимальное значение прямой радиации приходится на месяцы с наибольшей высотой солнца: июнь — июль, а в суточном ходе — на полуденные часы. Наибольшие величины прямой радиации наблюдаются на юге и изменяются по территории от 0,56 до 0,69 кал/см2 мин. Доля прямой радиации в интенсивности суммарной радиации с апреля по август днем составляет более 50 %. Максимальные величины суммарной радиации наблюдаются в июне и в среднем составляют для большей части территории 0,92—0,95 кал/см2 мин, достигая на юге 1,05 кал/см2 мин.
В отдельные дни при определенных условиях облачности, не закрывающей солнечного диска, суммарная радиация может достигать 1,50—1,70 кал/см2 мин. Радиационный баланс при облачности, так же как прямая и суммарная радиация ниже, чем при ясном небе, но в меньшей степени, что связано с уменьшением расходной части радиационного баланса (эффективного излучения и отраженной радиации).
Относительная величина радиационного баланса поверхности с травяным покровом, по сравнению с общим приходом (суммарной радиацией) в теплый период с мая по октябрь, колеблется от 50 до 70 %. В годовом ходе максимальная интенсивность радиационного баланса наблюдается, в среднем, в июне, реже в июле (так же, как и для суммарной радиации) и колеблется по территории от 0,55 до 0,66 кал/см2 мин.
Ночной радиационный баланс при средних условиях облачности выше, чем баланс при ясном небе, вследствие уменьшения эффективного излучения. В среднем по территории он изменяется в месяцы со снежным покровом от 0,02 до 0,04 кал/см2 мин, а в теплую часть года от 0,04 до 0,07 кал/см2 мин [7].
Общая и ультрафиолетовая радиация, температурный режим и количество дней с грозами способствуют разложению загрязняющих веществ. Благоприятное сочетание природных условий позволило обосновать технико-экономические и экологические параметры для запуска в 2016 г. первой в европейской части России в Переволоцком районе Оренбургской области электростанции мощностью 5 МВт с использованием солнечной радиации. Установка 20 тыс. солнечных панелей на площади 15 га позволяет обеспечить электричеством до одной тысячи частных домохозяйств, снизив негативное воздействие на компоненты природной среды сокращением почти на 4,5 тыс. т в год выбросов углекислого газа в атмосферу.
К концу 2019 г. в Оренбуржье запланировано строительство 9 подобных энергетических установок общей мощностью до 95 МВт. В настоящее время идет строительство крупнейшего в России солнечного блока мощностью 25 МВт в г. Орске.
Ветер на Южном Урале отличается крайней изменчивостью как по направлению, так и по скоростному режиму. В среднем всего 45 дней в году бывают безветренными [7]. Повторяемость направлений ветра и штилей, по многолетним наблюдениям метеорологических станций гг. Оренбурга и Челябинска, составляет за год в %: СВ-8, С-10, В-20, ЮВ-9, Ю-12, ЮЗ-15, З-18, СЗ-10, штиль-3,9. Скорость ветра, повторяемость превыше-
ния которой для данного района составляет 5 %, достигает 9 м/с. Зимой преобладает восточное и юго-западное направление ветра, летом — восточное и западное. Средняя скорость ветра составляет 4,0 м/с.
Характерны сильные ветры, дующие зимой во время снежных буранов и летом в периоды, характеризующиеся низкой относительной влажностью и высокой среднесуточной температурой. Подобный ветровой режим и равнинный характер местности способствуют внедрению ветровых источников энергии в Оренбуржье [6].
В Оренбургской области уже действуют первые маломощные ветряные электростанции, и предполагается возведение еще нескольких новых электростанций, использующих энергию ветра, которые на первом этапе будут работать в дополнение к уже имеющимся традиционным ТЭЦ и ГЭС.
Получение электрической энергии с использованием тепла земных недр является экономически выгодным, что доказано уже действующими геотермальными электростанциями в России, Италии, Казахстане и других странах. По результатам зарубежных исследователей стоимость потребления геотермальной энергии сопоставима со стоимостью использования наиболее дешевой энергии гидроэлектростанций и даже атомных электростанций [8].
Существует две схемы получения энергии на таких станциях: прямая — с использованием сухого пара и смешанная схема (бинарный цикл). По первой схеме природный перегретый пар из скважин подается прямо в турбину, а после отработки выходит в атмосферу или в устройство, которое улавливает химические элементы. Такая схема л ежит в основе работы крупнейшей в мире ГеоТЭС «Гейзерс» в Калифорнии, США. Преимущество этой схемы — коэффициент использования установленной мощности составляет 98 %.
По второй схеме с бинарным циклом горячая геотермальная вода и дополнительная жидкость с более низкой, чем у воды, точкой кипения пропускается через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает дополнительную жидкость, пары которой приводят в действие турби-
а>
о ^
о
О -1
ну. Так как эта система замкнута — вых бросы в атмосферу сводятся к нулю. о В соседнем Казахстане были проведены
§ геотермальные исследования и предложе-15 ны м етоды использования геотермальной ® энергии для выработки электроэнергии, приспособленные под климатические и геологические условия, схожие с условиями Оренбургской области. Гидрогеотермальные месторождения вскрываются скважинами; после установления глубинных градиентов температуры и давления, изучения степени минерализации пара или горячей воды, наличия в их составе химических соединений и газа в скважину опускают парогенератор, оснащенный снизу сепаратором для очистки пара. Вырабатываемый электрический ток поднимается на дневную поверхность по кабелю [8, 9].
Перспективы строительства геотермальных электростанций по всему м иру, и в том числе в России, выглядят весьма оптимистично. В ближайшие годы мощности уже действующих станций возрастут более чем на 40 % и достигнут 11 400 МВт. Здесь лидируют страны Юго-Восточной Азии. На Филиппинах за последние пять лет введены мощности на ГеоЭС в 682 МВт. В Индонезии — на 280 МВт.
В Европе только Исландия и Италия продолжают наращивать мощности на таких электростанциях; в Турции пока имеется только одна геотермальная электростанция в Кызылтере мощностью 20,4 МВт и существует проект строительства новой в Герменжике на 25 МВт [10].
Южный Урал располагается на границе юго-восточной окраины Восточно-Европейской платформы и южной части
Уральской горноскладчатой страны. В составе платформенной части Оренбуржья выделяются юго-восточный склон Волго-Уральской антеклизы, северный борт Прикаспийской синеклизы и Предуральский краевой прогиб.
На территории Волго-Уральской ан-теклизы кристаллический фундамент относительно приподнят, а мощность осадочных пород невелика. Геотермические исследования скважин, проведенные в юго-западной части Оренбуржья, показали оптимистичные с точки зрения использования геотермальной энергии результаты. Так, температура, зарегистрированная в скважине Зайкинского месторождения на глубине 4562 м, составила 105 °С, в скважине Пролетарского месторождения на глубине 4603 м — 99 °С и на глубине 4540 м — 101,5 °С, Восточно-Долинного месторождения на глубине 4929 м — 101 °С.
Подобная динамика температур прослеживается практически в западной части Южного Урала, и это естественно, так как юго-западное погружение Бузулук-ской впадины осложнено ступенчатыми тектоническими разломами, которые можно рассматривать как потенциальные источники геотермальной энергии. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о том, что территория Южного Урала обладает значительными запасами инсоляционной, атмосферной и геотермальной энергии, использование которой позволит в значительной мере пополнить энергетические потребности региона и способствовать решению современных экологических проблем.
Библиографический список
1. Icelandic National Energy Authority Energy Data. [Electronic resource]. Icelandic National Energy Authority [Official website]. Available at: http: //www.nea.is/the-national-energyauthority/ energy-data/da-ta-repository/ (accessed: 15.10.2018).
2. The role and opportunities for solar energy in Finland and Europe. Timo Hakkarainen, Eemeli Tsupari, Elina Hakkarainen & Jussi Ikaheimo VTT Technical Research Centre of Finland Ltd ISBN 978-951-388235-8 (Soft back ed.) (Available at: http://www.vtt.fi/publications/index.jsp) VTT Technology 217.
3. Нарышкин А. А., Тюрин А. Е. Перспективы применения в России опыта северной Европы в части использования возобновляемых источников энергии // Вестник Череповецкого государственного университета. — 2017. — № 1. — С. 64—73.
4. Осадчий Г. Б. Солнечная энергия, ее производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). Омск: ИПК Макшеевой Е. А., 2010. — 572 с.
5. Осадчий Г. Б. Солнечное излучение и геотермальное тепло для комбинированных систем энергоснабжения // Газета «Энергетика и промышленность России» / № 23—24 (211—212). Декабрь. 2012.
6. Русскин Г. А. Физическая география Оренбургской области. — Оренбург: Оренбургское книжное
изд., 1999. - 64 с. е
7. Чибилев А. А., Ахметов Р. Ш., Гаврилов О. В., Герасименко Т. И., Петрищев В. П., Семенов Е. А. О География Оренбургской области. М.: Изд-во МГУ, 2003. — 192 с. к
8. Мендебаев Т. Н., Онищенко В. И. Гидротермальная энергия Земли. — СПб.: МАНЭБ // Эколо- § гия и развитие общества. — 2011. — № 1—2. — С. 21—24. г
9. Мендебаев Т. Н. Способ извлечения гидротермальной энергии. Патент № 22842 Республики Ка- Я захстан. Бюл., 2010. — № 8.
10. Дворов И. М. Геотермальная энергетика. — М.: Наука, 1996. — 256 с.
RENEWABLE ENERGY SOURCES OF THE SOUTH URALS
A. P. Butolin, Ph. D. (Geol.-Mineral. Sc.) Associate Professor at the Orenburg State University, [email protected],
V. A. Scherba, Ph. D. (Geol.-Mineral. Sc.), Associate Professor at the Russian State Geological Survey University. S. Ordzhonikidze, Moscow, [email protected],
E. A. Abramova, Ph. D, Associate Professor at the Russian State Geological Survey University. S. Ordzhonikidze, Moscow, [email protected]
References
1. Icelandic National Energy Authority Energy Data. [Electronic resource]. Icelandic National Energy Authority [Official website]. Available at: http: //www.nea.is/the-national-energyauthority/ energy-data/da-ta-repository/ (accessed: 15.10.2018).
2. The role and opportunities for solar energy in Finland and Europe. Timo Hakkarainen, Eemeli Tsupari, Elina Hakkarainen & Jussi Ikaheimo VTT Technical Research Centre of Finland Ltd ISBN 978-951-388235-8 (Soft back ed.) (Available at: http://www.vtt.fi/publications/index.jsp) VTT Technology 217.
3. Naryshkin A. A., Turin A. E. Ptrspektivi primeneniya v Rossii opita ceverhoi Evropi v chaste ispol'zovania vozobnovlyaemikh istochnikov energii [Prospects of application in Russia of Northern Europe experience in renewable energy sources (RES) use] // Bulletin of the Cherepovets State University. — 2017. — No. 1. — P. 64—73. [in Russian]
4. Osadchy G. B. Solnechaya energia, eyo proizvodnie i tekhnologii ikh ispol'zovania (Vvedenie v energetiku VIE) [Solar energy, its derivatives and technologies for their use (Introduction to the energy sector of renewable energy)]. Omsk: IPK Maksheeva E. A., 2010. — 572 p. [in Russian]
5. Osadchy G. Solnechnoe izluchenie i geotermal'noe teplo dlya kombinirovanikh system energosnabygeniya [Solar radiation and geothermal heat for combined power supply systems] // Energy and Industry of Russia Newspaper / No. 23—24 (211—212). December. 2012. [in Russian]
6. Ruskin G. A. Fizicheskaya geografiya Orenburgskoy oblasti [Physical geography of the Orenburg region]. Orenburg: Orenburg book ed., 1999. — 64 p. [in Russian]
7. Chibilev A. A., Akhmetov R. Sh., Gavrilov O. V., Gerasimenko T. I., Petrishchev V. P., Semenov E. A. Gegrafiya Orenburgskoy oblasti [Geography of the Orenburg region]. M: Moscow State University Publishing House, 2003. — 192 p. [in Russian]
8. Mendebaev T. N., Onishchenko V. I. Gidrotermal'naya energiya Zemli [Hydrothermal energy of the Earth]. SPb.: MANEB // Ecology and development of society. — 2011. — № 1-2. — P. 21—24. [in Russian]
9. Mendebaev T. N. Sposob izvlecheniya gidrotermal'noi energii [Method of extracting hydrothermal energy]. Patent No. 222842, Republic of Kazakhstan. Bul., 2010, — № 8. [in Russian]
10. Dvorov I. M. Geotermal'naya energetika [Geothermal energy]. M.: Science, 1996. — 256 p. [in Russian]
25
№4, 2018
