Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДООБУСТРОЙСТВО»

Бухарицин П.И.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ»

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

 

для студентов АГТУ 1 курса всех форм обучения,

обучающихся по направлению «Природообустройство и водопользование»

 

Астрахань 2014

УДК 620

ББК 31.15

В64

 

Автор-составитель: д.г.н., профессор Бухарицин П.И.

 

Рецензенты:                 - д.т.н., профессор Золотокопова С.В.;

                                      - д.г.н., профессор Бармин А.Н.

 

 

Редактор: Бухарицин Петр Иванович, доктор географических наук, профессор кафедры «Инженерная экология и природообустройство» АГТУ.

 

 

Бухарин П.И. «Возобновляемые источники энергии»: Учебно-методическое пособие для студентов и слушателей всех форм обучения // АГТУ. – Астрахань, 2014. – 129с.

 

  Пособие «Возобновляемые источники энергии» предназначено для студентов и слушателей экологов 1 курсов АГТУ всех форм обучения.

В данном пособии рассматриваются некоторые аспекты исторического развития, современного состояния и перспектив использования альтернативных источников энергии.

 

Учебно-методическое пособие рассмотрено и утверждено на заседании НМС специальности 320600 «Инженерная экология и природообустройство» АГТУ № 3 от 14.03.2014г. 

© Астраханский государственный технический университет

© П.И. Бухарицин

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение ……………………...……………………………………………….4

1. Принципы использования возобновляемых источников

энергии ……………………………………………………………….………5

1. Состояние и перспективы использования возобновляемой

энергетики в мире и в России ………………………………………….…..20

1. Проблемы развития гелиоэнергетики …………………..……………34
2. Государственная система поддержки использования

возоб­новляемых источников энергии в России …………………..….…..46

1. Возобновляемые источники энергии: роль и место в

современной и перспективной энергетике ………………………….……60

1. Общие сведения и история ПЭС ………………………………….….83
2. Новые перспективы приливных станций …………………….……...91
3. Ресурсные и экологические проблемы

энергетического использования биомассы ………………….………….113

1. Проблемы перспективного развития электроэнергетики

России на период до 2030 г. ………………………………..…………….130

1.  Геотермальные энергетические проекты в России ………….….…139
2. Энергия ветра …………………………………………………….…..147
3. Водородная энергетика: достижения и проблемы …………….…...159
4. Сланцевый газ ………………………………………………………..172

14. Переход от угля и мазута к использованию биомассы леса

в отдаленных российских поселках: объективная необходимость….…172

1.  Комплексное использование возобновляемых источников

 энергии в Астраханской области ………………………………….…….179

1. Разработка солнцеиспользующей техники для получения

тепла и холода ……………………………………………………………..185

1. Список рекомендованной литературы по курсу ………….………..188

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывный рост цен на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР), запасы которых могут быть исчерпаны уже в ближайшей исторической перспективе, а также значительное загрязнение окружающей среды выбросами при их сжигании, приводит людей к пониманию необходимости более рационального и экономного их расходования, а также  перехода на использование альтернативных источников энергии, к числу которых относят вторичные энергоресурсы (ВЭР) и возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Использование возобновляемых видов энергии, в частности энергии солнца и ветра, приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным прогнозам, эта доля к 2015 гг. во многих государствах достигнет 10% и более.

Создание законодательной базы использования НВИЭ в России стимулирует дальнейшее развитие. Законом «Об энергосбережении» 1996 г. установлена правовая основа применения электрогенерирующих гелиоустановок. Государственной Думой и Советом Федерации принят закон «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Ведется разработка федеральной программы по использованию НВИЭ. В России на сегодня есть все предпосылки для его дальнейшего развития. С выходом из кризисного экономического состояния станет возможным развитие промышленности, научно-технической базы и др. деятельности. Как и во всем мире, рост использования этих источников необратим.

Энергосистемы с ВИЭ обладают несколькими несомненными преимуществами, к числу которых относятся: повсеместность местонахождения, неисчерпаемость, минимальное влияние на окружающую среду, бесплатность, безопасность эксплуатации и достаточно высокая эстетичность. Следует, однако, отметить и некоторые недостатки энергосистем с ВИЭ, к числу которых относятся: низкая интенсивность потока энергии, сравнительно высокая стоимость оборудования и низкая стабильность выходной мощности. Таким образом, в большинстве случаев, особенно при использовании в небольших энергокомплексах, ВИЭ будут более предпочтительными, чем ТЭР. Некоторые недостатки ВИЭ можно свести к минимуму, используя концентраторы и аккумуляторы энергии, а стоимость оборудования может быть существенно снижена при применении более совершенных систем преобразования ВИЭ и их рационального агрегирования в МЭК.

В данном пособии рассматриваются некоторые аспекты исторического развития, современного состояния и перспектив использования альтернативных источников энергии.

ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Возобновляемая энергетика как самостоятельная отрасль науки заявила о себе сравнительно недавно, всего несколько десятилетий назад. До этого изучение возобновляемых ресур­сов, зародившееся в древнем мире, было связано с потребностями практики и не имело призна­ков научного знания. Возобновляемые источники использовались только ограниченно, без теоретического обоснования процессов преобразования первичной энергии, установления новых представлений и систематизации накопленных знаний. С переходом к активному изучению не­традиционных энергоносителей обозначились и начали развиваться отдельные направления исследований возобновляемых источников энергии: солнечная (био- ветро- гидро- волно и ­приливно- геотермо) энергетика. Созданы и реализованы на практике различные проекты ис­пользования возобновляемых ресурсов. Хотя достигнутые успехи представляют весьма ценный вклад и свидетельствуют о непрерывном росте знаний, но этого сегодня недостаточно для развития учения о возобновляемых источниках энергии. Усиление научной составляющей возобновляемой энергетики особенно необходимо для молодых ученых, приступающих к научной деятельности в период подъема интереса к всестороннему изучению альтернативных и возобновляемых источников энергии. Характер их творчества в большинстве случаев вынужденно сводится к техническому совершенству некоторых деталей современного учения о возобновляемых источниках энергии. В таких работах не вскрываются существенно новые закономерности, затрагивающие принципиальные положения возобновляемой энергетики. Нередко приходится сталкиваться с бесплодностью исследований, сопровождающихся ошибочными заключениями. Поэтому для возобновляемой энергетики, также как и для любой другой отрасли науки и техники, актуальным является обсуждение базовых принципов построения научного знания, стратегии и тактики развития учения об использовании возобновляемых ресурсов. Не­которые соображения по этому поводу считаю целесообразным предложить для дальнейшего рассмотрения.

Существует ряд важных базовых положений, достаточных для обоснования использования возобновляемых источников энергии. В первую очередь - неуклонный рост энергоnо­требленuя. В последнее время динамика нарастания потребностей в энергии исчисляется порядком величин. Достаточно напомнить, что при росте населения Земли за 2000 лет в 25 раз, потребление энергии возросло почти в 3000 раз и достигло уровня 16 млрд. т.у.т в год. При этом именно в последнее десятилетие отмечался наибольший прирост потребления, в том числе душевого потребления энергии, которое достигло 70 ГДж на человека в год (рост потребления в среднем на 1,5% в год в прошедшие десять лет, по сравнению с 0,1%, в год за весь двадцатый, век). Запасы органического топлива, которые преимущественно используются, естественно ограничены, и наступит момент, когда запасов такого топлива будет недостаточно для покрытия энергетических потребностей. Поэтому очень важен и актуален вопрос о том, какими другими энергетическими ресурсами можно будет покрывать дефицит производства энергии.

Это должны быть источники энергии с потенциальными запасами во много раз превышающими обозримые потребности человечества.    

Другой аспект энергетической проблемы - экологический. Он определяется нарушениями окружающей среды, связанными с антропогенными воздействиями традиционных источников энергии и промышленной инфраструктурой, использующей эти энергоисточники. Поэтому ис­точники энергии, которые претендуют на роль замещения, должны быть основаны на экологически чистых технологиях.

Нельзя оставлять без внимания и географический аспект энергетической проблемы, который обусловлен пространственной неравномерностью распределения ископаемых ресурсов, что нередко является причиной конфликтных ситуаций, оказывающих существенное влияние на политическое, социальное и материальное положение людей и обостряющих вопросы энергетической безопасности государств. И здесь для альтернативы использования традиционных энергоресурсов необходимо иметь спектр разнообразных природных источников энергии с наиболее широким охватом мест распространения в различных регионах мира.

Перечисленные аспекты проблем энергетики имеют глобальный характер. В соответст­вии с принципом причинности, энергетические явления, входящие в число энергетических проблем, развиваются по закону геометрической прогрессии. Психологическая неожиданность субъективного осознания подобной закономерности хорошо иллюстрируется известной вос­точной легендой об изобретателе шахмат, который выбирая вознаграждение, попросил такое количество зерна, которое получится, если на первый квадрат шахматной доски положить одно зерно, на второй два, третий четыре и т.д. до 64 квадрата. Скромность просьбы, обернулась проблемами при выдаче вознаграждения, когда оказалось, что суммарный вес зерна на порядок превышал мировой сбора зерна. Утверждение об экспоненциальном принципе нарастания яв­лений, порождающих энергетику, справедливо и для отдельных стран, в том числе и России. Однако в России отношение к альтернативным источникам энергии гораздо более прохладное, чем в других странах. Существует устойчивое мнение, что страна обладает колоссальными за­пасами органических источников, и задумываться о каких-то новых перспективных технологи­ях с использованием возобновляемых ресурсов пока еще рано.

Мировое использование возобновляемых источников энергии в абсолютном выражении также пока относительно невысоко (4%). Но в последние пять лет темпы роста их освоения во всем мире увеличиваются со значительным опережением традиционной энергетики. В среднем рост скорость освоения и внедрения возобновляемых технологий составляет 5% в год, по срав­нению с 1% в год традиционных энергосистем. Происходит практически экспоненциальный рост числа ветроэлектростанций, фотоэлектрических преобразователей и других технологий возобновляемой энергетики.

Каковы же те источники энергии, от освоения которых можно ожидать вклада в решение проблем, стоящих перед современной энергетикой, и которые принято относить к возобнов­ляемым энергоносителям, в отличие от невозобновляемых ресурсов энергии (уголь, нефть, газ, уран и т. д.)? Согласно классическим представлениям существует три первичных источника возобновляемой энергии: энергия Солнца, Земли и гравитации. Солнечная энергия превраща­ется в низкопотенциальную энергию среды, механическую энергию движения среды, фотосин­тетическую энергию, запасаемую в биомассе. Энергия Земли - это тепловая энергия воды и по­род внутри земной коры, трансформируемая в электрическую и тепловую энергию. Энергия гравитации - энергия орбитального движения, проявляющаяся в форме приливной энергии. Суммарная энергия этих источников составляет величину порядка 10¹¹ МВт. Это валовой или теоретический потенциал. Только одна сорокамиллионная часть этой величины реально высво­бождается с помощью различных технологий и установок в полезно используемую энергию. В их числе:

Ø солнечные батареи с прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую энергию;

Ø солнечные коллекторы для получения тепла;

Ø башенные солнечные станции с паротурбинным циклом и котлом, нагреваемым солнечным теплом, откуда нагретая вода поступает в паровую турбину, вращающую ротор электрогенератора;

Ø гидравлические установки, преобразующие энергию напорного движения воды в электрическую, в том числе бесплотинные микро ГЭС;

Ø ветроэнергетические станции, осуществляющие прием и преобразование энергии ветр; в электрическую энергию;

Ø биотехнологические преобразователи солнечной энергии, в которых энергия, запасенная при фотосинтезе, освобождается в полезную энергию с помощью газификации биомассы, метаногенеза, получения древесных гранул, биоэтанола, биодизельного топлива;

Ø геотермальные электростанции, превращающие в пользовательские формы энергии в тепло подземных вод;

Ø приливные и волновые станции.

Каковы же основные плюсы и минусы различных источников возобновляемой энергии? К основным положительным качествам возобновляемых источников энергии обычно относят неистощаемость; огромные запасы (экономический потенциал в мире 19,5 млрд. тонн условного топлива (т.у.т.) в год при годовом потреблении первичной энергии порядка 16 млрд. т.у.т.); повсеместную распространенность большинства видов; экологическую чистоту их использования, в том числе отсутствие углеродной эмиссии и других вредных выбросов. Главные отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность порядка десятков ватт на единицу площади в отличие от традиционных систем, где плотность энергетических потоков в миллион раз больше); изменчивость во времени, несовершенство технологий. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок. Это приводит к увеличению материалоемкости подобных устройств. Случайный характер поступления первичной энергии вынуждает к использованию систем слежения, автоматического регулирования и аккумулирования энергии. Более серьезные проблемы связаны с незавершенностью некоторых технологии возобновляемой энергетики, отсутствием развитой производственной инфраструктуры. Отсюда затруднения в практическом продвижении проектов и их коммерциализации, обусловлены высокой ценой энергетического продукта.           

Возобновляемая энергетика, как и в целом энергетика, является инерционной сферой науки и техники. Освоение новых энергетических технологий и продвижение их в реальную энергетику требует десятилетий. Потому перспективу решения задач возобновляемой энергетики надо определять безотлагательно, имея в виду, что на пути освоения имеется ряд важных проблем, которые надо решить:

Ø фундаментальная проблема, связанная с разработкой теоретических положений, приводящих к созданию эффективных технологических решений;

Ø прикладная проблема, приводящая к организации на современном уровне дееспособно промышленной инфраструктуры возобновляемой энергетики;

Ø образовательная проблема, призванная оптимально решать вопросы широкой подготовки специалистов в области использования возобновляемых источников энергии;

Ø государственная проблема использования административных, законодательных и финансовых ресурсов для реальной поддержки возобновляемой энергетики.

Особо следует выделить развитие теоретических вопросов возобновляемой энергетики. Стратегически направление работ по углублению теоретической составляющей должно идти в направлении соединения различных областей научного знания и использования междисциплинарных представлений. Для ветроэнергетики, например, необходимо найти принципы объединения представлений теории материального континуума с атомистикой. От этого объединения можно получить неожиданное и новое. Имеется в виду необходимость соединения усилий специалистов из различных областей научного знания для преодоления незавершенности молеку­лярных обобщений феноменологических представлении в механике сплошных сред. В совре­менных условиях эти обобщения оказываются неадекватными для понимания и объяснения энергетики процессов турбулентности, которые, в свою очередь, связаны с поиском оптималь­ных решений для повышения эффективности утилизации энергии ветра. При этом не следует забывать, что теоретическая разработка новых технологических систем, использующих ресурс возобновляемой энергии, является задачей, требующей поиска и обоснования оптимальных конкурентоспособных технических решении, не противоречащих общим принципам науки, ко­торыми нередко пренебрегают.

В тех случаях, когда преобразование первичной энергии, связано с формированием дви­жения среды, в существующих теоретических схемах описания процессов неудовлетворитель­но учитывается положение о том, что движение органически присуще материи. Принимая движение как явление, обусловленное только начальными условиями, фактически приходится абстрагироваться от учета флуктуационных движений. В открытых системах, которыми явля­ются все источники возобновляемой энергии, при неравновесных ситуациях, необратимые процессы могут приводить к увеличению производства энтропии. Функцию роста производст­ва энтропии при этом начинают принимать на себя промежуточные пространственно ­временные флуктуации движений, осуществляющие энергообмен с основными, регулярными состояниями:

 

dS = dS_e +dS_i +dS_i <0.

 

Здесь dS_e - изменение потока энтропии (dS_e ≠ 0), dS_i - изменение энтропии за счет внут­ренних движений (dS_i≥0), dS_i^’ - изменение энтропии, связанное с флуктуационными движе­ниями (dS_i^’ < 0).Расширенная интерпретация поведения открытых неравновесных систем при­водит к принципиальному базовому положению использования возобновляемых источников энергии. Преобразование энергии открытыми системами в состояниях, отличающихся от рав­новесных, может приводить к росту минимального количества работы, которое совершит система, по сравнению с равновесными ситуациями за счет энергообмена между исходными и промежуточными пространственно -временными образованиями.

Большинство методов преобразования первичной энергии, в том числе возобновляемой, связано с равновесной термодинамикой. Она накладывает ограничения на предельные значе­ния коэффициента полезного действия. Закон сохранения энергии является фундаментальным принципом, лежащим в основе определения эффективности использования энергии солнца в установках, принцип преобразования первичной энергии в которых удовлетворяет законам классической термодинамики. Прежде всего, это относится к технологиям солнечных электро­станций с паротурбинным циклом.

Принцип преобразования действия в подобных станциях заключается в передаче от на­гревателя, получающего тепло от солнца, рабочему телу теплоты Q₁, что вызывает повышение его температуры. Рабочее тело совершает работу над каким-либо механическим уст­ройством, например, приводит во вращение турбину, и далее отдает холодильнику теплоту Q'₂, возвращаясь в исходное состояние. Наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты, является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невоз­можна. Действительно, для получения механической работы необходимо наличие потока, в данном случае потока теплоты. Если же холодильник будет отсутствовать, то рабочее тело не­избежно придет в тепловое равновесие с нагревателем, и поток теплоты прекратится. В соот­ветствии с первым началом термодинамики, при осуществлении кругового процесса из-за воз­вращения рабочего тела в исходное состояние его внутренняя энергия за цикл не изменяется. Поэтому совершенная рабочим телом механическая работа равна разности подведенной и от­ веденной теплоты А = Q₁ - Q'₂. Предельное значение коэффициента полезного действия (к.п.д.) любой тепловой машины, определяемого как отношение полезной работы А к количеству теплоты Q₁, переданной от нагревателя, оказывается зависящим только от разности температур нагревателя и холодильника:

 

 

Реально в солнечных электростанциях с паротурбинным циклом полный к.п.д. достигает порядка нескольких процентов. Но никак не превышает 100%, с чем, к сожалению, приходится нередко сталкиваться в обоснованиях термодинамического цикла в проектах солнечных электростанций различных модификаций.

Аналогичная ситуация возникает в ветроэнергетических проектах, когда сообщается о достижении высоких значений коэффициентов преобразования ветровой энергии, вне соответствия базовому принципу ветроэнергетики Жуковского-Бетца. Этот принцип Н.Е. Жуковский обосновал в 1914 г., А. Бетц - в 1926 г. в книге «Энергия ветра и ее использование посредством ветряков».

Из рассмотрения энергетического соотношения воздушной струи, попадающей в ветряк, было получено, насколько эту струю надо затормозить, чтобы получить максимум мощность. Оказалось, что скорость ветра в плоскости ветряка должна составлять 0,593 от скорости ветра. Мощность ветряного колеса данного диаметра не может быть повышена беспредельно по мере увеличения площади крыльев. Размеры диаметра колеса определяют верхний предел мощности. Так как быстроходность ветроколес обратно пропорциональна площади поверхности лопастей, то предел по увеличению быстроходности должен ограничиваться ростом потерь энергии.

Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии электрическую энергию является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане.

 Тем не менее, вопрос об эффективности использования солнечного излучения для солнечных батарей не снимается с повестки дня научных исследований. Впервые на перспективность его определения обратил внимание еще в 30-е годы академик А.Ф. Иоффе. В то время к.п.д. солнечных элементов не превышал 1%. В последующие десятилетия благодаря значительному объему исследований в области физики и технологии этот показатель увеличился до 20--25%. Практически все заводы в России и за рубежом выпускают солнечные элементы с к.п.д. 14-17%.

Толщина солнечного элемента и в значительной степени его стоимость, определяемая стоимостью материала и затратами на его изготовление, зависят от его способности поглощать падающий на него солнечный свет. Физические принципы, характеризующие поглощательную способность солнечного элемента и к.п.д. преобразования энергии, зависят от двух факторов: ширины запрещенной зоны и коэффициента поглощения. Ширина такой зоны определяет по­роговую величину энергии солнечного излучения, с которой начинается поглощение света. Та­кие материалы, как кремний, арсенид галлия и другие выбираются для изготовления солнеч­ных элементов именно потому, что они начинают поглощать свет с достаточно большой длиной волны. Следовательно, они могут преобразовывать в электричество значительную долю поступающего солнечного излучения. Поглощение света различными полупроводниковыми материалами достигает наибольшей величины при разных толщинах пластин - от 100 до 1 мкм и менее. Так называемые тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются из мате­риалов, которые поглощают свет при толщине слоя порядка микрометра, что позволяет значи­тельно снизить расход материалов и стоимость изготовления элементов. В России и за рубе­жом разрабатываются солнечные элементы, использующие новые материалы и структуры позволяющие достигать предельные значения к.п.д. до 93%. Основные усилия направлены на использование всего спектра солнечного излучения с осуществлением принципа, согласно ко­торому каждый фотон должен поглощаться в полупроводнике с запрещенной зоной, ширина которой соответствует энергии этого фотона. Для этого разрабатываются: каскадные солнеч­ные элементы из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны; солнечные элементы с переменной шириной запрещенной зоны (запрещенная зона в полупроводнике нaxoдится между валентной зоной и зоной проводимости и определяет длинноволновую границу фотоэффекта); солнечные элементы с примесными энергетическими уровнями в запрещенной зоне (примесные энергетические уровни в запрещенной зоне позволяют увеличивать длинно-волновую границу фотоэффекта за счет многофотонного поглощения). Другие подходы к повышению к.п.д. солнечных элементов связаны с использованием концентрированного солнечного излучения, созданием полимерных солнечных элементов, а также наноструктур на основе кремния и фуллеренов.

Есть основания для увеличения к.п.д. солнечных элементов промышленного изготовления на основе каскадных гетероструктур до 26-30%, кремниевых - до 22%.                                                        

Реализацию принципов, на которых основана возобновляемая энергетика, можно проследить, обратившись к методологии научного знания и небольшой пока истории освоения некоторых видов возобновляемых источников энергии в России.

Довоенное время освоения возобновляемых источников энергии фактически связано с созданием по решению Г.М. Кржижановского в ЭНИН группы и - позже - лабораторий по использованию солнечной энергии и геотермальной энергии. В ЦАГИ начались разработки ветроэнергетических станций, в Гидропроекте - приливных электростанций, а во Всесоюзном научно-исследовательском институте источников тока - фотоэлектрических преобразователей. Однако до мирового энергетического кризиса 70-х годов прошлого столетия работы в указанных учреждениях велись инициативно, без государственного управления. И только, начиная с сере­дины 80-х годов прошлого столетия, были разработаны государственные мероприятия по увеличению использования нетрадиционных источников энергии в народном хозяйстве. Большой вклад в разработку мер государственной поддержки освоения возобновляемых источников энергии внесли профессор П.П.Безруких, работавший в то время в бюро Совета Министров по топливно-энергетическому комплексу и член-корр. РАН Э.Э.Шпильрайн. После принятия ряда государственных программ были созданы производственные и научные коллективы, которыми разработаны опытные образцы установок возобновляемой энергетики. Тогда же в Крыму была построена и передана в опытную эксплуатацию башенная солнечная электростанция СЭС-5. Станция характеризовалась следующими параметрами: номинальная мощность – 5 МВт, температура пара - 250⁰С, давление пара - 40 атм.; высота башни - 75 м; количество гелиостатов - 1600; площадь гелиостата - 25м², удельные капитальные вложения 1200 долларов США/кВт. После распада СССР работа солнечной станции СЭС-5 прекратилась. Работы, выполняемые по государственным заказам, в 1990-е годы затормозились, а в дальнейшем стали развиваться уже без государственной поддержки и управления.

Солнечная энергетика развивалась по двум направлениям: получение тепла и электроэнер­гии. В настоящее время солнечные тепловые установки на уровне лучших мировых образцов производятся и в России; объем выпускаемых коллекторов в России находится на уровне 8-10 тысяч м² в год. Говоря о развитии фотоэнергетики в России, следует отметить вклад осно­воположников разработки наземных систем профессора Б.В. Тарнижевского и профессора Д.С. Стребкова.. В числе первых в мире комплексов, работавших исключительно на солнечной энергии, следует упомянуть фотоэлектрическую установку для водоподъема мощностью 0,5 кВт в Туркмении, созданную в пустыне Кара-Кум в 1960-е годы.

Фотоэлементы и модули с к.п.д. 14-15% изготавливаются рядом предприятий России, в том числе Всероссийским институтом электрификации сельского хозяйства, НПП «Квант». В Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук под руководством академика РАН Ж.И. Алферова выполнены фундаментальные исследования, по результатам которых созданы фотоэлектрические элементы с многослойными структурами на основе арсе­нида галлия с к.п.д., превышающим 20%.

Использование энергии ветра берет начало с ветряных мельниц, которые перерабатывали почти половину урожая зерновых в стране. Эти мельницы были сделаны из дерева, диаметр ветроколеса не превышал 12 м. В 1933 г. была создана ветряная мельница с диметром ветроко­леса 16 м. и мощностью до 20 л.с. В 1931 г. около Балаклавы (Крым) введена в эксплуатацию ветроэнергетическая станция, которая работала параллельно с тепловой электростанцией вплоть до 1941 г., когда она была разрушена при оккупации Крыма. Опорная конструкция ветродвига­теля (мачта) была построена по проекту В.Т. Шухова. Ветроагрегат с диаметром колеса 30 м. и мощностью асинхронного генератора 100 кВт был на то время самым мощным в мире (мощ­ность ветроагрегатов в Дании и Германии была в пределах 50-70 кВт с диаметром колеса до 24 м.). В 1990-е п. были начаты разработки ветроэнергетических станций мощностью 250 и 1000 кВт. Сегодня в работе находится ряд ветроэнергетических станций в Калининградской об­ласти, на Камчатке, Чукотке, Воркуте.

Гидроэнергетика начиналась с малых ГЭС, водяных мельниц и водяных колес. В России экономический потенциал малых и микроГЭС использован примерно на 0,5%, т.к. число ма­лых ГЭС с 5 тыс. В 1950-х годах сократилось до 300 в 1990-х годах. Сейчас начинается процесс восстановления разрушенных и строительства новых малых и микроГЭС. Эти работы в по­следнее время успешно развиваются в МНТО «ИНСЭТ» (генеральный директор Я.И. Бляшко), которое поставляет оборудование в Россию, а также в ряд зарубежных стран, выпускает мик­роГЭС от 10 до 100 кВт И оборудование для малых ГЭС мощностью до 10 МВт. Гидроэнерге­тика невысоких мощностей относится к наиболее практически продвинутым направлениям во­зобновляемой энергетики в России.            

В направлении использования биомассы в 80-90 годах в России и ряде республик СССР создавались биоэнергетические установки по переработке отходов животноводства и птицеводства отечественного и зарубежного производства. Получило развитие производство индивидуальных биогазовых установок для фермерских хозяйств. За последние годы произведено более 100 комплектов биогазовых установок, на которых кроме биогаза, производятся удобрения, чем и определяется их коммерческая привлекательность. За последние 5-6 лет развилось новое для России направление использования биомассы - производство древесных и торфяных гранул (пеллет); создано порядка 70 предприятий по производству пеллет (Республика Коми, Карелия, Московская, Ленинградская области).

Остановлюсь на некоторых результатах научно-исследовательских работ, проводимых на географическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова. Двадцать лет назад в Московском университете было принято решение об организации на базе географического факультета специализированного научного подразделения: научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ). Основателем лаборатории и ее первым заведующим был видный ученый, доктор физико-математических наук, профессор В.В. Алексеев (1940-2007 гг.). Научная деятельность В.В. Алексеева охватывала широкий круг вопросов энергетики, рационального использования природных ресурсов, системного анализа экономических проблем энергетики. Он начал свою творческую деятельность на физическом факультете Московского университета. После защиты докторской диссертации, в то время, когда для большинства ученых возобновляемая энергетика представлялась частным направлением техники, не имеющим существенных научных перспектив, по его инициативе и поддержке П.П. Безруких, на географическом факультете Московского университета была создана НИЛ ВИЭ.               

Свойственное В.В. Алексееву чувство нового и умение оценить потенциал новых идей способствовали постановке исследований по целому ряду проблем, оказавших в дальнейшем заметное влияние на развитие учения о возобновляемых источниках энергии. Можно назвать следующие направления научных разработок, осуществлявшихся под руководством В.В. Алексеева: комплексная оценка влияния объектов энергетики на окружающую среду; исследования энергоотдачи в отраслях топливно-энергетического комплекса на основе метода межотраслевого баланса; оценка энергоотдачи возобновляемых источников энергии; моделирование поведения морских экосистем; разработка системы «Биосоляр» для выращивания микроводорослей с целью биоконверсии солнечной энергии; теоретические и экспериментальные исследования процессов извлечения пресной воды из атмосферного воздуха.

 

Рис. 1. Солнечные батареи на крыше здания Академии наук России в Москве.

В настоящее время лаборатория возобновляемых источников энергии продолжает проводить комплексные исследования по проблемам возобновляемой энергетики. Основное на правление работ связано с развитием фундаментальной составляющей исследований в области возобновляемой энергетики. Приоритетным проектом для фундаментальных исследований является разработка концептуальной основы микроводорослевой биоконверсии солнечной энергии. Следует отметить, что в конце 80-х годов ХХ века в связи с развитием космических проектов, водорослевая энергетика рассматривалась как одно из перспективных направлений решения энергетических проблем. Основанием для этого служила точка зрения, согласно которой традиционные источники энергии - нефть, уголь, газ - образовались в результате фотосинтетической деятельности водорослей. Основная задача заключалась в том, чтобы найти способ существенного ускорения процесса искусственного создания углеводородного топлива как аналога природного, осуществляющегося миллионы лет.

В связи с этим были организованы экспериментальные работы с высокоурожайной микроводорослью спирулиной платенсис. Были получены такие штаммы культуры, которые можно было выращивать в больших объемах, что ранее не удавалось. Показано, что путем отбора продуктивных микроводорослей можно добиться заметного временного сокращения процесса первичной аккумуляции и последующего преобразования солнечной энергии в биогаз. В процессе теоретических и экспериментальных работ были сформулированы и апробированы кон­цептуальные положения, определяющие эффективность микроводорослевых преобразователей солнечной энергии: условие замкнутости системы по элементам питания; возможность увели­чения коэффициента преобразования солнечной энергии в энергию биомассы. В закрытом грунте ряда тепличных комплексов России, Украины, Молдавии, Эстонии спирулина культивировалась по технологии и с посевным материалом НИЛ ВИЭ на значительных площадях (несколько гектаров) с урожайностью до 15 тонн с гектара по сухому весу. В Крыму, где проводились экспериментальные работы лаборатории, при падающей радиации 1900 кВтч/м² в течение года с плантации спирулины площадью 70м был достигнут энергетический выход биогаза в количестве одной тонны условного топлива.

Проект промышленного производство биогаза (метана) из микроводорослей, , выращивае­мых на водных плантациях, получил название «Биосоляр». К сожалению, практической реали­зации проект производства микроводорослевого биогаза не получил. Вместе с тем водоросле­вое направление работ лаборатории нашло свое продолжение в исследованиях пищевой со­ставляющей энергии водорослевой биомассы. Было убедительно доказано, что небольшие до­бавки спирулины к пище для любого пользователя продуктов позволяют составить приемле­мую в экономическом и оздоровляющем отношении схему питания. В результате этого созда­ются условия для эффективного использования произведенных продуктов питания и эконо­мичного расходования энергетических ресурсов, необходимых для их создания.

В последующем научно-исследовательский аспект работы лаборатории в области биологи­ческой конверсии солнечного излучения получил заметный импульс в направлении селекцииновых штаммов микроводоросли Arthrospira platensis (Nordst.) Geitl. Показано, что благода­ря их использованию, можно повысить скорость роста культуры, а также сохранить морфоло­гическую стабильность водорослей в процессе длительного культивирования.

Географическая направленность работ лаборатории определила разработку картографиче­ской оценки ресурсов возобновляемых источников энергии. Актуальность этих работ связана с тем, что для разработки и эффективного применения солнечных, ветровых и иных установок необходимо обладать надежной и по возможности детальной информацией о ресурсах ВИЭ в различных регионах России в разные периоды года. Использование информации существую­щей сети российских актинометрических и метеорологических станций в ряде случаев не обес­печивает надежных данных для районирования территории России для оценки ресурсов ВИЭ. Так, при площади территории России 17 млн. км² среднее расстояние между актинометриче­скими станциями составляет около 500 км, а с учетом неравномерной плотности их размещения среднее расстояние между станциями в азиатской части России достигает 1000 км, в то время как данные измерений с приемлемой погрешностью могут распространяться на расстояние не более 100-130 км от метеостанции.

Появление источников климатической информации, основанных на многолетних спутниковых наблюдениях за поверхностью земного шара, предоставило возможность получения более детальных данных. В качестве такого источника была использована база данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (SSE). Формирование этой базы данных основывалось м проведении спутниковых и наземных измерений, использовании современных математических моделей и верификации моделей на основе сравнения результатов расчетов и данных наземных измерений. Были проведены исследования точности данных NASA для территории России данных метеообсерватории МГУ, актинометрических станций южного федерального округа Забайкалья и др. С использованием базы данных NASA были построены карты распределения поступлений солнечного излучения по территории России и некоторых Российских регионов по месяцам и для всего года, а также для различных углов наклона приемной поверхности южной ориентации к горизонту.      Большой объем теоретических и экспериментальных работ лаборатории, выполненных под руководством профессора В.В.Алексеева, связан с разработкой концепции получения пресной воды из атмосферного воздуха. В основу метода извлечения воды из влажного атмосферного воздуха были положены новые принципы - капиллярной конденсации на развитой поверхности специального конденсирующего материала за счет организованных конвективных потоков влажного атмосферного воздуха при естественных метеорологических условиях. Экспериментальный образец установки «Роса», который был построен в НПО «Тайфун», показал, что фундаментальные положения, использованные в этом «водном» проекте лаборатории, подтверждают практическую реализуемость технологии. Главные достигнутые результаты: создана физико-математическая и эколого-географическая модель эффективного производства пресной воды из атмосферного воздуха; подготовлена техническая документация на строительство промышленных систем получения воды в тропических регионах.

Рис. 2. Распределение солнечной энергии по поверхности Земного шара.

 

В последние годы начаты работы в направлении поиска эффективных процессов концентрации энергии потоками текучей среды, нагретой солнечным излучением. Разработки энергетических установок, получивших название "solar chimney" - солнечная труба - появились более 100 лет назад. Первая электростанция с искусственным ветром от солнечного тепла была введена в эксплуатацию в конце 80-х годов в Испании. Искусственный ветер в этой электростанции представлял собой концентрируемый в тяговой трубе прямоточный восходящий конвективный поток воздуха. Для прямоточного воздушного потока практически значимые значения коэффициента преобразования солнечной энергии можно получить с трубой высотой порядка сотен метров и солнечным коллектором площадью несколько десятков квадратных километров. Несмотря на низкую эффективность генерации электрической энергии, аналогичная конструкция солнечно-ветровой электростанции, в последнее время предложена для реализации в более крупном масштабе с выходом на мощность 200 МВт В Австралии.

Австралийская энергосистема не устраняет прямо пропорциональную зависимость мощности, размеров и эффективности. В исследованиях лаборатории ВИЭ, за основу концепций преобразования тепловой энергии потоками были положены принципы преобразования энергии, свойственные открытым системам, находящимся в неравновесных состояниях. Предложен переход от прямоточных потенциальных течений к закрученным вихревым потокам, инициированным солнечным нагревом. Показано, что решение проблемы роста энергоотдачи тепловой энергии течениям может быть достигнуто на пути создания граничных условий сосредоточенного взаимодействия течений с источниками солнечного тепла. Теоретическое обоснование предложенных видоизменений энергоустановок «солнечная труба» с учетом принципа сосуществования тепловых и механических видов движения показало, что закрутка конвективной струи, неоднородное распределение горизонтальной разности температур коллектора позволяют, по крайней мере на порядок, увеличивать долю лучистой энергии, преобразуемой в энер­гию вращающихся течений при вертикальной и горизонтальной конвекции. Для эксперимен­тального изучения подобных энергосистем выполнен комплекс лабораторных исследований аэродинамических и тепловых характеристик макетов испарительных градирен электростан­ций. По результатам исследований установлено, что переход к вихревому, турбулизированному течению, входящему в подоросительное пространство, позволяет на 2,5% повышать коэффициент тепловой эффективности, что за счет большего снижения температуры дает экономию топливных ресурсов электростанций. Одновременно показано, что при установке ветро­турбины в градирне может быть осуществлено производство электрической энергии с к.п.д. 2-3%.

 

100

 

    

Много суждений приходится слышать о низком коэффициенте использования установленной мощности ВЭУ. Таблица 5 дает исчерпывающий ответ на этот вопрос по различным странам. Как видим, средний К_иум ВЭС в мире равняется 23%, что всего лишь в 2,2 раза ниже среднего К_иум электростанций России (50%), но выше, чем К_иум дизельных электростанций России (18%).

Так что ветроэнергетика стала вполне реальной отраслью электроэнергетики и мы имеем все основания ожидать, что её доля в производстве электроэнергии достигнет 10% к 2020 г.

 

Таблица 5.

Эксплуатационные показатели ветроэнергетики мира в 2000 г.

Страна	Установленная мощность на конец 2000 г., МВт	Производство электрической энергии, млрд. кВтч	Число часов использования установленной мощности, ч	Коэффициент использования установленной мощности, %
Германия	2610	5,22	2000	23
Испания	2832	5,95	2100	24
США	2610	5,22	2000	23
Дания	2341	5,27	2250	26
Индия	1222	2,10	1800	20
Нидерланды	473	0,99	2100	24
Великобритания	425	1,22	2880	32
Италия	424	0,85	2000	23
Китай	352	0,74	2100	24
Греция	274	0,69	2500	29
Швеция	265	0,56	2100	24
Остальной мир	1108	2,22	2000	23
Итого	18433	37,29	2023	23

Источник: World Market Uhdate 2000, ВТМ Consult Abs.

 

И, наконец, один из главных вопросов о так называемой "дороговизне" ВИЭ. Это, пожалуй, самый устойчивый миф, который начисто опровергается данными таблицы 6. Как видим процесс выравнивания удельных капитальных вложений и себестоимости производства электроэнергии между традиционной и возобновляемой энергетикой на уровне 2005 г. можно считать завершённым. И оценка перспективы до 2030 г. говорит, что вполне вероятно дальнейшее снижение указанных показателей для возобновляемой энергетики и их повышение (удорожание) для традиционной энергетики.

 

Какова ситуация в России. Как известно, при населении 2,4% от населения мира Россия обладает 12% мировых запасов нефти, 35% мировых запасов газа, 16% мировых запасов угля и 14% урана. Это создает иллюзию, что проблемами использования ВИЭ заниматься в России не нужно. Однако, еще в 1992-1993 гг. были определены зоны (области) экономической, экологической и социальной эффективности использования ВИЭ в России. Дальнейшее развитие событий многократно подтвердило правильность этих выводов. На современном уровне ВИЭ могут внести существенный вклад в решение следующих неотложных проблем.

Обеспечение устойчивого, соответствующего принятым в аналогичных климатических условиях тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного

энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территорий. Обеспечение гарантийного минимума энергоснабжения населения и производства (особенно сельскохозяйственного) в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения (главным образом в дефицитных энергосистемах), предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений, особенно в сельской местности и сельской перерабатывающей промышленности. Снижение вредных выбросов от энергетических установок в отдельных городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения. Все исходные данные для решения этих задач в России имеются. А именно ресурсы ВИЭ, оборудование и потенциальный, к сожалению, неплатежеспособный (в большинстве случаев) спрос.

 

Таблица 6.

Существующие и перспективные стоимостные ориентиры в области ВИЭ

	Капитальные вложения, $ / кВт		Себестоимость производства, $ / кВтч
	2005	2030	2005	2030
Биомасса	1000-2500	950-1900	3,2-10,3	3,0-9,6
Геотермальная энергетика	1700-5700	1500-5000	3,3-9.7	3,0-8.7
Традиционная гидроэнергетика	1500-5500	1500-5500	3,4-11,7	3,4-1 1,5
Малая гидроэнергетика	2500	2200	5,6	5,2
Солнечная фотоэнергетика	3750-3850	1400-1500	17,8-54,2	7,0-32,5
Солнечная теплоэнергетика	2000-2300	1700-1900	10,5-23,0	8,7-19,0
Приливная энергетика	2900	2200	12,2	9,4
Наземная ветроэнергетика	900-1100	800-900	4,2-22, 1	3,6-20,8
Морская ветроэнергетика	1500-2500	1500-1900	6,6-21,7	6,2-18,4
АЭС	1500-1800	-	3,0-5,0	-
ТЭС на угле	1000-1200	1000-1250	2,2-5,9	3,5-4,0
ТЭС на газе	450-600	400-500	3,0-3,5	3,5-4,5

Источник: Международное энергетическое агентство (IЕА).

 

Россия располагает всеми видами ресурсов ВИЭ, а в большинстве субъектов Российской Федерации имеются два и более вида ВИЭ. Уникальными ресурсами ВИЭ обладает Краснодарский край, в котором имеется экономический потенциал по всем видам ВИЭ: геотермальная и солнечная энергия, ветровая энергия, гидроэнергия малых рек и водотоков, низкопотенциальная энергия моря, окружающего воздуха, стоков технического водоснабжения потребителей. Технический потенциал ВИЭ в крае на два порядка превышает современное потребление энергии краем. Далеко не случайно, что системы солнечного теплоснабжения получили по масштабам России широкое распространение именно в этом крае. В целом по России экономический потенциал ВИЭ по последним разработкам составляет порядка 320 млн. т.у.т., т.е. около 30% внутреннего потребления энергоресурсов в 2005 г. (970 млн. т.у.т.). Данные по видам ВИЭ приведены в таблице 7.

Имеются разработки и мелкосерийное производство всех видов оборудования возобновляемой энергетики, за исключением ветроустановок мощностью 30 кВт и выше. Существенные успехи достигнуты в геотермальной энергетике. На сооруженных за последнее время Верхне-Мутновской (3х4 МВт) И Мутновской (2х25 МВт) геотермальных станциях установлено оборудование, разработанное и изготовленное на российских предприятиях (ОАО «Геотерм», Калужский турбинный завод и др.). Хорошо зарекомендовали себя в работе (уже более 10 лет) солнечные коллекторы Ковровского механического завода, микро и малые ГЭС, изготовленные МНТО "ИНСЭТ", а также фотоэлектрические элементы и модули, поставляемые многими отечественными производителями за границу. Однако имеющиеся возможности используются лишь на 5-10%. Барьеров и препятствий очень много. Одним из главных барьеров является отсутствие какого-либо стимулирования развития ВИЭ и управления на государственном уровне. Тем не менее, силами энтузиастов отрасль держится на плаву и даже немного развивается. Так на уровне 2005 г. доля ВИЭ в производстве электроэнергии составила 10 млрд. кВтч или около 1,0% от общей выработки, а отпуск тепловой энергии - 95 млн. Гкал или 6,7% от общего отпуска тепла.

 

 

Таблица 7.

Оценка потенциала возобновляемых источников энергии России

Ресурсы	Валовой потенциал, млн. т.у.т./год	Технический потенциал, млн. т.у.т./год	Экономический потенциал, млн. т.у:т./год
Энергия ветра	44326	2216	11
Малая гидроэнергетика	402	126	70
Солнечная энергия	2205400	9695	3
Энергия биомассы	467	129	69
Геотермальная энергия (гидротермальные ресурсы)	*	11869	114
Низкоотенциальное тепло	563	194	53
ИТОГО по ВИЭ	2251158	24229	320

* Валовый потенциал гидротермальной энергии составляет 29,2 трлн. т у.т.

 

Прогноз развития ВИЭ до 2020 г., составленный в 2000 году оказался слишком пессимистическим. Предполагалось, что к 2010 г. доля ВИЭ в производстве электроэнергии, включая малые ГЭС, составит 1,0%. Этот показатель практически достигнут в 2005 г. С опережением прогнозов росло производство тепловой энергии на базе ВИЭ, которое составило в 2005 г. 95 млн. Гкал, при прогнозируемых на 2010 г. 70 млн. Гкал. Это тот случай, когда ошибки прогноза радуют. Тем не менее, следует иметь в виду, что указанный рост произошел в основном за счет увеличения прямого сжигания древесины и древесных отходов, а также увеличения производства электроэнергии за счет более полного использования малых тепловых станций, работающих на отходах целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств. Подвижки же в использовании новых возобновляемых технологий крайне малы. Так что проблемы стимулирования использования ВИЭ остаются и требуют незамедлительного решения.

В таблице 8 приведены данные по использованию ВИЭ за период с 2000 по 2005 г. Доля ВИЭ в производстве электрической энергии, включая малые ГЭС, составила около 0,9% или 8,4 млрд. кВтч, а доля ВИЭ в производстве тепловой энергии - 4,9% или 69,3 млн. Гкал. Совместно с централизованными поставками дров доля ВИЭ в производстве первичной энергии составила 1,2%, а во внутреннем потреблении - 2,2%. Не трудно заметить, что развитие использования возобновляемых источников энергии в России на базе энтузиазма отдельных людей и коллективов в 2005 г. вышло на свой максимальный уровень и дальше развиваться не будет. Между тем, как мировое развитие энергетики, в том числе участие в "восьмерке" требует от России решительного увеличения доли ВИЭ в энергобалансе. Исходя из анализа наличия ресурсов, потребности в электрической и тепловой энергии, возможностей производства оборудования предложен прогноз ввода мощности на базе ВИЭ до 2030 г., представленный в таблице 9. Но чтобы этот прогноз осуществился и чтобы Россия безнадежно не отстала от мирового развития энергетики необходимо:

Разработать и принять федеральный закон, стимулирующий инвесторов, разработчиков, изготовителей и пользователей оборудования, использующего ВИЭ;

Ежегодно предусматривать в федеральном бюджете средства на сооружение объектов возобновляемой энергетики, в объеме не менее 10% от объема государственного финансирования атомной и традиционной энергетики;

Установить в Энергетической стратегии России на период до 2030 г. государственные цели по объему использования ВИЭ или по вводу мощностей оборудования;

Назначить федеральный орган исполнительной власти, ответственный за развитие возобновляемой энергетики;

Разработать и утвердить комплекс нормативных документов, обязывающих и стимулирующих хозяйствующие субъекты и производителей органического топлива использовать ВИЭ в определенных природно-климатических условиях.

 

Таблица 8.

Доля ВИЭ в производстве и внутреннем потреблении первичной энергии в России

	2000 г.	2001 г.	2002 г.	2003 г.	2004 г.	2005 г.
Производство электрической энергии, млрд. кВтч	4,2576	4,6934	4,9952	7,3505	8,665	8,378
Замещение органического топлива за счет производство электрической энергии, млн. т.у.т	1,4646	1,6145	1,7183	2,5285	2,9721	2,882
Производство тепловой энергии, млн. Гкал	57,610	59,441	60,9	67,393	71,527	69,269
Замещение органического топлива за счет производства тепловой энергии, млн. т.у.т	11,4644	11,8229	12,1191	13,3438	14,0908	13,5074
Дрова, млн. т.у.т.	5,4	5,2	5,1	5,0	5,0	5,0
Всего, млн. т.у.т.	18,3	18,6	19,0	20.9	22,1	21,4
Производство/потребление первичной энергии, млн. т.у.т.
	1408	1455	1505	1607	1687	1722
	907	918	919	938	956	960
Доля ВИЭ в производстве/ потреблении первичной энергии, %	1,3	1,3	1,3	1,3	1,3	1,2
	2,0	2,0	2,1	2,2	2.3	2,2

Источник: Российский статистический ежегодник, 2006

 

Таблица 9.

Прогноз ввода мощности на базе ВИЭ в России

Вид ВИЭ		Г.	Г.	Г.		Г.
				пессим.	оптим.	пессим.	оптим.
Геотермальная	МВт (эл.)	70,5	4 (бин)	1000	2000	2000	4000
	МВт (тепл.)	230	10	1000	2000	5000	10000
Малые микроГЭС	МВт	680	20	200	1000	500	1500
Приливные ЭС	МВт	-	-	3000	3000	600	6000
Ветровая	МВт	12	50	1000	3000	5000	10000
Солнечная	МВт (эл.)	0,1	5	50	100	1000	100
Солнечные коллекторы	тыс. м2	100	100	500	1000	1500	2000
	МВт (тепл.)	50	50	250	500	750	1000
Биомасса	МВт (эл.)	1240	5	500	1500	1500	4000
	МВт (тепл.)	4330	15	900	1800	3000	6000
Всего	МВт (эл.)	2012	84	5750	10600	16000	26500
	МВт (тепл.)	4610	75	2150	4300	8750	17000

Энергосбережение в зданиях.

Ø Новые технологии активной теплозащиты зданий с использованием вакуумной теплоизоляции позволяют увеличить поступление тепловой энергии в зданиях на 500 кВтч/м² год и снизить потери энергии в зданиях на 25-30%.

Ø Пожаробезопасная резонансная система с высокоэффективными источниками света позволяет снизить затраты на освещение в помещениях на 25%.

Новая бесполимерная технология сборки солнечного модуля была использована для создания эффективной вакуумной прозрачной теплоизоляции (ВПТИ). ВПТИ состоит из двух сваренных по торцам пластин стекла с вакуумным зазором 50 мкм. При наличии инфракрасного (ИК) покрытия на внутренней поверхности стекол сопротивление теплопередачи может быть увеличено в 10 раз по сравнению с одинарным остеклением зданий. Солнечные коллекторы с вакуумным остеклением будут нагревать воду не до 60⁰, а до 90⁰С, т.е. из установок для горячего водоснабжения переходит в новый тип установок для отопления зданий. В теплицах и зимних садах потери энергии уменьшаются на 50%. Облицовка южных фасадов зданий плитами вакуумной прозрачной теплоизоляцией с селективным покрытием превращает здание в гигантский солнечный коллектор производительностью 500 кВтч/м² в год, И эквивалентно увеличению толщины стен на 1 метр кирпичной кладки при толщине ВПТИ 12 мм.

Особенно эффективно использование ВПТИ в южных районах РФ и в республиках Бурятия, Якутия, где в условиях зимнего антициклона при температуре воздуха - 30⁰С температура селективного покрытия при толщине ВПТИ 10 мм достигает 100⁰ С. Использование ВПТИ летние месяцы позволит на 50% снизить затраты на кондиционирование зданий. Разработанная резонансная система электрического освещения (РСЭО) предназначена для питания светильников по однопроводниковой линии. Экспериментальный образец установки РСЭО содержит источник питания, преобразователь частоты, высоковольтный резонансный трансформатор, соединенный однопроводниковой линией со светильниками с газоразрядными лампами низкого давления.

 

Резонансная электрическая система освещения зданий. Предназначена для освещения жилых и бытовых помещений с электропитанием по одному проводу в резонансном режиме. Применяется для:

освещения больших помещений, интерьеров подземных и наземных сооружений, вокзалов, выставочных павильонов;

освещения жилых, спортивных, промышленных, железнодорожных и сельскохозяйственных объектов. В таблице 13 представлены технические характеристики солнечной энергетической установки мощностью 900 Вт, разработанный в ВИЭСХ и предназначенной для освещения зданий. Дальнейшее развитие СЭУ-900 заключается в замене солнечного фотоэлектрического модуля на солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором мощностью 900 Вт с уменьшением площади солнечных элементов в 2 раза, замене АБ на суперконденсаторы такой же емкости с удвоенным ресурсом и замене двухпроводной линии на пожаробезопасную однопроводную резонансную линию электроснабжения. Все компоненты СЭУ -900, за исключением АБ и суперконденсаторов, разработаны и производятся на экспериментальном производстве ГНУ ВИЭСХ.

 

Таблица 13.

Техническое предложение на поставку солнечной энергетической установки

СЭУ -900 для освещения зданий

№	Состав солнечной энергетической установки СЭУ -900	Стоимость, руб.
1.	Солнечные фотоэлектрические модули общей мощностью 900 Вт	172000
2.	Солнечное зарядное устройство СЭУ-1700 В А для контроля заряда аккумуляторной батареи	4200
3.	Инвертор 1700-24/220 В со стабилизатором напряжения	16800
4.	Аккумуляторная батарея 2 х 12 В, 200 А-ч	27000
Всего: 220000 руб. (6133 евро) НДС (18%) 39600 руб. Всего с НДС 259600 руб. (7211 евро)

 

 

Кавитационная нанотехнология получения биогидротоплива. 17 марта 2008 г. на Чикагской бирже зарегистрирована рекордная цена на пшеницу 442 долл./т. Рост цен на зерно и масличные растения в определенной степени обусловлен растущим спросом на использование продовольственных культур для получения биотоплива: био­этанола и биодизельного топлива. Поэтому будущие технологии получения биотоплива долж­ны использовать древесные и сельскохозяйственные отходы, а не продовольственные культу­ры.

Разрабатывается технология получения смесевого дизельного биогидротоплива с целью увеличения количества легких углеводородов, понижения температуры кристаллизации и снижения количества вредных выбросов продуктов сгорания дизельных двигателей за счет разрыва длинных полимерных цепочек ароматических углеводородов и парафинов. Применение мо­дифицированного смесевого топлива в дизельных двигателях или энергетических установках приводит к значительной экономии топлива. По данным лабораторных исследований, после обработки летнего дизельного топлива происходит не только изменение его фракционного со­става, но и снижение температуры застывания и вязкости, что значительно повышает экономичность эксплуатации дизелей в зимнее время и их моторесурс. Кроме того, обработка дизельного топлива позволяет провести эффективное обессеривание топлива. При производстве смесевого дизельного биогидротоплива его объем увеличивается на 20%, что позволяет в год получить в сельском хозяйстве РФ экономию 1 млн. т. дизельного топлива.

Смесевое дизельное биогидротопливо может использоваться в энергетических установках кораблей, дизельных электрогенераторов, автомобилей и тракторов с дизельным двигателем. На способ и устройство для получения смесевого дизельного биогидротоплива поданы три за­явки на изобретения. С использованием нанотехнологии по контракту с Минобрнаукой в ГНУ ВИЭСХ и ГНУ ВИТИН разрабатываются новые технологии этерификации биодизельного топ­лива при комнатной температуре с длительностью процесса от нескольких секунд до несколь­ких минут вместо существующих многочасовых процессов этерификации при высокой темпе­туре.

До 17 века солнечная энергия и энергия сжигания древесины, в которой солнечная энергия аккумулируется благодаря фотосинтезу, были единственными источниками энергии человека. И сейчас 20% мирового производства энергии основывается на сжигании дpeвecины, энергии рек и ветровой энергии, основой которых является солнечная энергия. Новые энергетические технологии, новые принципы преобразования возобновляемой энергии, новые технологии солнечного кремния, производства солнечных элементов, герметизации солнечных модулей, использование стационарных солнечных концентраторов и новых методов передачи электрической энергии для глобальной солнечной энергосистемы обеспечат к концу стол 60-90% долю возобновляемой энергии в мировом производстве энергии.

 

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБ­НОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В РОССИИ

 

Исходные предпосылки разработки российского закона о поддержке ВИЭ. Работа над первым российским законом о возобновляемых источниках энергии (далее ­ВИЭ) началась ещё в 1997 г. группой специалистов под руководством д.т.н. П.П. Безруких. Да­лее проект был принят Государственной Думой в виде закона в 1999 г., затем одобрен Советом Федерации в том же году, однако в дальнейшем он был отклонен президентом РФ. Следует отметить, что в ходе работы над проектом закона он был довольно серьёзно «выхолощен». Среди мер поддержки в нём упоминалось только обязательство выделения правительством не менее 3% от общего объёма государственных инвестиции на развитие возобновляемой энергетики в рамках федеральной адресной инвестиционной программы. Остальные упомина­ния о мерах поддержки в проекте закона носили, к сожалению, чисто декларативный характер.

Такое поверхностное отношение к проблеме законодательного регулирования поддержки развития возобновляемой энергетики стало результатом недооценки нашими законодателями и правительством важности этой проблемы в конце 90-х годов. Как результат в проекте первого закона среди принципов государственной поддержки использования ВИЭ (ст. 5 проекта) была провозглашена приоритетность поддержки только «экономически эффективного использовани­я нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Получается, что если использова­ние ВИЭ экономически неэффективно (а это, при существующей системе субсидирования тради­ционной энергетики - почти все ВИЭ кроме больших ГЭС), то поддержкой они пользоваться не могyт. Зачем вообще поддерживать, если это и так «экономически эффективно»? Даже ис­пользование термина «нетрадиционные» применительно к ВИЭ свидетельствует, с нашей точки зрения, об отношении к ним, как к чему-то экспериментальному, не устоявшемуся.

Несмотря на отсутствие законодательного решения по системе поддержке ВИЭ, работа по расширению сферы использования ВИЭ велась в стране в конце 90-х, начале 2000-х, главным образом, в недрах РАО «ЕЭС России». В компании велись работы в области малой гидроэнер­гетики, приливной, геотермальной и в области ветроэнергетики. Поэтому попытки разработать новый законопроект начались в 2004 г. уже по инициативе РАО «ЕЭС России».

 2004 г. в рамках Координационного совета РАО «ЕЭС России» по ветроэнергетике был подготовлен первый вариант нового проекта федерального закона о возобновляемых источни­ках энергии, предусматривающего систему мер поддержки возобновляемой энергетики. После­довавшая за этим интенсивная работа группы специалистов закончилась принятием в ноябре 2007 г. поправок в федеральный закон от 26 марта 2003 г. № 35-ФЗ «Об электроэнергетике», которые впервые зафиксировали основные положения системы законодательной поддержки ВИЭ в России.

Следует отметить, что отказ президента в 1999 г. принять первый закон о поддержке ВИЭ сыграл, как ни парадоксально это звучит, положительную роль в развитии возобновляем, энергетики в стране. Если бы он был принят в том первоначальном виде, то всё равно не сумел бы оказать серьёзного влияния на использование ВИЭ, но формально отвечал бы на общественный запрос о наличии такой системы поддержки и её законодательном оформлении. В то же время уже через несколько лет после первой попытки решения проблемы роль и значение ВИЭ в развитии энергетики в мире стали оценивать по-другому. Те же процессы переоценки шли, том числе, и в России. Поэтому новый проект почти сразу получил широкую поддержку во власти и в обществе страны и стал действительно серьёзным шагом вперёд в развитии поддержки энергетики на основе ВИЭ. Разработчиками был сформулирован перечень базовых принципов формирования системы поддержки развития ВИЭ:

Механизм поддержки должен быть гармонично встроен в процесс реформы электроэнергетики и его законодательное оформление, требования нормативных документов, определяющих структуру и правила электроэнергетических рынков, действующий механизм их администрирования.

Во избежание коррупции и для повышения эффективности поддержки её механизм должен включаться для генераторов не до, а после запуска проекта и должен быть при вязан к объёмам произведённой энергии на основе ВИЭ.

Стимулироваться должно не всё производство энергии ВИЭ, а только ее производство для удовлетворения общественных потребностей, т.е. энергии, проданной на рынке. Поддержку следует ограничить во времени и дифференцировать по видам генерации. Следует обеспечить поддержку традиционной энергетики при её переводе на использование ВИЭ наряду с традиционными: т.е. комбинированное производство электроэнергии на ос­нове возобновляемых и не возобновляемых источников энергии (сжигание угля и древесных пелет, природного газа и биогаза и др.)

Следует отметить, что самая первая версия проекта закона содержала оба базовых подхода к поддержке ВИЭ, составляющих основу аналогичного закона Германии: (1) обязательство покупки энергии на основе ВИЭ сетевыми организациями и (2) установление государством в законе фиксированных тарифов на покупку такой энергии у генераторов. Однако от первой идеи разработчики в дальнейшем отказались ввиду действующего по требованиям закона «0б электроэнергетике» существенного ограничения возможностей сетевых организаций в России на покупку и продажу энергии. Вторая идея трансформировалась в схему фиксированной надбавки к рыночной цене энергии.

Трансформация базовых принципов поддержки в конкретные формы и методы привела дальнейшей работе к первоначальному набору мер поддержки, которые стали основой последующих обсуждений, трансформации или отмены (исключения). В дальнейшем предлагались другие меры поддержки, часть из которых была отвергнута на том или ином этапе работы над законопроектом, а часть - осталась.

 

 Основные положения законодательной системы поддержки возобновляемой энергетики в России. В ходе работы над законопроектом перед разработчиками стояло несколько принципиальных методологических развилок.

1. Стимулирование по отдельным элементам инвестиционного процесса: снижение амор­тизации, снижение налогов, компенсация процентов по кредиту и проч., или стимулирование только по объёму произведённой энергии на основе ВИЭ. Выбор был сделан в пользу второго подхода. Стимулирование развития ВИЭ на основе подхода, который предполагает сведение

снований для поддержки только к одному элементу - произведенной и проданной на рынке

энергии, позволяет решить сразу несколько задач. Во-первых, система стимулирования стано­вится простой и привязанной к одному показателю, общему для всех генераторов на основе ВИЭ. Во-вторых, система избежит сложной и дробной доказательной базы справедливости поддержки по объемам и видам затрат и, одновременно, опасности коррупции в процессе тако­го их обоснования. В-третьих, такая система всегда будет стимулировать конечный результат, полученный и подтвержденный «де-факто». Это позволит избежать ситуации, когда поддержка была оказана, а производство энергии так и не началось.

   2. Выбор между двумя известными и использующимися в разных странах системами поддержки ВИЭ: система фиксированных тарифов (Feed In Tariff (FIТ)) на энергию на основе ВИЭ и система квотирования потребления энергии ВИЭ (RES Quota System). Была выбрана первая схема поддержки.

3. Использование фиксированного тарифа на энергию или фиксированной надбавки к рыночной цене. Разработчиками вопрос был решён в пользу системы фиксированных надбавок к цене на энергию, которая является разновидностью и вариантом дальнейшего развития систе­мы фиксированных тарифов.

   4. Включение числовых значений величин надбавок к цене в текст закона или принятие

их отдельным постановлением правительства. Надбавки в закон включены не были.

   В конечном итоге набор мер поддержки и основные положения системы стали выглядеть в законе следующим образом. Закон (статья 3) конституировал набор источников энергии, относящихся к возобновляемым: «возобновляемые источники энергии - энергия солнца, энергия ветра, энергия вод (в том числе энергия сточных вод), за исключением случаев использования такой энергии на гидроаккумулирующих электроэнергетических станциях, энергия приливов, энергия волн водных объектов, в том числе водоемов, рек, морей, океанов, геотермальная энергия с использованием природных подземных теплоносителей, низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха, воды с использованием специальных теплоносителей, биомасса, вклю­чающая в себя специально выращенные для получения энергии растения, в том числе деревья, a также отходы производства и потребления, за исключением отходов, полученных в процессе использования углеводородного сырья и топлива, биогаз, газ, выделяемый отходами производ­ства и потребления на свалках таких отходов, газ, образующийся на угольных разработках». Необходимо обратить внимание, что в выше приведённом перечне есть источники, которые уже активно используются в практике работы станций, а есть находящиеся пока на стадии экс­периментов. Не стоит считать этот перечень закрытым, он может расширяться.

Также долго обсуждалась необходимость поддержки больших и малых гидроэлектростанций (ГЭС) и характеристика производимой ими энергии. С одной стороны ГЭС, использующие энергию потоков воды должны относиться к возобновляемой энергетике. С другой, большие водохранилища, создаваемые при ГЭС, стимулируют усиление процессов гниения ор­ганических фракций под водой, особенно в жарком климате, уменьшают площадь плодородных земель, замедляют скорость водотока и др., что относится к факторам, ухудшающим условия окружающей среды.

В России с её колоссальным потенциалом гидроэнергетики и уровнем его использования, намного ниже, чем в большинстве развитых стран, ситуация должна предполагать использование разнообразных мер стимулирования развития этой отрасли энергетики - как новых и существующих станций больших мощностей, так и малых. Это не отменяет действия фактора экономии на масштабе, что означает более высокую экономическую эффективность генерации на крупных ГЭС по сравнению с малыми. Поэтому меры поддержки ГЭС в законе распространяются только на станции мощностью до 25 МВт.

Закон устанавливает (статья 21, п. 1) требование к правительству разработать основные направления государственной политики в сфере энергоэффективности и ВИЭ с установлением показателей доли энергии ВИЭ в балансах производства и потребления энергии по годам. Фактически правительство само себе установит конкретные индикаторы прогресса в развитии возобновляемой энергетики как на длительный период, например, 20 лет, так и краткосрочные - на первую пятилетку периода. Это требование закона, по нашему мнению, должно будет заставлять правительство страны не только устанавливать такие задания, но и разрабатывать меры по их выполнению. Это, в свою очередь, будет мощнейшим стимулом развития возобновляемой энергетики в стране. Поэтому логичным стало и следующее ниже положение документа, отражённое в том же пункте той же статьи, которое устанавливает требование к правительству разработать необходимые план или программы мероприятий по достижению указанных целевых показателей. Закон вводит категорию квалифицированного производителя энергии на основе ВИЭ. Требование квалификации введено законодателем, во-первых, для установления факта производства энергии генератором именно на основе ВИЭ. Во-вторых, должно быть установлено соответствие генератора требованиям, определённым законодателем в качестве обязательных для получения той или иной формы поддержки. По требованию ст. 21, п. 1 правительство «...устанавливает правила, критерии и порядок квалификации генерирующего объекта, функционирующего на основе использования ВИЭ», а саму процедуру квалификации будет проводить Совет рынка - национальный регулятор электроэнергетических рынков. В качестве критериев квалификации будут установлены следующие:

Ø соответствие целевым показателям, установленным в рамках основных направлений государственной политики в сфере возобновляемой энергетики и энергоэффективности;

Ø соответствие мощности генератора установленным ограничениям (не более 25 МВт) для получения установленных законом мер поддержки в тех случаях, когда законодателем такие ограничения установлены;

Ø проверка правоустанавливающих документов генератора: права собственности и его субъекта, проектная документация, разрешительная документация и др.;

Ø подтверждение того, что генерирующий объект находится в эксплуатации (введен в эксплуатацию и не выведен в ремонт или из эксплуатации);     

Ø подтверждение того, что генерирующий объект в установленном порядке присоединен к электрическим сетям сетевой организации и оснащен средствами измерений, соответствующими требованиям законодательства об электроэнергетике, правил присоединения к рынку и требованиям Системного оператора.

Процедура квалификации будет носить заявительный характер и, по сути, будет представлять собой проверку представляемых документов заявителя. Предполагается возможность инспекций генерирующих объектов. Решение о квалификации генератора ведёт к его внесению в реестр и возможности выпуска сертификатов возобновляемой энергии в его пользу в объёме подтвержденной генерации. Без признания квалифицированности генератора на него не могут распространяться никакие предусмотренные законом меры поддержки.   

Закон устанавливает основные финансовые механизмы поддержки производства энергии на основе ВИЭ. Они включают в себя:

Ø введение механизма надбавок к цене энергии ВИЭ сверх цены оптового рынка;

Ø субсидирование затрат на подключение к сетям для генераторов ≤ 25 МВт мощности и возможность покрытия других расходов из федерального бюджета;

Ø возложение на сетевые организации обязательства покупки энергии ВИЭ на рынке для компенсации и в пределах своих технологических потерь;

Ø другие меры поддержки производства энергии на основе ВИЭ за счёт средств федераль­ного бюджета.

Из этих четырех положений первое относится к сфере регулирования рынка электрической энергии, а последующие три - к сфере регулирования бюджетных отношений. Первое положение - краеугольный камень всей системы финансовой поддержки развития возобновляемой энергетики. Этот вывод основан на особенностях ра­бочих процедур и степени новизны рассматриваемых мер поддержки с точки зрения сущест­вующей регулятивной среды.

Механизм сбора средств рынка и их перераспределения между квалифицированными генераторами принципиально не отличается от уже использующихся на оптовом рынке, напри­мер, он очень похож на механизм распределения небаланса при клиринге взаиморасчётов среди частников рынка. Поэтому можно говорить об условном автоматизме этой процедуры. Что касается процедур в рамках бюджетного регулирования, то следует признать, что они будут относительно новым механизмом, что потребует его методической разработки, согласования с Минфином, практической отработки и т.д. Рассмотрим упомянутые меры поддержки несколько подробнее.

 

Надбавки к цене энергии на основе ВИЭ. Эти надбавки будут выплачиваться квалифицированным генераторам сверх цены оптового рынка, такой и тогда, какая и когда она (цена) сложилась на рынке в момент продажи энер­гии. Свою энергию генераторы на основе ВИЭ - участники оптового рынка, могут продавать в разных его секторах: долгосрочные договора, рынок на сутки вперёд, балансирующий рынок. Остальные генераторы на основе ВИЭ будут продавать свою энергию на розничном рынке. Каждый из двух рынков имеет свои правила и механизм формирования цен, которые мы здесь не рассматриваем. Продажа энергии по этим ценам - один из источников выручки для генераторов. Второй источник их выручки - упомянутые надбавки к ценам рынка. Они представляют собой фиксированные величины, разные для разных видов ВИЭ, и их размер должен быть ут­верждён отдельным постановлением правительства. Для получения надбавки генератор обра­щается в Выпускающий орган, который выпускает сертификаты возобновляемой энергии («зелёные» сертификаты) и ведёт их реестр (см. § 3.3 ниже). Как уже было сказано, это возможно только для квалифицированных генераторов. Сами «зелёные» сертификаты не являются бума­гой, а представляют собой записи в электронной базе данных, так же как это делается в случае

акций. Полученные генераторами сертификаты сдаются коммерческому оператору рынка, ко­торый входит в состав Совета рынка и выполняет функцию администрирования электроэнерге­тических рынков страны. Коммерческий оператор рынка вычисляет сумму денег, которую ему надо собрать с оптового рынка и выплатить генераторам ВИЭ, «сдавшим» ему свои сертифика­ты. Вычисление производится умножением полученного оператором от генераторов общего количества сертификатов того или иного вида ВИЭ на установленную правительством надбавку.

           Например, за какой-то месяц было сдано коммерческому оператору рынка сертификатов на 200 МВтч энергии ветростанций, 150 МВтч энер­гии станций на биомассе и 1300 МВтч энергии малых ГЭС. Величина надба­вок для соответствующих видов ВИЭ составила (допущение): ветростанции- 2500 руб. за 1 МВтч; станции на биомассе - 1400 руб. за 1 МВтч; малые ГЭС - 2400 руб. за 1 МВтч. Тогда общая сумма, которую оператору рынка необходимо собрать с рынка составит:

200 МВт х 2500 руб./МВтч + 150 МВт х 1400 руб./МВтч + 1300 МВт х 2400 руб./МВтч = 3 830 000 руб.

Полученная сумма будет разделена между всеми покупателями на оп­товом рынке, пропорционально объёмам купленной ими электроэнергии за тот же период, и будет включена в их клиринговый счёт по итогам опера­ций за месяц. Далее коммерческий оператор рынка распределяет всю полу­ченную от продавцов сумму в соответствии произведенными расчётами и начисляет вышеуказанные суммы на счета каждого из генераторов ВИЭ ­участников оптового рынка.

Покупатель на оптовом рынке не может отказаться от выполнения своего обязательства по покупке части энергии ВИЭ в общем объёме своих покупок энергии на рынке. Это обязательство возлагается на него законом и будет включено в набор обязательных требовании в договор о присоединении к рынку (статья 33, п. 4), который каждый участник должен подписать, чтобы начать свои операции на оптовом рынке. Невыполнение этого обязательства будет иметь в качестве последствий санкции, предусмотренные договором, вплоть до исключения из числа участников рынка. Контроль за соблюдением этого, в частности, обязательства возлагается законом на Совет рынка (статья 33, п.3).

Субсидирование затрат генераторов ≤ 25 МВт мощности на подключение к сетям. Даже поверхностный анализ показывает, что доля стоимости технологического присоединения в общей стоимости проекта для малых генераторов выше, чем для больших. Поэтому в законе содержится (статья 21, п. 1) требование к правительству разработать критерии выделе­ния из федерального бюджета средств на выплату компенсации расходов таких генераторов на технологическое присоединение к сетям. Такое «облегчение» затрат для небольших генерато­ров существенно улучшит их экономику. Предполагается, что эта субсидия должна покрывать все затраты генератора этого типа, рассчитанные по утверждённым методикам и требованиям. Также пока не решено, кто будет непосредственным получателем средств: сам генератор или подключающая его сетевая компания.

 

Покупка энергии ВИЭ сетевыми организациями. Статья 32 п. 3 закона возлагает на сетевые организации обязательство покупки энергии ВИЭ на рынке: «Сетевые организации должны осуществлять компенсацию потерь в электриче­ских сетях в первую очередь за счет приобретения электрической энергии, произведенной на квалифицированных генерирующих объектах, подключенных к сетям сетевых организаций и функционирующих на основе использования возобновляемых источников энергии». Здесь следу­ет обратить внимание на несколько важных обстоятельств. Во-первых, такие обязательства у сетевых организаций возникают только по отношению к генераторам ВИЭ, которые подключе­ны именно к ним. Во-вторых, объём покупки имеет верхнее физическое ограничение в вид абсолютной цифры объема технологических потерь сетевой организации. В-третьих, необхо­димость именно покупки энергии для компенсации своих технологических потерь в электрическ­их сетях предусматривается этим же законом и новое дополнение лишь уточняет источник такой покупки.

Такое же обязательство существует и в германском законе. Разница состоит в отсутствии ограничения по величине потерь и в наличии процедуры перевода этого обязательства на сете­вую организацию более высокого уровня в случае, если первая сетевая организация больше не может покупать эту энергию. В отличие от российского законодательства, регулирующего электроэнергетические рынки, немецкое не запрещает сетевым организациям как самостоя­тельным, так и в составе вертикально-интегрированных энергокомпаний заниматься куплей­-продажей электрической энергии.

 

Другие меры бюджетной поддержки. Закон предусматривает возможность использования других мер поддержки в рамках действующего бюджетного законодательства. И хотя они прямо в нём не упоминаются, мы допуска­ем, что речь может идти, например, о компенсации расходов на долговое финансирование проектов ВИЭ их владельцам, повышение норм амортизации на соответствующее оборудова­ние и снижение налоговой нагрузки, таким образом, и др.

Система «зелёной» сертификации энергии на основе ВИЭ в России. В основе практической реализации всех без исключения мер поддержки должна лежать

эффективная и работоспособная система учёта объёмов производства энергии на основе ВИЭ. Исходя из этой логики, было принято решение об использовании для этого специальной системы сертификатов возобновляемой энергии или «зелёных» сертификатов.

Этот термин «зелёные сертификаты» постоянно встречается в литературе и выступлениях на тему механизмов поддержки развития энергетики на основе ВИЭ. В то же время следует признать пока ещё слабую разработанность научно-методических основ этой категории процессов, в которых сертификаты принимают участие в той или иной форме. Слабая методическая проработка вопроса отчасти объяснима новизной и даже, в некотором смысле, революционностью понятия, которое появилось в обороте недавно.

Система, которая в дальнейшем получила название «зеленых» сертификатов, появилась впервые как инструмент учета и мониторинга производства и потребления электрической энергии на основе ВИЭ в Нидерландах в 1997-98 годах под названием «система зеленой маркировки» (green label system). Именно отсюда возникло название сертификатов, которое с тех пор закрепилось. Рассмотрим очень кратко, как выглядит эта система.

Как известно, электрическая энергия после её передачи с шин трансформатора электростанции-генератора потребителю становится для него обезличенной. На практике это означает, что за редким исключением потребитель не знает, энергию какого генератора он потребляет вообще и в данный конкретный момент времени. В связи с запуском специальных механизмов поддержки отдельных видов электрической энергии, в первую очередь, на основе ВИЭ, понадобилось решить две задачи: точно идентифицировать объёмы такой энергии (1) при её производстве и (2) при её потреблении. Первая задача - стандартная, решаемая, как правило, на основе известных методических и технологических подходов. Вторая задача может быть решена с использованием тех же подходов, что и первая: детальный анализ двусторонних договоров, анализ данных коммерческого учёта и данных транспортировки энергии и т.д. Однако такие результаты будут весьма неточными, либо очень дорогими. Ситуация ещё больше усложняется в схемах работы региональных энергетических пулов (где энергия «перемешивается»), при пользовании сделок «своп» по энергии и т.д.

В качестве альтернативы такому прямолинейному подходу в конце 90-х годов была предложена схема использования специальных «зелёных сертификатов» для подтверждения факта производства электрической энергии именно на основе ВИЭ. Для получения таких сертификатов генератор в России должен пройти процедуру квалификации или аккредитации, как это называют наши коллеги в Европе. После прохождения квалификации, начала производства энергии её производители получают специальные «зеленые» сертификаты, подтверждающие, они произвели и продали на рынке определенный объем возобновляемой или «зеленой» энергии.

Выпускают такие сертификаты специальные органы, получившие название «выпускающих». В каждой стране по правилам Международной ассоциации RECS (http://WWW.recs.org) может быть только один выпускающий орган. Кроме ассоциации RECS существует похожая международная ассоциация национальных выпускающих органов AlB (http://www.aib-net.org). Лучшим аналогом места и роли такого выпускающего органа в системе сертификации является положение центрального банка страны в национальной банковской системе, регулирующих выпуск и обращение денег в стране на основании правил, установленных федеральным законом.

Международная ассоциация RECS I пterпatioпal включает около 200 чле­нов из 24 (европейских) стран и ставит своей задачей формирование и разви­тие панъевропейского рынка сертификатов возобновляемой энергии. 3ареги­стрирована в марте 1999 г. в Брюсселе. Созда­ние ассоциации стало ответом на желание нескольких крупных европейских энергокомпаний, захотевших создать международную систему торговли сертификатами на либерализованных рынках ЕС.

Каждый национальный выпускающий орган должен быть членом А I В, чтобы обеспечить выпуск и обращение сертификатов на основе единых пра­вил и стандарта. Членом ассоциации сожжет быть только один выпускаю­щий орган от каждой страны. Чтобы открыть в А I В сертификационный счет для проведения операций с сертификатами, заинтересованный агент (производитель, поставщик, трейдер) должен вступить в члены RECS Iпterпatioпal.

Количество выпускаемых сертификатов привязано к объему произведенной генераторами энергии. Обычно сертификаты кратны 1 МВтч. Дальнейшая судьба сертификатов зависит от выбранной государством схемы поддержки развития возобновляемой энергетики. Хотя система сертификации, как таковая, не является системой поддержки, но она представляет собой обяза­тельный инструмент, без которого ни один из основных типов таких систем работать не смо­жет.

В схеме системы поддержки ВИЭ на основе квот сертификаты поступают на торговые площадки, где их покупают компании, которым необходимо подтвердить выполнение возло­женных на них обязательных квот потребления энергии на основе ВИЭ. При этом сертификаты гасятся, чтобы избежать двойного счёта и мошенничества.

В схемах поддержки на основе фиксированных тарифов и надбавок к ценам рынка в обязательном порядке производится только подтверждение объёмов производства такой энергии. Подтверждение потребления производится на основе принятых добровольных обязательств компаний и исходя из объёмов таких добровольных обязательств.

Поэтому движение сертификатов по правилам RECS International не привязано к движению энергии, на основании которой они выпускаются. Это дает возможность использовать сер­тификаты тем агентам, которые не производят энергию от ВИЭ, но покупают сертификаты для своих целей. Важно отметить, что они становятся предметом обращения на специальных рын­ках, получая свою рыночную цену на них.

Насколько велики масштабы рассматриваемого явления выпуска и обращения сертификатов возобновляемой энергии? Статистика приведена ниже.

Начиная с 2001 г.:

Ø Выпущено 404 млн. сертификатов;

Ø Переведено 137 млн. сертификатов;

Ø Погашено 250 млн. сертификатов.

 

В т.ч. в 2007 г. было:

Ø Выпущено 140 млн. сертификатов;

Ø Переведено 47 млн. сертификатов;

Ø Погашено 80 млн. сертификатов.

 

В 2008 г. (на середину июля) было:

Ø Выпущено 80 млн. сертификатов;

Ø Переведено 42 млн. сертификатов;

Ø Погашено 76 млн. сертификатов.

Оптовая цена сертификата на середину июля текущего года составляла в среднем 0,21 евро по всем видам энергии на основе ВИЭ. Таким образом, оценка величины рынка сертификатов в 2008 г. - около 33 млн. евро. Однако уже сейчас понятно, что в ближайшие 2-3 года он вырастет в несколько раз. Например, цены фьючерсных контрактов на сертификаты энергии ГЭС на 2009 г. стоят 0,29 евро (2007 г. - 0,18), а на 2010 г. фьючерсы стоят уже 0,375 евро и 0,44 евро на 2011 г. Цены на сертификаты энергии ветростанций на 2008 г. - 1,24 евро. Розничные цены обычно выше в разы. Крупнейшими экспортерами сертификатов являются: Швеция, Норвегия, Финляндия, крупнейшими импортерами: Нидерланды, Австрия, Бельгия (Фландрия), которые стремительно догоняют Германия и Франция. Таким образом, «зеленый» сертификат представляет собой новый инструмент регулирования электроэнергетических рынков в России и может использоваться для различных целей, имеющих отношение, главным образом, к производству и потреблению энергии на основе ВИЭ:

Ø сертификат документирует и экологическую, и соответствующую экономическую ценность энергии от ВИЭ, признанную и подтверждённую государством;

Ø даёт право на получение генераторами надбавки за проданную энергию ВИЭ;

Ø служит инструментом статистического учета объёмов производства энергии на основе ВИЭ с учётом разных технологий генерации и обеспечивает оценку степени достижения национальных целей в этой сфере;

Ø обеспечивает контроль исполнения принимаемых добровольных обязательств по потреблению энергии ВИЭ.

Закон возлагает ответственность за «ведение реестра выдачи и погашения сертификатов, подтверждающих объем производства электрической энергии на основе использования BИЭ на Совет рынка (статья 33, п. 3). Разработка и «утверждение порядка ведения реестра выдачи погашения сертификатов, подтверждающих объем производства электрической энергии на функционирующих на основе использования ВИЭ квалифицированных генерирующих объектах» должна быть осуществлена правительством (статья 21, п. 2).

Российская система «зелёной» сертификации имеет некоторые отличия от международной. Правило погашения сертификатов сразу после получения поддержки, действует, например, в Германии и не действует в России. В российских сертификатах будет производиться только отметка о получении какой-либо формы поддержки, чтобы исключить возможность повторного обращения владельца сертификата именно за ней. Российские «зеленые» сертификаты будут гаситься только при подтверждении потребления или по истечению срока их действия. В отличие от международных правил в российской системе купли-продажи электроэнергии сертификат будет «связан» и будет сопровождать движение энергии в процессе купли-продажи и поэтому, в конце концов, окажется у покупателя энергии, если покупатель выра­зит такое желание. В дальнейшем эти российские сертификаты могут использоваться также для подтверждения принятых компаниями добровольных обязательств по потреблению энергии на основе ВИЭ. Общая схема использования сертификатов в системе электроэнергетических рын­ков приведена на рисунке 2. Пунктиром на рисунке показаны процессы и элементы системы продажи сертификатов для подтверждения добровольных обязательств юридических лиц, ко­торая пока не имеет адекватного законодательного или регламентирующего оформления.

Система подзаконных актов, необходимых для практического запуска системы поддержки ВИЭ в России. На основании и во исполнение принятого в ноябре 2007 г. закона требуется разработка специальных подзаконных актов, детализирующих положения им требования закона. Эти подзаконные акты должны установить и сформулировать конкретный механизм поддержки возоб­новляемой энергетики по всем элементам, введенным в оборот принятым законом.

1) Распоряжение Правительства РФ «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии».

2) Распоряжение Правительства РФ о плане (программе) мероприятий по достижению заявленных в Основных направлениях целевых показателей.

(Конечно, названия документов в данном списке необходимых подзаконных актов - примерные, исходя из их предполагаемого основного содержания).

3) Установление правил, критериев и порядка квалификации генерирующего объекта, функционирующего на основе использования ВИЭ (принято: Постановление Правительства РФ от 3 июня 2008 г. № 426 «О квалификации генерирующего объекта, функционирующего на основе использования возобновляемых источников энергии»).

4) Постановление Правительства РФ о «Порядке первоочередного приобретения элетросетевыми организациями электрической энергии, произведенной на функционирующих на основе использования ВИЭ квалифицированных генерирующих объектах, с целью компенсации потерь электрической энергии в электрических сетях».

5) Дополнения в правила электроэнергетических рынков в части:

Ø подготовки предложений по установлению прибавляемой к равновесной цене оптового рынка надбавки для определения на период 2008-2010 гг. цены электрической энергии на оптовом рынке, произведенной на функционирующих на основе использования ВИЭ квалифицированных генерирующих объектах, а также порядок применения и изменения Правительством РФ указанной надбавки;

Ø подготовки предложений о внесении изменений и дополнений в Правила оптового рынка электрической энергии (мощности) переходного периода и Правила функционирования розничных рынков электрической энергии в переходный период реформирования электроэнергетики, описывающие порядок расчета надбавки к равновесной цене в ценовой зоне;

Ø подготовки предложений о внесении изменений и дополнений в порядок ценообразования в отношении электрической и тепловой энергии в РФ в части тарифообразования в неценовых зонах и изолированных районах;

Ø разработки предложений по установлению обязательного для покупателей электрической энергии на оптовом рынке на период 2008-2010 гг. объема приобретения электрической энергии, произведенной на квалифицированных генерирующих объектах, функционирующих на основе использования ВИЭ, с учетом требования к корректировке указанного объема в сторону его снижения с установленной решением Правительства Российской Федерации с периодичностью;

Ø Постановление Правительства РФ о внесении изменений в:

1) Постановление Правительства РФ от 26.02.2004 №109 о ценообразовании в отношении электрической энергии

2) Постановление Правительства РФ от 24.10.2003 №643 о правилах оптового рынка

3) Постановление Правительства РФ от 31.08.2006 №530 о правилах розничных рынка

6) Постановление Правительства РФ «Порядок ведения реестра выдачи и погашения сертификатов, подтверждающих объем производства электрической энергии на функционирующих на основе использования ВИЭ квалифицированных генерирующих объектах».           

7) Постановление Правительства РФ о «Критериях и порядке предоставления из федерального бюджета субсидий в порядке компенсации стоимости технологического присоединения квалифицированных генерирующих объектов с установленной генерирующей мощностью не более 25 МВт».

8) Подготовка и внесение в Правительство Российской Федерации предложений о включении в проект федерального закона «О Федеральном бюджете на 2009 г. и на плановый период 2010 и 2011 гг.» положений в части обоснования необходимых средств для определения объемов и источников финансирования в 2009 г. за счет средств федерального бюджета предусмотренных законодательными актами и решениями Правительства Российской Федерации мер экономического стимулирования и поддержки развития использования ВИЭ.

В настоящее время Президентом России подписан указ от 4 июня 2008 г. № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики», предусматривающий необходимость «при формировании тарифной политики и проектов федерального бюджета на 2009 г. и на плановый период 2010 и 2011 гг., а также на последующие годы предусматривать бюджетные ассигнования, необходимые для поддержки и стимулирования реализации проектов использования возобновляемых источников энергии и экологически чистых производственных технологий» (пункт 1, подпункт «г»). То есть это положение указа переводит норму закона о бюджетной поддержке возобновляемой энергетики в плоскость его поручений правительству. Остальные документы из приведенного списка находятся в разной степени готовности к утверждению и подписанию по соответствующей проце­дуре. Но все они готовы как проекты таких документов.

После завершения разработки вышеуказанных подзаконных актов можно будет считать задачу создания национальной системы поддержки развития возобновляемой энергетики выполненной. Далее речь будет уже идти о ее практическом запуске и совершенствовании.

Выводы

Выше были рассмотрены некоторые возобновляемые источники энергии и кратко описаны принципы их использования. Дан краткий анализ состояния разработок и перспектив развития ВИЭ в мире и в России. Показано, что многие технологии использования ВИЭ уже достигли уровня высокой конкурентоспособности по отношению к традиционным технологиям, базирующимся на ископаемых органических топливах.

В России установки на ВИЭ пока не могут повсеместно и в полной мере конкурировать с централизованными системами энергоснабжения. Однако для рассредоточенных потребителей, особенно для тех, жизнеобеспечение которых осуществляется за счет привозного топлива, ВИЭ являются во многих регионах страны исключительно важными, конкурентоспособными и порой единственными источниками энергообеспечения.

Высокие темпы продвижения ВИЭ на энергетические рынки многих стран и регионов во многом обусловлены государственной поддержкой, заботой об энергетической и экологической безопасности. В России ВИЭ пока не уделяется должного внимания. В статье изложены основные причины и доводы, которые объективно свидетельствуют о целесообразности ускорения разработок и масштабов практического использования ВИЭ в нашей стране. Одним из важнейших должно стать создание сети демонстрационных объектов в регионах, наглядно показывающих преимущества и особенности использования ВИЭ и убеждающих региональные власти и представителей бизнеса в необходимости приоритетного развития этих экологически чистых перспективных энергетических технологий. Особое значение ВИЭ имеют для туристско-рекреационных зон, создаваемых в различных районах страны. Необходимо уделить специальное внимание использова­нию ВИЭ при подготовке к Олимпиаде в Сочи. ВИЭ должны найти достойное обоснованное ме­сто в разрабатываемых проектах Энергетических стратегий России и регионов на период до 2030 г.

Рассмотрим более подробно наиболее важные направления в использовании ВИЭ.        

 

Перспективные биотехнологии

Производство биофото-водорода Микроскопические водоросли (хламuдомонада), цианобактерии (анабена и др.); искусственные фотохимические системы (хлоропласты, гидрогеназа и др.) Фотосинтез Биоводород Производство биоводорода Отходы животноводства и растениеводства; отходы спиртовых заводов; отходы пищевых производств и ТБО; осадки сточных вод и др. Первый этап анаэробной ферментации   Каталитическое и мембранное разделение биосингаза. Биоводород     Биоводород

 

Практически все перечисленные направления использования биомассы в последние годы получили достаточное развитие, а в стадии научно-исследовательских разработок находятся биологические методы получения водорода. Предполагается, что они могут быть основаны либо на искусственных фотохимических системах (хлоропластах, выделенных из растительных клеток в присутствии катализаторов гидрогеназы или коллоидной платины и переносчика электронов), либо на применении микроскопических зеленых водорослей (хламидомонас) и цианобактерий (анабена) (в таблице 2, раздел Перспективные биотехнологии). В последнем случае продуцентами водорода выступают микроорганизмы и, следовательно, весь спектр исследований (генетических, биохимических, физиологических) целесообразен и необходим для повышения продуктивности культур по водороду.

Следует отметить, что даже хорошо известные технологии использования биомассы совершенствуются; так в технологиях прямого сжигания получила развитие дополнительная предобработка сырья, приводящая к существенному повышению энергосодержания продукта (производство пеллет, брикетов и гранул из древесных и растительных остатков). Большие перспективы намечаются в использовании технологии быстрого пиролиза для получения бионефти из специально выращенных энергетических растений. Так, из высушенной биомассы растения Мискантус китайский (слоновья трава), характеризующегося урожайностью до 50 т. зеленой массы на гектар и почти не содержащей трудноперерабатываемый лигнин, в результате быстрого (менее секунды) пиролиза при Т=450⁰ получена жидкость, близкая к нефти. Выход продукта составил 70%, однако недостатком является высокое содержание кислорода, поэтому сейчас разрабатывается технология его дезоксигенации. Первая в России установка по производству бионефти проходит испытания в СО РАН.

Метаногенез в мире переживает в последнее время второе рождение, т.к. с экологической точки зрения это уникальный процесс, способный уменьшить нагрузку на окружающую среду, конвертируя органические отходы в газообразное топливо с попутным получением органо-минеральных удобрений в биодоступной для растений форме. Актуальность применения данной технологии для России очевидна: ежегодно в стране образуется 150 млн. т концентрированных сельскохозяйственных отходов и 50 млн. т. древесных отходов. Из этого количества отходов может быть одновременно произведено 54 млрд. м³ биогаза, 30 млн. т. удобрений и 100 млн. т. биобензина. Кроме того, благодаря использованию новых мембранных технологий разделения СН₄ и СО₂ принципиально решена проблема использования биогаза в качестве автомобильного топлива. России, только вступающей в эру производства биотоплив, сложно конкурировать с другими странами; так, из-за природно-климатических условий и меньшей урожайности с/х культур неконкурентоспособным оказывается производство биоэтанола из пищевого сырья. Кроме того, существенный рост производства этанола из пищевых продуктов невозможен. Поэтому основным приоритетом могут стать инновационные технологии по про. изводству биотоплив II поколения из лигноцеллюлозных отходов - этанола и бутанола. Все развитые страны имеют государственные программы по развитию индустрии биотоплива на основе возобновляемого сырья, в которых ведущее место занимают технологии осахаривания лигноцеллюлозного сырья. Так, в этой области учеными химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова созда­ны уникальные ферментные системы, состоящие из комбинации синтетических полимеров с природными энзимами, способные осуществлять ферментативный гидролиз лигноцеллюлозы. Расщепленная до растворимых сахаров лигноцеллюлоза в дальнейшем сбраживается традици­онным способом с получением этанола, из которого каталитической восстановительной де­гидратацией получают топливный биоэтанол II поколения [Волчкова, 2008]. Но в реализации этой технологии есть еще много трудностей, одна из которых более высокая цена этанола из лигноцеллюлозы, превышающая его производство из зерна и тем более из сахарного тростника(2,25 $/галлон против 1,03 и 0,81 $/галлон). Но, судя по объему вложенных средств, в течение ближайших пяти лет ожидается развитие рентабельного производства в этой области.

Одним из возможных кандидатов на биотопливо ближайшего будущего является бутанол, который можно получать из осахаренной растительной биомассы путем ферментации. Эти технологии основаны на ацетонобутиловом сбраживании продуктов ферментативного гидролиза целлюлозных отходов анаэробными бактериями Clostridium acetobutylicum. В этом про­цессе наряду с бутанолом образуется ацетон и этанол в соотношении 60:30:10. Производство бутанола для химической промышленности было начато с конца 20-х годов прошлого века, но в 50-е годы в большинстве стран мира микробиологическое производство бутанола и ацетона было свернуто из-за конкуренции с нефтехимическим синтезом. В СССР и затем в Российской Федерации микробиологическое производство бутанола продолжалось до середины 90-х годов, поэтому возврат интереса к его производству в связи с появившимися перспективами применения бутанола в качестве биотоплива заставил обратиться к накопленному опыту (Дебабов, 2008).

В России ОАО «Корпорация биотехнологии» разработаны технологии и создается сеть предприятий по выпуску биобутанола II поколения из отходов спиртовых, лесоперерабатывающих и гидролизных комбинатов. Были достигнуты серьезные успехи в улучшении свойств штаммов бактерий-продуцентов бутанола: если ранее токсичность бутанола для бактерий­ продуцентов не позволяла получать высокие концентрации в процессе ферментации, то сейчас получены штаммы, выдерживающие 40-процентную его концентрацию (Каныгин, 2008). Био­бутанол в качестве моторного топлива предпочтительнее биоэтанола: его добавка в бензин мо­жет достигать 20% и выше без модификации двигателя, тогда как добавка этанола – только 5,75%; этанол вызывает расслоение горючего при низких температурах и при попадании воды, что отсутствует при использовании бутанола; энергосодержание бутанола (84% от бензина) выше этанола (62-70% от бензина). У этанола высокое давление насыщенных паров, у бутано­ла - меньше, чем у бензина, в результате чего нет необходимости модифицировать конструк­цию бензобаков, а следовательно логистическая транспортная цепь не требует изменений или может удешевляться.

Биодизель - это сложные эфиры (чаще всего метиловые эфиры) жирных кислот и низкомолекулярных спиртов. Сырьем для биодизеля служат жиры, чаще всего растительные масла, и метиловый спирт. По техническим свойствам биодизель близок к минеральному. Мировое производство биодизеля, главным образом из семян рапса, в 2006 г. составило 9,7 млн. т. (считается, что из 1 т. семян рапса можно получить 300 кг рапсового масла или 270 кг биодизельного топлива); в 2008 г. планируется получить 19,5 млн. т. семян рапса, в том числе в Европе 17,5 млн. т. На сегодня главным производителем и потребителем биодизеля остается Европа. В 2020 г. производство биодизеля может составить около 120 млн.м³.

В России одной из перспективных масличных культур является рапс, увеличение объемов производства семян которого позволит полнее обеспечить население растительным маслом, животноводство - растительным белком, а промышленность - сырьем. Исследования физико-химических свойств рапсового масла, проведенные во ВНИПТИрапса, подтверждают, что по основным показателям рапсовое масло и дизельное топливо различаются незначительно. Но за счёт более полной биоразлагаемости (на 95%) и уменьшению выбросов двуокиси углерода (в 1,5-2,0 раза), сажи и серы выявляется экологическое преимущество рапсового масла (Карпачев, 2006). Производство рапса в стране развивается медленно, хотя во многих регионах накоплен большой опыт по его возделыванию. Посевы рапса в России в последние годы (2001 -2005 гг.) занимали 130-250 тыс. га, но имеются реальные возможности довести в ближайшее время посевные площади масличных капустных культур до 2,5 млн. га. Этому способствует возросшая потребность в масличном сырье внутри страны и за рубежом, а также активная позиция министерства сельского хозяйства России, определившего отрасль рапсосеяния одним из приоритетов в дальнейшем развитии АПК. Опыт показывает, что производство биодизельного топлива оказывается рентабельным даже в небольших фермерских хозяйствах, чего нельзя сказать о биоэтаноле, выпуск которого становится экономически рентабельным только в условиях крупнотоннажного производства. Производство рапса считается рентабельным при урожайности более 14 ц/га.

Одной из проблем использования биотоплива и развития биоэнергетики в целом является возможность роста цен на продовольствие, что особенно активно обсуждается в средствах массовой информации. Тем не менее, результаты проведенных исследований (ФАО ООН) показывают, что даже в мировом масштабе производство биоэтанола и биодизеля сейчас не оказывает значительного влияния на повышение цен на продовольственном рынке. Большую значимость имеют другие факторы: низкий уровень урожая в странах экспортерах сельскохозяйственной продукции, возрастающий спрос на продовольствие в стремительно развивающихся государствах Юго-Восточной Азии, а также повышение цен на энергоносители. В частности, анализ соотношения цен на нефть и зерно кукурузы в CШA за последний год показывает, что цены изменяются практически синхронно. Тем не менее, Европейский Союз принял поправки в нормативы на биотоплива, увеличив обязательную долю биотоплива из непищевого сырья. Идут активные поисковые работы в области получения такого биотоплива, которое названо «биотопливо второго поколения».

Еще одним фактором, вызывающим опасения, является возможная конкуренция между производством «энергетических» и продовольственных культур за сельскохозяйственные угодья. В настоящее время доля сельскохозяйственных площадей, используемых для выращивания биотопливного сырья, остается весьма незначительной - менее 1 % от используемой пашни и менее 0,3% от доступных площадей (Кирюшин,, Аблаев, 2008). Однако в случае масштабного роста производства биоэнергетического сырья эту проблему необходимо учитывать. Согласно данным lEA в 2000 г. полное мировое потребление энергии составило 323*10¹⁸ Дж/год, в 2010 г. планируется рост до 403*10¹⁸Дж/год, а к 2020 г. - 488*10¹⁸Дж/год. В ряде прогнозов предполагается возможным (и необходимым) полное замещение уже к 2020 г. ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии в генерации электроэнергии (186*10¹⁸Дж/год) (Huntley, Redalje, 2007). Будет ли у биоэнергетики возможность заместить оставшуюся долю потребляемой энергии (302*10¹⁸Дж/год), которая приходится на жидкое топливо? В настоящее время биоэнергия, производимая из наземных растений, замещает более 45*10¹⁸Дж/год энергопотребностей в мире. Без сомнения это замещение будет расти, однако, наземные экосистемы недостаточно продуктивны для производства такого количества биоэнергии на тех площадях, которые доступны. По современным оценкам общая площадь земель в мире, потенциально пригодных для производства сельскохозяйственных культур – 2,6 Гга или около 19,5% площади земли. К 2050 г. примерно половина (1,31 Гга), по-видимому, будет использоваться для пищевых целей. Оставшиеся 1,28 Гга (9,6%) могут быть потенциально использованы для выращивания энергетических культур (Climate change, 2001).

В качестве альтернативы традиционным энергетическим культурам могут выступать фотосинтезирующие микроводоросли - перспективные источники различных видов возобновляемого биотоплива: метана при анаэробном сбраживании, биоводорода, биодизеля из водорослевого масла. Биомасса микроводорослей на 50% сухого веса представлена углеродом, который образуется при ассимиляции атмосферного СО₂, поэтому при производстве 100 т. водорослевой биомассы связывается около 180 т. углекислого газа. Таким образом, плантации микроводорослей могут выступать эффективным стоком СО₂. Поэтому важно сравнить продуктивность различных наземных растений и липидосодержащих микроводорослей и оценить потребности в земельных площадях при их выращивании.

По данным Y.Chisti, продуктивность микроводорослей по биомассе и маслу на порядок превышает продуктивность наземных растений. Так, в некоторых видах водорослей при оптимальных условиях культивирования содержание липидов превышает таковое в масличных растениях: У Sce n edesтus diтorphиs содержание липидов составляет 16-40%, у Pryт n esiuт parvuт - 22-38%, Eug l e n a graci l is - 14-20%, Chlore l la vu l garis - 14-22%, Duпa l ie ll a sa l i n a ­ - 16-44%, Hae т atococcus pluvialis - 25-45%, Tetrasel т is suecica - 20-30%, lsochrisis galbana ­ - 22-38%, Nannochloropsis sp . - 33-38%, Stichococcus sp . - 40-59%. а у Botryococc и s braunii - до80% (Chisti. 2007; Huntley, Redalje, 2007). При этом площади их выращивания сокращаются по сравнению, например, с канолой (рапсом) в 50-100 раз (таблица 17). Проблема доступных площадей будет все более острой из-за конкуренции с продовольственными культурами и ухудшением качества пахотных земель.

 

Таблица 17.

Сравнительная оценка источников сырья для производства биодизеля (Chisti. 2007)

Культура	Урожай масла, л/га	Площадь, необходимая для производства масла (Мга)
Кукуруза	172	1540
Соя	446	594
Канола	1190	223
Ятрофа	1892	140
Кокосовый орех	2689	99
Пальмовое масло	5950	45
Микроводоросли (30%	58 700	4,5
Микроводоросли (70%)	136 900	2

 

Для применения микроводорослей в целях энергетики необходим скрининг штаммов­продуцентов масла и разработка технологии их крупномасштабного культивирования. Такие работы активно проводились, начиная с 80-х годов прошлого столетия. Самыми значимыми из них были программа Aquatic Species Program лаборатории возобновляемой энергетики США (the U.S. National RenewabIe Energy Laboratory (NREL)) с инвестициями в 25 млн.$ (Sheehan, 1998) и проект Research Institute of Iппоvаtivе Technology for the Earth (RIТЕ, Япония, 117 млн.$) (Murakaтi, lkenouchi, 1997). Однако экономическая рентабельность при производстве биотоплива с использованием фотосинтезирующих микроорганизмов в этих программах не была достигнута. Тем не менее, в 1997-2001 гг. на Гавайях осуществлено успешное крупномасштабное культивирование зеленой микроводоросли Haeтatococcus pluvialis (Huntley, Redalje, 2007). В многолетней практике выращивания водорослей используются два способа культивирования: в фотобиореакторах (закрытый способ) и в открытых культивирова­торах. Фотобиореакторы обеспечивают контролируемые условия выращивания, но являются дорогостоящим. При значительно более дешевом открытом культивировании возникает про­блема в неконтролируемости процесса, и, что существенно, заражения другими микроорганизмами. В результате в мировой практике только три вида водорослей (хлорелла, спирулина и дуналиелла) в настоящее время выращиваются в широких масштабах открытым способом. Это обеспечивается селективными условиями их роста (спирулина растет при рН среды >10, а ду­налиелла - на средах с минерализацией > 116⁰/₀₀). Для основной массы микроводорослей­–продуцентов масла более перспективными являются закрытые фотобиореакторы с контроли­руемыми параметрами и стерильными условиями, однако получаемый при этом биодизель до­роже минерального.

Известно, что для большинства штаммов микроводорослей достаточное обеспечение культуры азотом способствует высокой скорости роста, но приводит к низкому содержанию масла, в то время как при дефиците азота уменьшается скорость роста, а содержание масла увеличивается. Таким образом, высокая продуктивность по биомассе и высокое содержание липидов при одинаковых условиях культивирования взаимно исключаются. Это послужило основой двухстадийного процесса выращивания биомассы Haematococcus pluvialis с целью получения масла и каротиноида астаксантина - мощного антиоксиданта, востребованного фармацевтической промышленностью в проекте, упомянутом выше. Предложенная система непрерывного культивирования микроводоросли гематококкус состояла из закрытых трубчатых фотокультиваторов и открытых прудов общей площадью 2 га. На первой стадии в фотобиореакторах выращивалось большое количество альгологически чистой биомассы, которая затем помещалась в открытые системы с максимальным освещением и низкими концентрациями питательных веществ. В условиях физиологического стресса за короткий период (1-2 дня) происходило быстрое нарастание биомассы и усиленный биосинтез масла в клетках. Основные характеристики технологии двухстадийного метода выращивания Haematococcus pluvialis представлены в таблице 18.

Средняя энергопродуктивность биомассы Haematococcus pl uvialis составила в этом проекте 763 ГДж/га/год при энергопродуктивности по маслу 422 ГДж/га/год. Максимальные значения энергопродуктивности биомассы в отдельные периоды составили 1836 ГДж/га/год при энергопродуктивности по маслу 1014 ГДж/га/год. Эти величины существенно выше тех, что дают наземные растения (около 50 ГДж/га/год). Используя экспериментальные результаты авторов проекта, нами проведен сравнительный анализ продуктивности масличных культур (рапса) и микроводоросли Haematococcus plиvialis как сырья для биодизеля и показана принципиальная возможность замены наземных растений микроводорослями для получения биотоплива (Таблица 19).

Из данных, приведенных в таблице 5 видно, что производство биотоплива из высших растений, эквивалентного 300 ЕДж/год, потребует на порядок большую площадь пахотных земель, чем из биомассы микроводорослей. Проведенный нами сравнительный анализ урожайности рапса и микроводоросли Haematococcus pluvialis показал принципиальную возможность использования биомассы микроводорослей для получения биотоплива. Следует отметить, что данный успешный конкретный способ не является универсальным. Более высокий выход масла (>40%) отмечен в одностадийных экспериментах с Du n aliella sali n a при одновременном синте­зе ценного продукта β-каротина. В настоящее время экономическая рентабельность использования микроводорослей зависит в немалой степени от способности культуры продуцировать помимо энергетических продуктов ценные соединения, такие как β-каротин, астаксантин, фикоцианин, хлорофилл и т.д., которые удешевляют производство биодизеля.

Многочисленные исследования по применению микроводорослей в различных аспектах говорят о большом интересе к этой группе микроорганизмов. Целесообразны дальнейший поиск культур с повышенным содержанием масла, направленный биосинтез целевого продукты, работы по усовершенствованию оборудования для культивирования микроорганизмов с целью увеличения фотосинтетической эффективности, использование побочных продуктов и отходов производства. То есть микроводоросли следует рассматривать как объекты микробиологической промышленности. Немалое внимание уделяется генно-инженерным работам по увеличению скорости роста перспективных культур (Botryococcus braи n ii) и их продуктивности (Chlorella protothecoides). В последние 10 лет исследования американской компании Sоlazуme и китайских ученых из Department o fBiological Sciences and Biotechnology, Tsinghua University PR China были направлены на получение гетеротрофных штаммов микроводорослей, способных в темноте к усиленному синтезу липидов, на основе которых возможно производить дизельное и авиационное топливо. По их данным Chlore ll a protothecoides (гетеротрофный штамм) образует до 54,7% липидов против 14,57% , образуемых автотрофным штаммом (Wu, Мiао). Компания Solazyme заявляет, что начнет продажу «водорослевого горючего» на основе гетеро­трофных микроводорослей в ближайшие 2-3 года (Официальный сайт фирмы Solazyme).

Таблица 18.

Общая схема двухстадийного процесса культивирования микроводоросли Haeтatococcus pl uv ialis (Huntley, Redalje, 2007).

Параметры установки/условия культивирования		Ежедневное перемещение в объеме суточного прироста биомассы
	Фотобиореактор		Открытый культиватор
Размеры	Длина - 245 м Диаметр - 38 см Глубина культуральной жидкости - 35 см Площадь поверхности -186 м2		Длина - 76 м Ширина - 5.5м Глубина культуральной жидкости -12см   Площадь поверхности - 417 м2
Объем	25 м3		50м3
Характер роста	Непрерывная культура		Периодическая культура
Условия роста	Постоянные условия:     питательные вещества   температура низкая интенсивность освещения рН		Значительные вариации для создания условий физиологического стресса: питательные вещества – низкие концентрации или отсутствуют; высокая температура; очень высокая интенсивность освещения; постоянное значение рН.
Отклик системы культивирования	1) Скорость роста: постоянная 2)Концентрация клеток: постоянная		1) Скорость роста: первоначально очень высокая; далее - нулевая 2) Концентрация клеток: быстрый рост
Биохимические характеристики	Низкое содержание масла		Высокое содержание масла
Временные интервалы	Непрерывное культивирование		Рост клеток и накопление масла: 1-2 дня Накопление астаксантина: 3-5 дней

 

Таблица 19.

Сравнение продуктивности семян рапса и микроводоросли Haematococcus p l иvialis как энергонсточников

Культура	Продуктив-ность семян, т/га/год	Энерго- содержание общее, ГДж/га/год	Продуктив-ность по маслу, т/га/год	Энерro- содержание по маслу, ГДж/га/год	Площадь, необходимая для производства 300* 1018Дж/год энергии, Гга
Рапс (Германия)	3,1	77,9	1,2	44,7	6,7
Рапс (Финляндия)	1,6	24	0,65	25,4	11,8
Рапс (Россия)	2,5	61	0,75	29,3	10,2
Рапс (Россия)	1,0	37,1	0,3	11,7	25,6
Haematococcus pluvialis (в среднем	38,2	763	13,8	422	0,71
Hae т atococcus pluvialis (максимально)	91,8	1836	33,2	1014	0,3

В лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ в течение 20 лет проводятся научно-исследовательские работы по крупномасштабному выращи­ванию биомассы микроводорослей в открытых плоскостных фото культиваторах как для целей энергетики, так и для комплексного использования в качестве кормовых и пищевых добавок; изучаются вопросы систематики микроводорослей; создается коллекция культур микроводорослей-продуцентов масла; осуществляется поиск продуктивных штаммов других энергетиче­ских культур микроводорослей (Dunaliella salina, Haematococcus pluvialis, Scenedesmus, Tetraselmis, Botryococcus braunii и др.) с целью разработки способов их массового культивиро­вания (Алексеев и др., 2004; Чернова, Киселева, 2004; Чернова и др., 2008. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант №2 08-08-00526).

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Энергия ветра — это преобразованная энергия солнечного излучения, и пока светит Солнце, будут дуть и ветры. Таким образом, ветер — это тоже возобновляемый источник энергии. Люди используют энергию ветра с незапамятных времен — достаточно вспомнить парусный флот, который был уже у древних финикян и живших одновременно с ними других народов, и ветряные мельницы. В принципе, преобразовать энергию ветра в электрический ток, казалось бы, нетрудно — для этого достаточно заменить мельничный жернов электрогенератором. Ветры дуют везде, они могут дуть и летом, и зимой, и днем, и ночью — в этом их существенное преимущество перед самим солнечным излучением. Поэтому вполне п9нятны многочисленные попытки "запрячь ветер в упряжку" и заставить его вырабатывать электрический ток.

Первая в нашей стране ветровая электростанция мощностью 8 кВт, была сооружена в 1929-1930 гг. под Курском по проекту инженеров А.Г.Уфимцева и В.П.Ветчинкина. Через год в Крыму была построена более крупная ВЭС мощностью 100 кВт, которая была по тем временам самой крупной ВЭС в мире. Она успешно проработала до 1942 г., но во время войны была разрушена. В настоящее время в СССР выпускаются серийные ветроагрегаты мощностью 4 и 30 кВт и готовятся к выпуску более мощные установки 100 и даже 1000 кВт. Делаются первые шаги по пути перехода от единичных автономных ВЭС к системам связанных в единую сеть многих ветроагрегатов большой мощности. Первая такая система должна быть сооружена около поселка Дубки в Дагестане.

Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом. Во многих странах Западной Европы построено довольно много установок по 100-200 кВт. Во Франции, Дании и в некоторых других странах были введены в строй ВЭС с номинальными мощностями свыше 1 МВт (табл. 26).

      

 Таблица26.

Наиболее крупные ветроэнергетические установки

Страна	Название установки	Диаметр рабочего колеса, м	Мощность, МВт
США	WTS-4	78	4
Канада	Eole	64	4
ФРГ	Growian	100	3
Великобритания	LSI	60	3
Швеция	WTS-3	78	3
Дания	Elsam	60	2

 

Одна из наиболее известных установок этого класса "Гровиан" была создана в Германии, ее номинальная мощность — 3 МВт. Но самое широкое развитие ветроэнергетика получила в США. Еще в 1941 г. там была построена первая ВЭС мощностью 1250 кВт, а сейчас общая мощность всех ВЭС в этой стране достигает 1300 МВт, причем среди них есть гиганты с мощностью до 4 МВт (табл.27.). Всего в мире в настоящее время насчитывается около 3 млн. ветроустановок, из них примерно 3,5 тыс. у нас.

 

 

               

Таблица 27.

Данные по БЭС в разных странах

Страна	Установленная мощность, МВт	Производство электроэнергии, ГВт/ч	Доля от установленных мощностей страны, %
США	1300	1700	0,18
Мексика	265	—	1,0
Дания	40	—	1,7
ЮАР	50	—	0,2
Нидерланды	20	10	0,11
СССР	3	5	0,001

 

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом.

Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1 м² (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые скорости ветра достаточно велики. Ветровое колесо, размещенное в свободном потоке воздуха, может в лучшем случае теоретически преобразовать в мощность на его валу 16/27=0,59 (критерий Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через площадь сечения, ометаемого ветровым колесом. Этот коэффициент можно назвать теоретическим КПД идеального ветрового колеса. В действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт. Наибольшее распространение из установок, подсоединяемых к сети, сегодня получили ветроэнергетические установки (ВЭУ) с единичной мощностью от 100 до 500 кВт. Удельная стоимость ВЭУ мощностью 500 кВт составляет сегодня около 1200 долл/кВт и имеет тенденцию к снижению.

   Наряду с этим создаются ВЭУ и с существенно большей единичной мощностью. В 1978 г. в США была создана первая экспериментальная ВЭУ мегаваттного класса с расчетной мощностью 2 МВт. Вслед за этим в 1979-1982 гг. в США были сооружены и испытаны 5 ВЭУ с единичной мощностью 2,5 МВт. Самая большая к тому времени ВЭУ (Гровиан) мощностью 3 МВт была сооружена в Германии в 1984 г., но, к сожалению, она проработала лишь несколько сот часов. Построенные несколько позже в Швеции ВЭУ WTS-3 и WTS-4 мощностью соответственно 5 и 4 МВт были установлены в Швеции и США и проработали первая 20, а вторая 10 тыс.ч.

В Канаде ведутся работы по созданию крупных ветровых установок с вертикальным валом (ротор Дарье). Одна такая установка мощностью 4 МВт проходит испытания с 1987 г. Всего за 1987-1993 гг. в мире было сооружено около 25 ВЭУ мегаваттного класса. Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ обычно принимается на уровне 11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем на большую скорость ветра он рассчитывается. Однако в связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность. Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальная мощность не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ВЭУ и даже ветровой фермы. Автономные установки киловаттного класса, предназначенные для энергоснабжения сравнительно мелких потребителей, могут применяться и в районах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра.

Сегодня в некоторых промышленно развитых странах установленная мощность ВЭУ достигает заметных значений. Так, в США установлено более 1,5 млн. кВт ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3°/о потребляемой страной энергии; велика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии.

По мере совершенствования оборудования ВЭУ и увеличения объема их выпуска стоимость ВЭУ, а значит и стоимость производимой ими энергии снижаются. Если в 1981 г. стоимость электроэнергии производимой ВЭУ, составляла примерно 30 американских центов за кВт./ч, то сегодня она составляет 6-8 центов. С учетом того, что только в 1995 г. в США велись работы по четырем большим ветровым фермам с общей мощностью около 200 МВт, станет ясно, что планируемое Департаментом Энергетики США снижение стоимости ветровой электроэнергии до 2,5 центов/ (кВт. ч) вполне реально.

 

  

Рис.

 

В развивающихся странах интерес к ВЭУ связан в основном с автономными установками малой мощности, которые могут использоваться в деревнях, удаленных от систем централизованного электроснабжения. Такие установки уже сегодня конкурентоспособны с дизелями, работающими на привозимом топливе. Однако в некоторых случаях непостоянство скорости ветра заставляет либо устанавливать параллельно с ВЭУ аккумуляторную батарею, либо резервировать ее установкой на органическом топливе. Естественно, это повышает стоимость установки и ее эксплуатации, поэтому распространение таких установок пока невелико.

Ветроэнергетика за рубежом Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах со среднегодовыми скоростями ветра более 5 м/сек успешно конкурируют с традиционными источниками электроснабжения. Преобразование энергии ветра в механическую, электрическую или тепловую осуществляется в ветроустановках с горизонтальным или вертикальным расположением вала ветротурбины. Наибольшее распространение получили ветроэнергетические установки с горизонтальной осью ротора , работающие по принципу ветряной мельницы. Турбины с горизонтальной осью и высоким коэффициентом быстроходности обладают наибольшим значением коэффициента использования энергии ветра (0,46-0,48). Ветротурбины с вертикальным расположением оси менее эффективны (0,45) , но обладают тем преимуществом, что не требуют настройки на направление ветра.

ВЭУ мегаваттного класса построены в ряде стран и на сегодняшний день находятся на стадии экспериментальных исследований или опытной эксплуатации. Во многих развитых странах существуют Государственные программы развития возобновляемых источников энергии, в том числе и ветроэнергетики. Благодаря этим программам решаются научно-технические, энергетические, экологические, социальные и образовательные задачи. Генераторами проектов возобновляемых источников энергии в Европе являются исследовательские центры ( Riso, SERI( в настоящее время NREL), Sandia,ECN, TNO, NLR, FFA, D(FV)LR, CIEMAT и др.), университеты и заинтересованные компании.

В 1994 году, в Мадриде, на конференции “Генеральный план развития возобновляемых источников энергии в Европе” странами Европейского Союза была принята декларация. В “Мадридской декларации” были сформулированы цели по достижению 15% уровня использования возобновляемых источников энергии в общем потреблении энергии в странах Европейского Союза до 2010 г. В 1994 г. в странах Европейского Союза установленная мощность солнечных батарей, мини гидроэлектростанций и ветроэнергетичских установок составила 5.3 Вт, к 2010 году предполагается смонтировать оборудование с установленной мощностью 55 Вт.

Поставленные цели достигаются решением задач в области политики, льготного налогового законодательства, государственной финансовой поддержки через научно-технические программы, льготного кредитования, создания информационной сети, системы образования, стажировок, продвижения высоких технологий, созданием рабочих мест на производствах и подготовки общественного мнения. Благоприятные условия для развития энергетики позволят к 2020 г. увеличить потребление электрической энергии на 30% в том числе за счет возобновляемых источников энергии на 15%.

По прогнозам до 2020 года, составленным на основании анализа темпов прироста установленной мощности различных видов возобновляемых источников энергии в странах Европейского Союза, доля ветровой энергии будет составлять по пессимистической оценке 15%, по оптимистической оценке 16%.

В 1990 г. новые возобновляемые источники энергии составили 1,9% от общей потребляемой энергии. В 1994 г. во всем мире установленная мощность ветростанций составляла 3200 MW, 1400 MW приходилось на Европу. Ежегодно в Европе установленная мощность ветроагрегатов составляет 200 MW. При благоприятных условиях прирост установленной мощности может cоставить 800 MW.

Наиболее эффективными по наращиванию установленной мощности ветростанций являются программы стран Европы , Китая, Индии , США, Канады. Ежегодный оборот за счет продаж ветропреобразователей в странах Европы составляет 400 MECU. Более 10 крупнейших банков Европы инвестируют ветроэнергетическую индустрию. Более 20 крупных Европейских частных инвесторов финансируют ветроэнергетику. Стоимость ветровой энергии  (табл.28.) зависит в основном от следующих 6 параметров:

·   инвестиций в производство ветроагрегата ( выражается как отношение

$/кв. м - цена одного кв. метра ометаемой площади ротора ветротурбины);

·   коэффициета полезного действия системы;

·   средней скорости ветра ;

·   доступности;

·   технического ресурса.

   

Таблица 28.

Соотношение стоимость электроэнергии/скорость ветра

Параметры	Ситуация 1	Ситуация 2	Ситуация 3
Среднегодовая скорость ветра на высоте 10м	5.0-5.8 м/сек	5.5-6.4 м/сек	6.0-7.0 м/сек
Количество электро энергии вырабатываемой ветроагрегатом	650 кВт/ ч	825 кВт /ч	1140 кВт/ ч
Стоимость электроэнергии	0.046 ЕСU/кВтч	0.036 ECU/кВтч	0,026 ECU/кВтч

 

За последние три десятилетия технология использования энергетических ресурсов ветра была сосредоточена на создании сетевых ветроагрегатов WECS. В этом направлении достигнуты значительные успехи. Многие тысячи современных установок WECS оказались полностью конкурентоспособными по отношению к обычным источникам энергии. Существующие электрические сети осуществляют транспортировку электроэнергии вырабатываемые ветропарками в различные регионы.

В последние годы интенсивно стали развиваться технологии использования энергии ветра в изолированных сетях. В изолированных сетях электропередач неизбежные затраты на единицу произведенной энергии во много раз выше, чем в централизованных сетях электропередач. Установки, производящие электроэнергию, обычно основаны на небольших двигателях внутреннего сгорания, использующих дорогостоящее топливо, когда расходы на транспортировку только топлива часто поднимают стоимость единицы произведенной энергии в десятки раз от стоимости энергии в лучших централизованных сетях электропередач. В небольших сетях электропередач установки, подающие электроэнергию, являются гораздо более гибкими: современный комплект генераторов на дизельном топливе можно запустить, синхронизировать и подключить к изолированной сети менее чем за две секунды. Преобразование энергии ветра является альтернативным возобновляемым источником энергии, чтобы заменить дорогостоящее топливо. Новые исследования технической осуществимости проектов использования ветроустановок совместно с дизельгенераторами в изолированных сетях показывают, что мировой потенциал для независимых систем WECS даже выше, чему систем WECS, подключенных в обычные сети электропередач.

 

Ветроэнергетика в России. В России существует значительный нереализованный задел в области ветроэнергетики. Фундаментальные исследования аэродинамики ветряка, осуществленные в ЦАГИ, заложили основу современных ветротурбин с высоким коэффициентом использования энергии ветра. Однако жесткая ориентация на большую гидроэнергетику и угольно-ядерную стратегию и почти полную глухоту к новациям и экологическим проблемам надолго затормозило развитии ветроэнергетики. Выпускаемые “ Ветроэном” ветроустановки не отвечали современным требованиям и представлениям высоких технологий ветроэнергетической индустрии. Толчком для дальнейшего продвижения и создания современного ветроэнергетического оборудования стала федеральная научно-техническая программа “Экологически чистая энергетика”. Для участия и получения финансирования были отобраны лучшие проекты ветроэнергетических установок различных классов по мощности. Были разработаны проекты ветроагрегатов мощностью до 30 кВт , 100 кВт, 250 кВт, 1250 кВт.

Начавшаяся перестройка, развал экономики и прекращение финансирования по программе не позволила довести указанные проекты до коммерческого уровня. Почти все проекты остались на уровне опытных и макетных образцов. Опытный образец ветроагрегата мегаваттного класса был спроектирован и построен МКБ “Радуга” , который организовал кооперацию предприятий авиационной промышленности. Разработка, изготовление и строительство финансировалось правительством Калмыкии. Ветроагрегат был построен недалеко от Элисты и успешно работает , вырабатывая 2300-2900 тыс. кВт ч электроэнергии в год. Ветроагрегат подключен к сети. В МКБ “ Радуга” были спроектированы ветроагрегаты мощностью 8кВт и 250 кВт. Российской Ассоциацией развития ветроэнергетики “ Energobalance Sovena” совместно с Германской фирмой Husumer SchiffsWert (HSW) были изготовлены 10 ветроагрегатов сетевого исполнения единичной мощностью 30 кВт. Ветропарк с установленной мощностью 300 кВт был построен в 1996 г. в Ростовской области и запущен в эксплуатацию.

Сегодня возможны следующие сценарии развития ветроэнергетики в России:

·   закупка и монтаж зарубежных ветроагрегатов;

·   трансферт западных технологий и организация производства в России;

·   кооперация с зарубежными фирмами и производство ветроагегатов в

России;

·   организация производства собственных ветроагегатов, ноу-хау которых

защищено международным законодательством.

Для России предпочтительней последний сценарий, однако он сдерживается существующим налоговым законодательством, монополией производителей электроэнергии, отсутствием инвестиций и развалом производства.   

Фундаментальные знания в области ветроэнергетики. На примере совершенствования модели ветра можно показать что углубление знаний в этой области позволило приблизиться к адекватной модели преобразования энергии. На рис. показаны: использование упрощенной модели ветра с осредненными параметрами по времени и в пространстве до 70 годов, учет изменения скорости ветра по высоте в 75 годы, использование турбулентной модели ветра в 85 годы.

а)                                                         б)                                               в)

 

Рис. Модели ветра. а) Осреднение по времени и пространству, б) Изменение скорости ветра по высоте, в) Турбулентная модель ветра.    

  Минусы ветроэнергетики. Ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и, генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится, и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. В итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лишь малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит. Для выравнивания отдачи тока применяют аккумуляторы, но это как уже отмечалось, и дорого, и малоэффективно. Интенсивности ветров сильно зависят и от географии. ВЭС выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5—4 м/с для небольших станций, и выше 6 м/с для станций большой мощности. В нашей стране зоны с V более 6 м/с расположены, в основном на Крайнем Севере, вдоль берегов Ледовитого океана, где потребности в энергии, к сожалению, минимальны. Мощность одной ветроустановки не превышает в исключительных случаях 4 МВт, а в серийных установках — 200-250 кВт. Но и при столь малых мощностях, ветроагрегаты — довольно громоздкие сооружения. Даже сравнительно небольшой ветроагрегат "Сокол" мощностью 4 кВт состоит из мачты высотой 10 м (с трехэтажный дом) и имеет диаметр трехлопастного ротора 12м (который принято называть "колесом", хотя это вовсе и не колесо). ВЭС на большие мощности и размеры имеют соответствующие. Так, установка на 100 кВт имеет ротор диаметром 37 м с массой 907 кг, а ротор установки "Гровиан" обладает размахом лопастей 100 м при высоте башни тоже 100 м, т.е. выше 30-этажного дома! И при этом такая башня должна быть достаточно массивной и прочной, чтобы выдержать и массу громадного ротора, и вибрации, возникающие при его работе. Развивает вся эта махина сравнительно небольшую мощность — всего 3-4 МВт, а с учетом простоев из-за штилей и работы на пониженной мощности при слабом ветре, средняя мощность оказывается и того ниже — порядка 1 МВт (такое соотношение между номинальной и средней мощностями ВЭС подтверждает следующий факт: в Нидерландах на долю ВЭС приходится 0,11 % всех установленных мощностей, но вырабатывают они только 0,02% электроэнергии). Таким образом, для замены только одной АЭС мощностью 4 млн. кВт потребовалось бы соорудить около четырех тысяч (!) таких монстров с соответствующим расходом стали и других материалов (табл. 29). Если бы мы не захотели связываться с такими уникальными гигантами и решили развивать ветроэнергетику на серийных ветроагрегатах мощностью 4 кВт (средняя мощность 1 кВт), то их бы потребовалось для такой замены около 4 млн. штук. При таких масштабах количество, как говорится, переходит в качество, и возникают проблемы совсем иного рода.

Таблица 29.

Параметры ВЭС для замены одной АЭС мощностью 4 млн. кВт

Параметр
Номинальная мощность агрегата	4 кВт	4 МВт
Средняя мощность агрегата	1 кВт	1МВт
Необходимое количество агрегатов	4 млн.	4 тыс.
Высота агрегата	10м	150м
Расстояние между агрегатами	30м	500м
Площадь занимаемой территории	3600 км²	900км²

    

Казалось бы, раз ветер дует бесплатно, значит, и электроэнергия от него должна быть дешевой. Но это далеко не так. Дело в том, что строительство большого числа ветроагрегатов требует значительных капитальных затрат, которые входят составной частью в цену производимой энергии. При сравнении различных источников, удобно сопоставлять удельные капиталовложения, т.е. затраты на получения 1 кВт установленной мощности. Для АЭС эти затраты равны примерно 1000 руб/кВт. В то же время, наша ветроустановка АВЭ-100/250, способная при скорости ветра б м/с развивать мощность 100 кВт, стоит 600 тыс руб. (в ценах 1989 г.), т.е. для нее капзатраты составляют 6000 руб./кВт. А если учесть, что ветер не всегда дует с такой скоростью, и что поэтому средняя мощность оказывается в 3-4 раза меньше максимальной, то реальные капзатраты составят порядка 20 тыс.руб./кВт, что в 20 раз выше, чем для АЭС.

  

Рыбаки против ветряков. Норвежские рыбопромысловики ополчились против планов правительства по сооружению ветряных электростанций в море. Ветроэнергетические установки, считают они, станут помехой рыбному промыслу и мореходству. На прошедшей ежегодной конференции норвежской Ассоциации рыбопромысловиков открыто была поддержана идея борьбы с планами постройки парков ветроэнергетических установок в море. Норвежское правительство видит в морской ветроэнергетике большой потенциал и уже приступило к её популяризации в качестве элемента "зелёной" энергетики. В числе проектов имеется парк из 3000 ветроэнергетических установок в Северном море, который займёт акваторию в 4200 кв. км, сообщает NRK. Ещё один проект на 7000 установок у юго-западного побережья Норвегии разрабатывается компанией "Lyse Energy".

- Я не против ветроэнергетических установок, но они должны строиться на суше. Причина в том, что в море их присутствие отрицательно отразится на рыбном промысле и мореходстве, - сказал глава ассоциации Эрлинг Шетёй.

ВЭС с точки зрения экологии. Совершенно ясно, 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. Минимальное расстояние между ветряками должно быть не менее их утроенной высоты. Вот, и считайте сами, какую площадь придется отвести для ВЭС мощностью 4 млн.кВт. При этом необходимо иметь в виду, что уже ничего другого на этой площади 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. Неудивительно, что во многих странах, в том числе в Ирландии, Англии и других, жители неоднократно выражали протесты против размещения ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, а в условиях густо населенной Европы это означает — везде. Поэтому было выдвинуто предложение о размещении систем ветряков в открытом море. Так, в Швеции разработан проект, согласно которому предполагается в Балтийском море недалеко от берега установить 300 ветряков. На их башнях высотой 90 м будут вращаться двухлопастные пропеллеры с размахом лопастей 80 м. Стоимость строительства только первой сотни таких гигантов потребуется более 1 млрд. долл., а вся система, на строительство которой уйдет минимум 20 лет, обеспечит производство всего 2% электроэнергии от уровня потребления в Швеции в настоящее время. Но это — пока только проект. А тем временем в той же Швеции начато строительство одной ВЭС мощностью 200 кВт на расстоянии 250 м от берега, которая будет передавать энергию на землю по подводному кабелю. Аналогичные проекты были и у нас: предлагали устанавливать ветряки и на акватории Финского залива, и на Арабатской стрелке в Крыму. Помимо сложности и дороговизны подобных проектов, их реализация создала бы серьезные помехи судоходству, рыболовству, а также оказало бы все те же вредные экологические воздействия, о которых говорилось ранее. Поэтому и эти планы вызывают движения протеста. Например, шведские рыбаки потребовали пересмотра проекта строящейся в море ВЭС, так как, по их мнению, подводный кабель, да и сама станция будут плохо влиять на рыб, в частности — на угрей, мигрирующих в тех местах вдоль берега.

Из всего сказанного следует один очевидный вывод. Ветрогенераторы могут быть полезными в районах Крайнего Севера (например — на льдинах у зимовщиков) или в некоторых других районах, куда затруднена подача энергии в других формах, и где потребности в энергии относительно невелики. Но делать на них ставку при развитии большой энергетики совершенно нереально, ни сейчас, ни в ближайшем будущем.

 

 

СЛАНЦЕВЫЙ ГАЗ

В последние несколько лет произошли определённые события, которые сделали этот «мусор» вполне коммерческим классом активов (By popular demand).

Если вы совсем не слышали слов «сланцевый газ», то фабула вкратце такова — внезапно выяснилось, что, казалось бы, давно энергонедостаточные США оказались крупнейшим в мире производителем этого газа в 2009 году, легко спихнув Россию с этой роли. Что США могут даже начать экспортировать газ. А источник всей этой благодати — именно сланцевый газ.

Этого сланца, как выясняется, очень много в Китае и немало в Европе, хотя подробных изысканий не проводилось, и результаты могут оказаться скромнее, но даже поделенные на 2 или 3 потенциальные объемы добычи начинают внушать уважение. Совсем это все, конечно, Газпром не повредит, но составит серьёзную конкуренцию.

Еврокомиссия приняла новую версию энергетической стратегии. Поставленные еще в 2007 году цели (до 2020 года сократить на 20% выбросы CO2, увеличить до 20% долю энергии, получаемой из возобновляемых источников, и на 20% повысить эффективность использования энергии) начинают воплощаться в конкретных шагах.

P . S .: В последнее время приставки «эко-» и «био-» становятся всё более популярными. И это неудивительно — на фоне научно-технического прогресса и угрозы глобального потепления наша планета подвергается мучительной пытке. Недавно учёные сделали открытие: оказывается, коровы выделяют больше парниковых газов, чем все транспортные средства мира.

 

 

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДООБУСТРОЙСТВО»

Бухарицин П.И.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ»