Сравнение ветряных, концентрированных солнечных и тепловых (работающих на природном газе) электростанций
реклама
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) ФАКУЛЬТЕТ ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЕ КАФЕДРА ЭКОЛОГИЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ НА ТЕМУ: _____«Сравнение ветряных концентрированных, солнечных и тепловых (работающих на природном _____________________газе)»____________________ Студент ____Э9-61Б___ _________________ __Е.Е. Черкасова_____ (Группа) Руководитель (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) _________________ __Д.В. Сазонов______ (Подпись, дата) 2024 г. (И.О.Фамилия) Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) УТВЕРЖДАЮ Первый зам. зав. кафедрой Э9 (Индекс) В. А. Девисилов (И.О.Фамилия) « » февраля 2024 г. ЗАДАНИЕ на выполнение научно-исследовательской работы по теме «Сравнение ветряных, концентрированных солнечных и тепловых (работающих на природном газе) электростанций» Студент группы Э9-61б Черкасова Елизавета Евгеньевна Направленность НИР: учебная Источник тематики: кафедра График выполнения НИР: 25% к 4 нед., 50% к 9 нед., 75% к 12 нед., 100% к 15 нед. Техническое задание: Кратко описать принцип выработки электроэнергии на трёх типах электростанций (ветряных; солнечных концентрированных; тепловых, работающих на природном газе). Сравнить указанные типы электростанций по основным эксплуатационным показателям и воздействию на окружающую среду: удельная (на площадь) выработка электроэнергии, количество используемого топлива, постоянство выработки энергии и возможность регулирования выработки, влияние на окружающую среду... (где возможно – на примере конкретных электростанций в России и мире). Оформление научно-исследовательской работы: Расчетно-пояснительная записка на 20-25 листах формата А4. Перечень графического (иллюстративного) материала (чертежи, плакаты, слайды и т.п.) Дата выдачи задания « Руководитель НИР » февраля 2024 г. Д. В. Сазонов (Подпись, дата) Студент Е. Е. Черкасова 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 4 1 РАБОТА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ .............................................................................. 6 1.1 Принцип работы ветряных электростанций ........................................................ 6 1.1.1 Ветряные турбины с горизонтальной осью ...................................................... 7 1.1.2 Ветряные турбины с вертикальной осью вращения ........................................ 9 1.2 Принцип работы солнечных электростанций ................................................... 11 1.3 Принцип работы тепловых электростанций (работающих на природном газе) ..................................................................................................................................... 14 2 СРАВНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ........................................ 17 2.1 Сравнение мощностей разных типов электростанций ..................................... 17 2.2 Сравнение экономической эффективности указанных типов электростанций ..................................................................................................................................... 20 2.3 Проблемы внедрения солнечных и ветровых электростанций для промышленного производства электроэнергии ...................................................... 23 2.4 Перспективы развития солнечной и ветряной энергетики в России ............... 25 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................... 29 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ................................................ 31 3 ВВЕДЕНИЕ С целью предотвращения негативного влияния энергетики на климатическую систему во многих странах мира предпринимаются меры, направленные на уменьшение выбросов в атмосферу парниковых газов, в первую очередь диоксида углерода CO2. Особое значение в связи с этим придается развитию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Для стимулирования внедрения ВИЭ используются различные методы: введение фиксированных тарифов на продажу электроэнергии от энергоисточников на возобновляемых энергоресурсах, субсидии инвесторам (компенсация капиталовложений), гарантии возврата инвестиций, установление квот с введением «зеленых сертификатов» и др. Кроме этого, для энергоисточников на органическом топливе вводятся налоги на выбросы CO2 (carbon tax) и системы торговли квотами (Emissions Trading Systems, ETS). Величина налога в разных государствах составляет от 1 до 127 дол./т CO2. В странах СНГ введение экологического налога в настоящее время не рассматривается, но это возможно в более отдаленной перспективе [1]. Цель данной научно-исследовательской работы – выявление конкурентоспособности и целесообразности использования возобновляемых источников энергии по сравнению с наиболее распространенными типами электростанций (ЭС) на данный момент. Основные задачи: 1 Сравнение мощностей ветровых, солнечных концентрированных и тепловых (работающих на природном газе) электростанций. 2 Сравнение количества используемого топлива на указанных типах электростанций. 3 Сравнение постоянства выработки энергии на указанных типах электростанций. 4 4 Возможности регулирования выработки на указанных типах среду указанных типов электростанций. 5 Сравнение влияния на окружающую электростанций. 5 1 РАБОТА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 1.1 Принцип работы ветряных электростанций Преобразование ветровой энергии в электроэнергию осуществляется с помощью электромеханических машин, называемых ветряными турбинами, которые способны преобразовывать кинетическую энергию ветра в это устройство, электроэнергию для подачи в электрическую сеть. Ветряная электростанция (ветрогенератор) – преобразующая кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Скорость ветра определяет величину кинетической энергии ветра: чем больше скорость, тем больше кинетическая энергия ветра. Для выработки электроэнергии скорость ветра необходимая должна быть, по крайней мере 3,5-4,0 м/с (экономическая целесообразность) и не более 10-15 м/с. Скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому ветряные электростанции строят на вершинах холмов или возвышенностей, а генераторы устанавливают на башнях высотой 30-60 метров. Ветряная электростанция включает в себя несколько ветроэлектрических установок (ветрогенераторов), собранных в одном или нескольких местах и объединённых в единую сеть для выработки электрической энергии. Поток ветра оказывает давление на лопасти ветрогенераторов и приводит их в движение, которые через специальный привод (редуктор) заставляют вращаться ротор генератора. Когда ротор генератора начинает вращаться в статорной обмотке генератора индуцируется напряжение за счет вращения магнитного поля ротора. При наличии подключенного потребителя электрической энергии в статорной обмотке начинает протекать электрический ток. Воздушный поток, как и любое движущееся тело, обладает энергией движения или запасом кинетической энергии, которая преобразуется в 6 механическую энергию. Мощность, развиваемая на оси ветроколеса, пропорциональна квадрату его диаметра и кубу скорости ветра. 𝜌 ∗ 𝜈3 ∗ 𝐹 𝑤= , 2 (1) где ρ – плотность воздуха при нормальных условиях, 1,23 кг/м3; υ – скорость воздушного потока м/с; F - поперечное сечение лопастей ветрогенератора, м2. Ветроколесо может преобразовывать в полезную работу только часть этой энергии, которая оценивается коэффициентом использования энергии ветра. Идеализированное ветроколесо (с бесконечным числом лопастей) может извлечь 59,3% энергии, проходящей через его поперечное сечение (по классической теории Жуковского Н.Е.). В настоящее время существует два основных конструктивных типа турбин ветрогенераторов: • турбина с горизонтальной осью вращения, параллельной воздушному потоку; • турбина с вертикально-осевой осью вращения, перпендикулярной воздушному потоку. 1.1.1 Ветряные турбины с горизонтальной осью Ветряные турбины с горизонтальной осью вращения, представленные на рисунке 1, в настоящее время являются более распространенными, чем ветряные турбины с вертикальной осью вращения. 7 Рисунок 1 – Ветрогенератор с горизонтальной осью вращения и ветрогенератор с вертикальной осью вращения Кроме всего прочего, ветроустановки с вертикальной осью вращения превосходят по ряду параметров (нет зависимости от направления потока ветра, меньшие габаритные размеры, простота конструкции) ветроустановки с горизонтальной осью вращения, однако, обладают более низкими вращения содержат энергетическими характеристиками. Ветряные турбины с горизонтальной осью вертикальную опорную конструкцию. На данной конструкции расположен ветровой ротор, который содержит группу лопастей. Вращение лопастей приводит в движение низкоскоростного вращающийся вал, который в свою очередь через редуктор приводит в движение высокоскоростной вал. На высокоскоростном валу закреплен ротор генератора. Коэффициент использования энергии ветра в ветряных турбинах с горизонтальной осью вращения достигает значений: у быстроходных агрегатов до 0,45-0,48, а у тихоходных агрегатов до 0,36-0,38. Основными преимуществами ветроустановок с горизонтальной осью вращения ветроколеса является то, что условия обтекания лопастей воздушным потоком постоянны, не изменяются при повороте ветроколеса, а определяются только скоростью ветра. 8 1.1.2 Ветряные турбины с вертикальной осью вращения Ветряные турбины с вертикальной осью вращения содержат также вертикальную опорную конструкцию. На данной конструкции расположен ветровой ротор, который состоит из двух-четырех изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении аэродинамический профиль. Лопасти, закрепленные в двух точках (внизу и наверху) на оси вращения, и изогнуты так, что образуют пространственную конструкцию, вращаю­щуюся под действием подъемной силы, возникающей на лопастях от ветрового потока. Вращение лопастей приводит в движение вращающийся вал, который в свою очередь через редуктор приводит в движение высокоскоростной вал. На высокоскоростном валу закреплен ротор генератора. Коэффициент использования энергии ветра в ветряных турбинах с вертикальной осью вращения достигает значений 0,30-0,35. Основными преимуществами ветряной турбины с вертикальной осью вращения являются его меньший относитель­ный вес на единицу мощности, большая быстроходность, а также данный механизм не нуждается в ориентации по направлению ветрового потока, в связи с чем отпадает необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер. Общим недостатком вертикальных роторов является низкая эффективность, возникающая из-за одновременного воздействия потока ветра на рабочую и обратную поверхность лопастей, компенсирующего усилия. Этот недостаток постоянно пытаются обойти, создаются разные варианты конструкции с той или иной степенью эффективности. В настоящее время создано много новых необычных конструкций ветрогенераторов, некоторые из которых имеют высокую эффективность, вследствие чего способны стать прототипами энергетических устройств будущего. К таким устройствам можно отнести: ветровая турбина гиперболоидного типа, ветрогенератор Третьякова, ветровая роторная турбина Болотова и т.п. Ветровые электростанции строят в местах с высокой средней скоростью ветра – от 4,5 м/с и выше. Обычно ветряные электростанции строят либо в 9 материковой части или в прибрежной части или шельфовой части. В материковой части ВЭС строят на холмах и на возвышенностях размещённые высоко над землёй, для использования более сильного и стойкого ветра. В прибрежной части или шельфовой части ВЭС строят на небольшом удалении от берега моря или океана. На побережье с суточной периодичностью дует бриз, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и водоёма. Дневной, или морской бриз, движется с водной поверхности на сушу, а ночной, или береговой – с остывшего побережья к водоёмам. Для оценки преобладающего направления ветров строится роза ветров, представляющая собой векторную диаграмму, у которой длина лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях, соразмерна повторяемости ветров этих направлений. Средняя скорость ветра служит ориентировочным показателем, характеризующим целесообразность установки ветроэлектростанции в данной местности. Критерием служит значения скорости ветра, при которых современные ветроустановки начинают вращаться и развивают свою ветроэнергетики является – возобновляемость номинальную мощность. Преимуществами природного ресурса и его доступность на территории, а также отсутствие вредных выбросов в атмосферу. Среди недостатков отмечается следующее: • требуются территории с большой площади для установки ВЭС. Ветряные станции занимают значительные территории, чтобы иметь выработку электроэнергии на промышленном уровне, также ветряные станции производят большой шум, что обязывает их постройку вдали от населенных пунктов. В регионах с повышенной ветровой активностью предпочтительной является постройка ветряных электростанции; • большие капитальные затраты на установку оборудования; • непостоянная выработка 10 электроэнергии, т.к. выработка электроэнергии зависит от скорости ветра; • непостоянный и стихийный характер источника энергии несет финансовые затраты, связанные как с отсутствием ветра – штилем, что вынуждает подключения иных дополнительных источников энергии, так и со штормовым ветром, что также вынуждает принудительно отключать ветроустановку или ремонтировать её впоследствии. Постоянно растущие потребности человечества в энергии сегодня удовлетворяются в основном за счёт переработки традиционного топлива. Количество этого топлива ограничено, и как следствие мир столкнётся с серьёзными энергетическими проблемами. Запасы традиционных источников энергии однажды будут исчерпаны, и этот факт заставляет вести активные поиски альтернативных (возобновляемых) источников энергии. Один из вариантов - энергия ветра [2]. 1.2 Принцип работы солнечных электростанций Благодаря увеличению объемов производства тонкопленочных солнечных модулей в мире наблюдается бурный рост производства солнечной электроэнергии. Высокие темпы развития этой отрасли в западных странах позволяют утверждать, что солнечные батареи (СБ) скоро станут одним из главных источников электроэнергии [2, 3]. Известно, что солнечные электростанции (СЭС) могут быть двух типов: термодинамические термодинамических и фотоэлектрические. солнечных электростанций Принцип основан на действия нагревании теплоносителя солнечным излучением с помощью специальных оптических систем с дальнейшим преобразованием тепловой энергии в механическую и далее в электрическую [4]. 11 Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию, как правило, осуществляется по трём направлениям: применение рассредоточенных коллекторов, использование системы с центральной солнечной башней, применение солнечного коллектора с центральной трубой. В настоящее время наибольшее распространение получили СЭС с рассредоточенными коллекторами (рисунок 2). Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию теплоносителя осуществляется множеством сравнительно небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо ориентируется на солнце. Концентраторы имеют зеркальную отражающую поверхность параболической формы. В фокусе концентраторов устанавливается приёмное устройство, в котором солнечная энергия передаётся жидкости, выполняющей функции теплоносителя. Энергия нагретой жидкости от всех коллекторов используется для получения механической энергии с помощью тепловых двигателей. Рисунок 2 – Солнечные коллекторы Как правило, в качестве теплоносителя используется вода, которая под воздействием концентрированного солнечного излучения преобразуется в пар. Под высоким давлением он поступает на лопатки турбины, на одном валу с которой находится генератор электроэнергии. После использования в турбине 12 пар концентрируется и возвращается в энергетический блок, где вода вновь преобразуется в пар [5]. Самый распространённый тип электростанций – СЭС с параболическими зеркалами (рисунок 3). Рисунок 3 – СЭС с параболическими зеркалами В солнечных электростанциях башенного типа оптическая система представляет собой комплекс автономно ориентированных зеркал гелиостатов, установленных у подножия башен (рисунок 4). Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется аналогично энергопреобразованию на тепловых электростанциях. Рисунок 4 – Солнечные электростанции башенного типа Эксплуатационно-технические характеристики СЭ башенного типа ниже, чем станции с рассредоточенными коллекторами. В целом СЭ термодинамического типа целесообразно использовать на больших мощностях, 13 превышающих 100 МВт [6]. Основные факторы, влияющие на проектирование систем электроснабжения: энергетический потенциал возобновляемых источников энергии, а также его изменение во времени; рельеф и климатические условия местности; энергетическая потребность и мощность потребителей, а также годовой график электрической нагрузки; требования к надёжности (бесперебойности) электроснабжения; требования к показателям качества электроэнергии; экономические показатели системы электроснабжения. Энергетический потенциал солнечной энергетики распределён по территории России относительно равномерно. Поэтому возможно повсеместное использование СЭ как прямого, так и рассеянного образования энергии. Основной распространённой рекомендацией о целесообразности применения СЭ является уровень удельной годовой инсоляции, который должен быть более 1000 кВт·ч/м2 горизонтальной поверхности [3]. 1.3 Принцип работы тепловых электростанций (работающих на природном газе) Тепловые электростанции. Основными тепловыми электрическими станциями на органическом топливе являются паротурбинные электростанции, которые делятся на конденсационные (КЭС), вырабатывающие только электрическую энергию, и теплофикационные (ТЭЦ), предназначенные для выработки электрической и тепловой энергии. Паротурбинные электростанции выгодно отличаются возможностью сосредоточения огромной мощности в одном агрегате, относительно высокой экономичностью, наименьшими капитальными затратами на их сооружение и короткими сроками строительства. Основными 14 тепловыми агрегатами паротурбинной ТЭС являются паровой котел и паровая турбина (рисунок 5). Паровой котел представляет собой системы поверхностей нагрева для производства пара из непрерывно поступающей в него воды путем использования теплоты, выделяющейся при сжигании топлива, которое подается в топку вместе с необходимым для горения воздухом. Поступающую в паровой котел воду называют питательной водой. Питательная вода подогревается до температуры насыщения, испаряется, а выделившийся из кипящей (котловой) воды насыщенный пар перегревается. Рисунок 5 – Принципиальная схема КЭЦ (а) и ТЭЦ (б): 1 – паровой котел, 2 – паровая турбина, 3 – электрический генератор, 4 – конденсатор, 5 – конденсатный насос, 6 – питательный насос, 7 – подогреватель низкого давления, 8 – подогреватель высокого давления, 9 – деаэратор, 10 – подогреватель сетевой воды, 11 – промышленный отбор пара, 12 – водоподготовительная установка. При сжигании топлива образуются продукты сгорания – теплоноситель, который в поверхностях нагрева отдает теплоту воде и пару, называемый рабочим телом. После поверхностей нагрева продукты сгорания при относительно низкой температуре удаляются из котла через дымовую трубу в атмосферу. На электростанциях большой мощности дымовые трубы выполняют высотой 200-300 м и больше, чтобы уменьшить местные концентрации загрязняющих веществ в воздухе. Полученный в котле перегретый пар поступает в турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую, 15 передаваемую валу турбины. С последним связан электрический генератор, в котором механическая энергия превращается в электрическую. Отработавший пар из турбины направляют в конденсатор – устройство, в котором пар охлаждается водой какого-либо природного (река, озеро, пруд, море) или искусственного (градирня) источника и конденсируется. На современных КЭС с агрегатами единичной мощности 200 МВт и выше применяют промежуточный перегрев пара. Обычно применяют одноступенчатый промежуточный перегрев пара (рисунок 5, а). В установках очень большой мощности применяют двойной промежуточный перегрев, при котором пар из промежуточных ступеней турбины дважды возвращают в котел. Промежуточный перегрев пара увеличивает КПД турбинной установки и соответственно снижает удельный расход пара на выработку электроэнергии, а также влажность пара на ступенях низкого давления турбины и уменьшает коррозионный износ лопаток [4]. Чрезмерное потребление электроэнергии требует срочного повышения эффективности производства тепловой энергии на ископаемом топливе для экономии ресурсов ископаемого топлива и одновременного сведения к минимуму таких загрязнителей, как SO2, летучая зола и другие отходящие газы. Таким образом, повышение эффективности производства тепловой энергии всегда было основной темой энергетической отрасли. Прежде всего, большая часть потерь энергии на тепловых электростанциях происходит из-за паровой турбины. Эффективность тепловой электростанции можно повысить либо за счет энергосбережения внутри системы, либо за счет увеличения разницы между начальными и конечными параметрами пара. Однако в документе не учитывалось влияние давления при обсуждении эффективности в рамках цикла Ренкина [5]. 16 2 СРАВНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 2.1 Сравнение мощностей разных типов электростанций Сравним мощностные показатели действующих в России СЭС и ВЭС с аналогичными показателями электростанций традиционной энергетики, а именно тепловыхэлектростанций (ТЭС). Особый интерес представляет такой показатель, как среднегодовая удельная 𝑁уд = 𝑁уст , 𝑆 ∗ 100% электрическая мощность электростанции (2) где Nуд – коэффициент использования установленной мощности, %; Nуст – установленная электрическая мощность электростанции, МВт; S – площадь территории электростанции, км2. Среднегодовая удельная электрическая мощность характеризует эффективность использования территорий для производства электроэнергии, поскольку показывает, сколько среднегодовой вырабатываемой электростанцией мощности приходится на единицу площади её территории. По нему можно оценить сколько территории будет отчуждено при строительстве новой электростанции определённого типа. В таблице 1 приведены значения среднегодовой удельной мощности некоторых российских электростанций, рассчитанные по данным открытых источников. Площади территорий электростанций рассчитаны с помощью ресурса Google Earth. Для заполнения табл. 1 в основном использованы данные за 2018 год. 17 Таблица 1 – Значения среднегодовой удельной мощности некоторых российских электростанций Электростанция Установленна Тепловая Коэффициент Площадь Среднегодова (Собственник) я Мощность использовани территори я удельная электрическая , Гкал/ч я и, км2 электрическа мощность. установленно я мощность МВт й мощности Вт/м2 (КИУМ), % СЭС Перово (ООО 106 0 14,3 2,09 7,25 10 0 14,3 0,258 5,54 1 0 13,7* 0,0432 3,17 35 0 27,7 7,14 136 16 0 8,39 2,52 0,533 22 0 4,67 0,103 0,997 160 0 42,0 0,143 470 «Актив Солар») Бичурская СЭС (ООО «Авелар СоларТехнолоджи ») СЭС Батагай (АО «Сахаэнерго») ВЭС Ульяновская ВЭС1 (ПАО «Фортум») Тархамкутская ВЭС (ГУП РК «Крымские генерирующие системы») ВЭС Тюпкильды (ООО «Башкирская генерирующая компания») ТЭС Талаховская ТЭС (ООО «Калининградская генерация») 18 Окончание таблицы 1 Новокузнецкая ГГЭС 298 0 22,8 0,0714 952 210 447 39,6 0,268 310 163 820 50,6 0,247 308 236 390 45,1 0,0520 2040 161 50 70,6 0,0392 2900 (ООО «Сибирская генерирующая компания») Приуфимская ТЭЦ (ООО «Башкирская генерирующая компания») Камчатская ТЭЦ-2 (АО «КАМЧАТСКЭНЕРГО») ТЭС Международная (ООО «Ситиэнерго») Сочинская ТЭС (АО «ИНТЕР РАОЭлектрогенерация») Как видно из результатов расчётов, представленных в табл. 1, среднегодовая удельная мощность СЭС и ВЭС на 2-3 порядка ниже, чем у электростанций традиционной энергетики. При этом следует учитывать, что среднегодовая мощность, вырабатываемая СЭС и ВЭС, главным образом определяется погодными условиями, в то время как мощность, вырабатываемая традиционными электростанциями, определяется потребностями в электроэнергии и длительностью техобслуживания, которая регламентируется, поэтому потребители, запитанные от электростанций традиционной энергетики более энергонезависимы, чем потребители, использующие «зелёную» энергию. Если сделать отступление в сторону традиционной энергетики, стоит заметить, что наибольшими удельными мощностями обладают современные ТЭС, имеющие в составе оборудования газотурбинные установки. Традиционные ТЭЦ с паротурбинными установками (Приуфимская ТЭЦ, Камчатская ТЭЦ-2) заметно уступают по удельной мощности газотурбинным ТЭС (Талаховская ТЭС, Новокузнецкая ГТЭС) и парогазовым ТЭС (ТЭС 19 Международная, Сочинская ТЭС). Можно сделать вывод, что среди применяемых в современной энергетике электростанций парогазовые ТЭС обладают наибольшей удельной мощностью, обходя по данному показателю в том числе атомные и гидроэлектростанции [6]. 2.2 Сравнение электростанций экономической эффективности указанных типов При сравнении энергетических технологий в качестве критерия часто используют стоимость энергии. Она равна удельным затратам на производство энергии и одновременно представляет собой ее минимальную цену, при которой проект энергоснабжения остается эффективным. Стоимость можно представить в виде суммы слагаемых, учитывающих затраты на строительство и эксплуатацию установки, затраты на топливо и плату за выбросы вредных веществ [7]. Первая составляющая стоимости электроэнергии прямо пропорциональна удельным капиталовложениям k и обратно пропорциональна коэффициенту использования установленной мощности CF (КИУМ) и зависит от коэффициента возврата капитала F, годовой нормы дисконта d, сроков строительства ∆T и службы T, ежегодных условно постоянных издержек µ, затрат энергии на собственные нужды β. Топливная составляющая прямо пропорциональна цене топлива p и обратно пропорциональна КПД η. Для учета платы за выбросы цена топлива заменяется на произведение коэффициента эмиссии a на цену выбросов диоксида углерода p*. Для определения стоимости электроэнергии использовали следующую формулу: 𝑒 𝜎𝛥𝑇 − 1 𝑘 𝑝 𝑎𝑝∗ 𝑆 = [𝐹 + 𝜇] + + , 𝜎∆𝑇 𝐶𝐹𝐻 (1 − 𝛽) 8.15 ∗ 103 𝜂 8.15 ∗ 103 𝜂 20 (3) где F=σ/(1-𝑒 𝜎𝑇 ); σ=ln(1+d); H – количество часов в году. Стоимость электроэнергии для тепловых электростанций (ТЭС) на органическом топливе (минимальной для угольных или газовых ТЭС) и для возобновляемых источников энергии в России и странах Центральной Азии приведена на рисунке 6. Рисунок 6 – Стоимость электроэнергии для энергоисточников разных типов в России и странах Центральной Азии: TPP – тепловые электростанции; WT – ветроэлектростации. Из рисунка 6 видно, что с учетом платы за выбросы диоксида углерода интервалы неопределенности стоимости электроэнергии тепловых, ветровых и солнечных электростанций пересекаются. Это свидетельствует о том, что при определенных условиях ВЭС и СЭС конкурентоспособны с электростанциями на органическом топливе. В условиях Центральной Азии СЭС могут работать с коэффициентом использования установленной мощности около 0,25 и вырабатывать электроэнергию стоимостью 3-5 цент./(кВт⋅ч). При таких показателях ВЭУ и СЭС могут быть конкурентоспособны с ТЭС без дополнительных мер стимулирования их внедрения. Следует отметить, фотоэлектрические электроэнергию в условиях преобразователи (ФЭП) стоимостью что 9-12 цент./(кВт⋅ч), 21 Республики могут а Беларусь вырабатывать ветроэнергетические установки (ВЭУ) – 4-6 цент./(кВт⋅ч). Это свидетельствует о том, что ветроэнергетика является практически конкурентоспособной с ТЭС, а солнечная энергетика станет экономически эффективной при введении платы за выбросы диоксида углерода. Расчеты стоимости электроэнергии позволяют предварительно оценить эффективность применения ФЭП и ВЭУ. При работе в системах автономного и централизованного электроснабжения возникают системные эффекты, обусловленные совместной работой ФЭП, ВЭУ и дублирующих источников электрической энергии. Для их учета используется математическая модель. Результаты расчета оптимального соотношения выработки электроэнергии между ФЭП и ВЭУ на модели REM-2 при разных ценах на электроэнергию (7 цент./(кВт⋅ч) в России и 5 цент./(кВт⋅ч) в Центральной Азии) от сетевого дублирующего источника и различных климатических условиях приведены на рисунке 7. Использовались характеристики солнечной радиации и ветра, приведенные в соответствующих выпусках справочников по климату для России, Казахстана и Средней Азии. Отдельно рассмотрены северные (North) и южные (South) районы. Рисунок 7 – Оптимальные соотношения выработки электроэнергии ФЭП и ВЭУ конкурентоспособны, если вырабатывают более дешевую электроэнергию, чем электроэнергия из сети. По мере увеличения прихода солнечной радиации от северных районов к южным возрастает роль ФЭП. В северных районах России (RU-North) (приход солнечной радиации не превышает 1200 кВт⋅ч/м2 в год) применение ФЭП нецелесообразно, а основную 22 часть выработки обеспечивают ВЭУ. В южных районах (RU-South) при увеличении инсоляции до 1400 кВт⋅ч/м2 в год и снижении средней многолетней скорости ветра с 7 до 6 м/c увеличивается роль ФЭП и дублирующего энергоисточника. В Центральной Азии в оптимальный план входят три энергоисточника; по мере увеличения прихода солнечной радиации оптимальная доля ФЭП возрастает. С учетом того, что цена электроэнергии в этом регионе не превышает 5 цент. за 1 кВт⋅ч, относительно велика роль сетевого дублирующего источника. По мере роста тарифов на электроэнергию будет возрастать роль ВЭС (в северных районах) и СЭС (в южных районах) и уменьшаться роль дублирующего источника электроэнергии. 2.3 Проблемы внедрения солнечных и ветровых электростанций для промышленного производства электроэнергии Исходя из проведенных расчетов, можно сделать вывод об экономической нецелесообразности использования энергии солнечного излучения и ветра из-за низкой плотности энергетического потока. Действительно, СЭС и ВЭС сильно уступают традиционным электростанциям по среднегодовой удельной электрической мощности, поэтому в регионах с высоким сельскохозяйственным потенциалом, применение таких электростанций недопустимо. Кроме низкой удельной мощности для солнечных и ветряных электростанций характерны другие не менее значимые проблемы, такие как проблемы аккумулирования энергии и утилизации отходов возобновляемой энергетики. Из-за нестабильности мощности СЭС и ВЭС требуют применения либо накопителей электроэнергии – аккумуляторов, либо дополнительных традиционных энергоустановок, например, дизельных электростанций. И в том, 23 и в другом случае ставится под сомнение «чистота» данных способов получения электроэнергии. Здесь следует заметить, что нестабильность мощности СЭС и ВЭС приводит к снижению срока службы как аккумуляторов, так и дизельных электростанций, что требует их ускоренной замены, дополнительных ремонтных работ и соответственно увеличения объёмов производства и утилизации. В связи с вышеописанными обстоятельствами промышленное применение СЭС и ВЭС может быть оправдано только при создании мощных и эффективных накопителей энергии, что отмечено [8]. В конечном итоге перечисленные ранее трудности вытекают в проблему высокой стоимости электроэнергии, вырабатываемой на СЭС и ВЭС. В табл. 2 представлена себестоимость электроэнергии различных типов электростанций согласно прогнозу РусГидро [9]. Таблица 2 – Себестоимость электроэнергии, генерируемой на различных электростанциях (прогноз РусГидро на 2020 год) Электростанция Себестоимость электроэнергии, долл. США СЭС 238 Наземные ВЭС 100 Дизельные электростанции 350 Газовые ТЭС 78 Угольные ТЭС 70 Из табл. 2 видно, что в нетрадиционной энергетике наибольшую стоимость имеет электроэнергия, выработанная на СЭС, она примерно в три раза дороже электроэнергии, генерируемой на традиционных газовых и угольных электростанциях. Себестоимость электроэнергии наземных ВЭС более чем в два раза ниже, чем у СЭС, однако она также превышает стоимость электроэнергии газовых и угольных ТЭС. Что интересно, при расчёте себестоимости электроэнергии дизельных электростанций (ДЭС) учитывались только затраты на топливо (было принято, что в изолированных от централизованной электросети зонах электроэнергия вырабатывается на уже имеющихся дизельных установках) [9], но тем не менее из-за высокой стоимости дизельного топлива себестоимость электроэнергии ДЭС даже выше, чем у СЭС. Поэтому в 24 комбинации с дизельными установками себестоимость электроэнергии СЭС и ВЭС будет в несколько раз выше, чем у традиционной энергетики. Наиболее дешёвую электроэнергию можно получить на угольных ТЭС, что объясняется низкой стоимостью угля, но следует помнить, что это самые «грязные» электростанции с точки зрения количества вредных выбросов в атмосферу. В плане влияния на атмосферу среди ТЭС наиболее «чистыми» можно считать газовые электростанции, влияние которых при современных технологиях сводится лишь к выбросу в окружающую среду большого количества углекислого газа. С одной точки зрения выбросы CO2 способствуют развитию «парникового эффекта», который приводит к «глобальному потеплению», но в последнее время данная теория ставится под сомнение, а «глобальное потепление» объясняется протеканием естественных природных процессов, на которые человечество не в состоянии повлиять. Также следует подчеркнуть, что Россия является мировым лидером по запасам природного газа, поэтому в ближайшие десятилетия столкнуться с недостатком данного топлива в нашей стране вряд ли придётся. Следовательно, наиболее актуальными в наших условиях являются газовые ТЭС, а с учетом результатов расчётов, представленных в табл. 1 предпочтение должно отдаваться в пользу парогазовых электростанций. Но, к сожалению, являясь лидером по запасам природного газа, Россия заметно отстаёт от ЕС и США в области газотурбостроения, о чём свидетельствует тот факт, что на современных парогазовых станциях устанавливаются импортные газовые турбины, например на Международной и Сочинской ТЭС установлены газовые турбины производства немецкой фирмы Siemens [6]. 2.4 Перспективы развития солнечной и ветряной энергетики в России 25 Прежде чем говорить о перспективах развития солнечной и ветряной энергетики в России стоит посмотреть на прогноз Международного энергетического агентства (МЭА), представленный в докладе АО «РОСНАНО» на втором международном форуме по энергоэффективности и энергосбережению ENES в 2013 году (рисунок 8) [10]. Рисунок 8 – Прогноз МЭА мирового производства электроэнергии для сценария на основе сокращения удельных выбросов СО2 В данном докладе вопрос вызывают абсолютные цифры прогноза мирового производства электроэнергии, поскольку даже не были указаны размерности, но суть не в этом. Если рассмотреть вертикальную шкалу графика, представленного на рис. 6, в относительных единицах, то можно определить, что в 2018 году суммарная выработка электроэнергии с помощью ВИЭ должна была достичь примерно 10%. А потребление нефти и угля для производства электроэнергии должно было снизиться. Но в действительности наблюдается другая картина. На рисунке 9 представлен график мирового энергопотребления до 2018 года, опубликованный в статистическом обзоре мировой энергетики нефтяной компании British Petroleum (BP) [11]. Согласно данным BP мировое потребление энергии, полученной с помощью ВИЭ, составило примерно 3,6%, что почти в три раза меньше прогнозного значения МЭА. В то же время потребление газа и нефти возросло, а потребление угля почти не изменилось. Глядя на текущие тенденции потребления энергоресурсов, трудно сказать, что в 26 ближайшие годы генерация электроэнергии с помощью ВИЭ, в том числе на СЭС и ВЭС, составит серьёзную конкуренцию традиционной энергетике, даже несмотря на пока стабильный рост её доли в мировом энергопотреблении. Рисунок 9 – График мирового энергопотребления в млн. тонн нефтяного эквивалента [11] В 2017 году Руководитель Инвестиционного дивизиона ВИЭ АО «РОСНАНО» Алишер Каланов в американском журнале Forbes пишет об опасности технологического отставания России от развитых стран в области возобновляемой энергетики и о необходимости скорейшего развития данной отрасли. Каланов пишет, что Россия «должна быть интегрирована в глобальную цепочку добавленной стоимости в отрасли ВИЭ», но он упускает из вида тот нюанс, что добавленная стоимость, полученная при эксплуатации ВИЭ пойдёт главным образом в виде прибыли инициаторам данных проектов, а капитальные и эксплуатационные затраты лягут на плечи россиян. Независимо от схем финансирования проектов затраты на их реализацию оплачиваются рядовыми гражданами. Если проекты финансирует государство, то проекты оплачивают налогоплательщики, если при этом не происходит повышение налогов – граждане ограничиваются в получении других общественных благ. В случае если государство не участвует в реализации проектов по внедрению СЭС и ВЭС, то их в конечном итоге оплачивают потребители, покупая электроэнергию по более высоким ценам. То есть развитие возобновляемой энергетики в России в промышленных масштабах невыгодно россиянам. Прежде чем осуществлять инвестирование нетрадиционной энергетики, необходимо вспомнить, что в 27 экономике нашей стране существует ряд других «отсталых» отраслей, вложения в которые, в отличие от вложений в нетрадиционную энергетику, действительно повысят уровень жизни россиян и усилят геополитический статус России. На данный момент в России слабо развито станкостроение, имеет высокий потенциал, но находится в кризисе гражданское авиастроение, сильно отстаёт от развитых стран наша электроника, и, как было отмечено ранее, в области энергетического газотурбостроения Россия также отстаёт. Развитие данных отраслей, на мой взгляд, является более важным, чем развитие нетрадиционной энергетики, поскольку эти отрасли в значительной степени определяют экономическую независимость России. Кроме того до сих пор наша страна не обладает полным набором технологий в области строительства СЭС и ВЭС, особенно ВЭС, о чём свидетельствует, к примеру, строительство японскими компаниями в арктическом пос. Тикси, по заказу РусГидро для апробации технологий, ВЭС мощностью 900 кВт. Данная электростанция была введена в эксплуатацию в 2018 году. Строительство на территории России ВЭС и СЭС с применением иностранных технологий ставит нашу страну в зависимость от стран – производителей данных технологий. Поэтому единственный целесообразный путь развития ветровой и солнечной энергетики в России – это в первую очередь разработка отечественных технологий в этой области, а уже во вторую очередь – производство электростанций, но не для массового промышленного применения их в России, а на экспорт, а также для обеспечения доступными СЭС и ВЭС изолированных от централизованной электросети потребителей, расположенных в местах, где данные электростанции являются достойной альтернативой [6]. 28 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Исходя из вышеизложенного можно заключить, что промышленное применение солнечных и ветряных электростанций на территории России в текущих условиях нецелесообразно по ряду причин: СЭС и ВЭС обеспечивают весьма низкую среднегодовую удельную электрическую мощность – на 2-3 порядка ниже, чем у традиционных электростанций. Себестоимость солнечной и ветровой электроэнергии в несколько раз выше себестоимости электроэнергии, вырабатываемой на традиционных электростанциях, поэтому строительство СЭС и ВЭС в зоне централизованного энергоснабжения следует рассматривать как нерациональное вложение денежных средств. Россия не обладает полным набором собственных отработанных технологий для производства солнечных и ветряных электростанций, поэтому при строительстве на её территории СЭС и ВЭС широко применяются иностранные технологии, что дополнительно ставит в зависимость российскую энергетику от других стран. Тем не менее, результаты проведённого анализа не ставят крест на развитии солнечной и ветровой энергетики в России, однако приводят к следующим выводам: 1) Развитие солнечной и ветровой энергетики в России должно в первую очередь сводиться к разработке отечественных технологий, которые затем можно применять в местах, где применение СЭС и ВЭС действительно оправдано. 2) СЭС в России могут быть востребованы лишь в отдельных частных случаях, поскольку наиболее благоприятные для их применения территории находятся в зоне централизованного энергоснабжения. 29 3) ВЭС могут быть востребованы для отдельных потребителей, расположенных вдоль побережий северных и восточных морей нашей страны в энергетически изолированных зонах. 4) Если создавать в России целую отрасль в области ВИЭ, к чему стремятся руководители АО «РОСНАНО», то её продукция должна быть ориентирована на экспорт, иначе её развитие будут оплачивать россияне. Если возможности конкурировать с другими странами, развитыми в области ВИЭ, на уровне технологий нет, то не следует тратить государственные средства на организацию производств в этой области. Эти средства следует направить на действительно важные направления, такие как развитие станкостроения и гражданского авиастроения, создание отечественных технологий в области электроники. Также в настоящее время следует развивать отечественное энергетическое газотурбостроение, поскольку наиболее дешёвой, надёжной и в тоже время достаточно «чистой» в ближайшие десятилетия в России будет являться электроэнергия, генерируемая на парогазовых ТЭЦ, где применяются газо- и паротурбинные установки, а в качестве топлива используется природный газ. Также не стоит забывать про атомную энергетику, в которой Россия является мировым лидером, обладая уникальными технологиями, проверенными на практике. Отдельно следует подумать о возможности снижения энергопотребления, вероятно, путём развития у людей более бережного отношения к энергетическим ресурсам, а также путём создания и совершенствования энергосберегающих технологий [6]. 30 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Марченко О. В., Соломин С. В. Конкурентоспособность солнечных и ветровых электростанций в странах СНГ // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. – 2020. – №63. – С. 17-28. 2. Ветряные электростанции // Моделирование в электроэнергетике URL: http://simenergy.ru/energy-system/basic–data/wind–energy–plant (дата обращения: 20.03.2023). 3. Григораш О. В., Евтушенко И. В., Попучиева М. А., Классификация и основные способы построения солнечных электростанций // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – 2016. – №12. – С. 12–26. 4. Резников М. И., Липов Ю. М., Шмуклер Б. И. и др. Паровые котлы тепловых электростанций.. – 3–е изд. – М.: Энергоиздат, 1981. – 238 с. 5. Tongjun Zhang Methods of Improving the Efficiency of Thermal Power Plants // Journal of Physics: Conference Series.. - 2019. - №11. – P. 21–27. 6. Перспективы внедрения солнечных и ветряных электростанций в России // Neftegaz.RU URL: https://magazine.neftegaz.ru/articles/vozobnov lyaemye–istochniki–energii/545613–perspektivy–vnedreniya–solnechnykh– i–vetryanykh–elektrostantsiy–v–rossii// (дата обращения: 20.03.2023). 7. Марченко О. В., Соломин С. В. Исследование ограниченного влияния на конкурентоспособность атомных электростанций // Атомная энергия и технологии . – 2015. – №1. – С. 277–282. 8. Сокут Л.Д., Муровская А.С. Перспективы развития систем электроснабжения за счет подключения ветровых и солнечных электростанций с накопителями энергии в общую энергосистему // Строительство и техногенная безопасность. 2017. №7 (59). С. 113–121. 31 9. РусГидро. Рост использования возобновляемых источников энергии – доминирующая тенденция развития электроэнергетики в мире. Чистая энергия. Санкт–Петербург, 2011. 10. РОСНАНО. Российская возобновляемая энергетика: Национальный стартап–2013 // Второй международный энергоэффективности и энергосбережению ENES 2013. 11. BP Statistical Review of World Energy 2019. 32 форум по
