Сегодня Россия входит в пятерку стран-лидеров, разрабатывающих, производящих оборудование и эксплуатирующих геотермальные электрические станции. Российские ученые и специалисты при поддержке Миннауки РФ и ОАО РАО «ЕЭС России» выполнили комплекс фундаментальных исследований [1], разработали технологии и оборудование [2] и организовали на отечественных заводах АО «КТЗ», АО «ПМ3», АО «ЧЗЭМ» и других серийное производство геотермальных электрических и тепловых станций.
К настоящему времени разработаны и созданы российские геотермальные энергоблоки мощностью от 500 до 25000 кВт, использующие низко- и высокотемпературные геотермальные теплоносители для производства электроэнергии:
I. Бинарные геотермальные электростанции (геотермальный флюид температурой 90 - 120°С):
Ø в 1967 г. построена первая в мире опытная Паратунская БГеоЭС мощностью 800 кВт;
Ø ЗАО «ГЕОИНКОМ» разработало техпредложения по сооружению Паужетской БГеоЭС мощностью 2500 кВт.
II. Комбинированные геотермальные электростанции (геотермальный флюид температурой 100-160°С):
разработан техпроект ТУ блока Верхне-Мутновской ГеоЭС комбинированного цикла мощностью 6500 МВт.
III. Геотермальные энергетические станции прямого цикла (геотермальный флюид температурой 120-160°С):
с 1966 г. работает Паужетская ГеоЭС мощностью 14,5 (6+6+2,5) МВт;
в 1992 г. пущена ГеоЭС «Омега» мощностью 500 кВт (о. Кунашир);
в 1994 г. разработан техпроект и изготовлены два турбогенератора мощностью 2,5 МВТ для ГеоЭС «Сан-Хасинто» (Никарагуа);
с 1999 г. эксплуатируется Верхне-Мутновской ГеоЭС мощностью 12 (3х4) МВт;
в 2001 году пущена Менделеевская ГеоЭС мощностью 3,4 (2х1,7) МВт (о. Кунашир);
с 2002 г. эксплуатируется Мутновская ГеоЭС мощностью 50(2х25) МВт;
в 2006 г. пущена Океанская ГеоЭС мощностью 3,4 (2х1,7) МВт (о.Итуруп).
Первоисточником в качестве рабочего тела первого контура геотермальных электрических (ГеоЭС) и тепловых (ГеоТС) станций является геотермальный теплоноситель, отличающийся специфическим химсоставом, разнообразием эксплуатационных и экологических свойств. В России пробурено более 3000 скважин общей стоимостью порядка 250 млрд. рублей, что является колоссальным заделом в развитии геотермальных технологий. Расположение зон с высокопотенциальными ресурсами определяет географию и региональный характер геотермальной энергетики. Для организации геотермального теплоснабжения достаточно иметь температуру геотермальных источников от 40 до 600С и выше, что имеет место на 80% территории России. Привлекательными для создания электрогенерирующих мощностей сегодня являются Камчатский край, Чукотка, Курильские острова, Северный Кавказ, Калининградская область и Прибайкалье, где имею высокотемпературные геотермальные месторождения (t> 120°С).
Резкий рост цен на привозное органическое топливо и наличие подтвержденных высокотемпературных запасов, а также пробуренных скважин стимулировали в последние годы создание серии геотермальных энергоблоков на Камчатке и Курильских островах.
Новый этап развития отечественной геотермальной энергетики предполагает, наряду со строительством серийных отработанных энергоблоков прямого цикла, освоение технологий использования низко потенциальных георесурсов для выработки электроэнергии и тепла, применение которых позволит повысить эффективность уже действующих энергоблоков и включить в энергобаланс ранее не доступные низкотемпературные источники.
Российские геотермальные бинарные энерготехнологии. Расчеты показывают, что около 70% мирового энергетического потенциала геотермальных источников приходится на месторождения с температурой флюида менее 1300С. В последние годы наметилась тенденция активного использования низкопотенциальных ресурсов путем создания локальных геотермальных систем электро- и теплоснабжения на основе бинарных электростанций (БЭС) и тепловых насосов.
Россия была первой в мире страной, создавшей в 1967 г. бинарную Паратунскую электростанцию, производящую электричество из горячей геотермальной воды.
Успешный опыт был подхвачен за рубежом и к настоящему времени уже произведено несколько тысяч геотермальных БЭС различной мощности. Во многих регионах России, таких как Северный Кавказ, Калининградская область, Прибайкалье и других, имеются в большом количестве низкотемпературные геотермальные месторождения, потенциала которых достаточно для полного их энергообеспечения.
Возрождение российских бинарных энерготехнологий и организация серийного производства БЭС должны стать основой для широкомасштабного использования в различных регионах страны геотермальных ресурсов и других источников тепла. В соответствии со стратегией ОАО «ГидроОГК» предполагается создание и отработка бинарных геотермальных энерготехнологий в северном и южном исполнении.
БГеоЭС в северном исполнении (Камчатка. Курильские острова) отличаются:
Ø Высоким потенциалом источника тепла (120-140°С);
Ø Полной заводской готовностью (блочное исполнение);
Ø Использованием (утилизацией) в БГеоЭС вторичного теплоносителя;
Ø Устойчивостью к суровым климатическим условиям (низкие температуры, ветер, снеговые нагрузки и т.д.);
Ø Охлаждение рабочего тела в градирне ПБГеоЭС (или воздушном конденсаторе - IV блок B-МГеоЭС).
БГеоЭС в южном исполнении (Северный Кавказ) характеризуется:
Ø Невысоким потенциалом источника тепла (95-120°C);
Ø Облегченной конструкцией здания (возможность сборки основного оборудования на рабочей площадке);
Ø Использованием в БГеоЭС первичного геотермального теплоносителя;
Ø Устойчивостью к высоким среднегодовыми температурами окружающего воздуха;
Ø Охлаждением рабочего тела с использованием водяного конденсатора.
Бинарные энерготехнологии предполагается реализовать для повышения эффективности использования потенциала геотермальных ресурсов на действующих и вновь сооружаемых ГеоЭС Камчатки.
Планируется создание пилотной бинарной устаиовки на базе Паужетской ГеоЭС мощностью 2,5 МВт. На рисунке 5 представлены основные характеристики Паужетской бинарной ГеоЭС. Предполагается сооружение бинарных энергоблоков в северном исполнении на Мутновской ГеоЭС (Камчатка), Менделеевской и Океанской ГеоЭС (Курилы).
Новые проекты геотермального теплоснабжения. В России на теплоснабжение расходуется более 45% всех потребляемых энергоресурсов. В то же время до 50-60% органических энергоресурсов, используемых на теплоснабжение, можно заменить экологически чистым и более дешевым теплом Земли.
Наряду с высокопотенциальными ресурсами Камчатки и Курильских островов, позволяющими непосредственно вырабатывать электроэнергию из геотермального пара, практически на всей территории России имеются запасы теплоэнергетических вод, которые могут быть использованы для теплоснабжения населенных пунктов, а также в промышленности и сельском хозяйстве. Особо следует выделить район Северного Кавказа (Ставропольский и Краснодарский края, Дагестан, Чечня, Адыгея, Кабардино-Балкария и Карачаево-Черкессия), чрезвычайно богатый термальными водами, температура которых достигает здесь 125-130°C.
Оценивая нынешнее состояние работ по использованию геотермальных
ресурсов для теплоснабжения в России можно отметить, что существующие системы геотермального теплоснабжения физически и морально устарели, на большинстве действующих объектов не обеспечивается глубокое срабатывание теплового потенциала.
Реализация современных технических решений предполагает создание рациональной геотермальной системы геотермального теплоснабжения, обеспечивающей минимальный расход геотермального теплоносителя при более эффективном срабатывании его теплового потенциала. Некоторые примеры такого подхода приведены ниже.
Так, существующая система теплоснабжения объектов ЖКХ и предприятий п. Розового (Краснодарского края) пришла в упадок, не обеспечивает потребностей населения и тепличного хозяйства в тепле, оборудование и теплотрассы полностью исчерпали свой ресурс, система работает крайне неэффективно и имеет большие тепловые потери.
В этой связи было принято решение разработать и реализовать проект геотермального теплоснабжения пос. Розовый на базе современных передовых технологий возобновляемых источников энергии. Инициаторами и основными инвесторами проекта являются Дирекция по вопросам ТЭК Администрации Краснодарского края и ГУКК «Центр энергосбережения и новых технологий», а также Администрация Лабинского района.
ЗАО «ГЕОИНКОМ» совместно с ЗАО Южгеотепло» и ЗАО «Геотерм-ЭМ» завершило разработку проектно-сметной документации и в настоящее время ведется строительство системы геотермального теплоснабжения п. Розовый.
В отопительный период горячий геотермальный теплоноситель по трубопроводу от продуктивных скважин под давлением насосов, установленных в скважинных павильонах, поступает в сетевые пластинчатые теплообменники теплоснабжения поселка, где охлаждается в расчетном режиме до температуры 640С. Регулирование отпуска тепловой энергии на теплоснабжение зданий поселка осуществляется по графику качественного регулирования, с нижней срезкой (+600С) на нужды ГВС, путем изменения расхода греющего геотермального теплоносителя через теплообменники, с помощью трехходовых регулирующих клапанов. Подпитка теплосети поселка осуществляется от артезианской скважины. Для предотвращения солеотложения в сетевых теплообменниках, проектом предусмотрено умягчение 50% расхода подпиточной артезианской воды с помощью автоматизированной натрий-катионитной установки.
Для обеспечения горячего водоснабжения центральной части пос. Розовый в летний период (когда скважины отключаются для восстановления потенциала геотермального месторождения) в схему включена гелиоустановка, работающая совместно с воздушной тепло насосной установкой и когенерационной энергоустановкой.
Для электропитания циркнасоса гелиоустановки и других собственных нужд системы горячего водоснабжения в летний период в схему включена фотоэлектрическая станция. Собственные нужды электропитания системы геотермального теплоснабжения, а также покрытие тепловых пиковых нагрузок в отопительный период и частично нагрузок ГВС летом осуществляется за счет когенерационной энергоустановки, работающей на рапсовом биотопливе. Проектом предусмотрена система автоматического регулирования и контроля технологическими процессами.
В Камчатской области и, в частности, в Елизовском районе, энергоснабжение традиционно ориентировано на дорогостоящее привозное топливо (мазут, уголь и дизтопливо). В то же время Елизовский район обладает уникальными запасами геотермального тепла, достаточными для его полного энергообеспечения. Актуальность проблемы теплофикации Елизовского района обусловлена суровыми климатическими условиями и большой продолжительностью отопительного периода (до 260 суток в году при минимальной проектной температуре наружного воздуха минус 200С).
В настоящее время теплоснабжение потребителей города Елизово в основном осуществляется от 25 котельных, суммарной тепловой мощностью 150 Гкал/ч с температурным графиком 95/700С. Все котельные построены в период между 1961 и 1988 гг., а их составляет 70-80%. Топливом для указанных источников тепла является мазут и Сахалинский уголь, тепловая мощность мазутных котлов составляет 100 Гкал/ч.
С целью перевода теплоснабжения г. Елизово на местные геотермальные ресурсы предполагается создать экологически чистую геотермальную систему теплофикации с теплонасосной станцией (три последовательно включенных тепловых насоса), обеспечивающую нагрев сетевой воды в отопительный период максимум до 950С и максимальное использование геотермального теплоносителя.
Обеспечение электропитания компрессоров тепловых насосов будет осуществляться на основе использования геотермальных источников Мутновского месторождения на Верхне-Мутновской ГеоЭС и первой очереди Мутновской ГеоЭс.
Система имеет три контура: контур геотермальной воды; циркуляционная
вода второго контура теплообменник - испаритель ТНУ; сетевая вода системы теплоснабжения Г.Елизово.
Геотермальная вода с Верхне-Паратунского месторождения с температурой
750С по трубопроводу (снижение температуры в трубопроводе составляет 3-50С) поступает в теплонасосную станцию (ТНС) г. Елизово. Максимальный расход воды 300 л/сек. Геотермальная вода отделена от испарителей ТНУ водой циркуляционного контура.
Вода второго (циркуляционного) контура, проходя через теплообменник, отделяющий ее от геотермальной воды, нагревается до 45°С. Затем поступает в испарители трех последовательно включенных тепловых насосов (ТНУ) и возвращается в промежуточный теплообменник с температурой 15°С.
Из системы теплоснабжения г. Елизово обратная сетевая вода (60°С) нагревается в конденсаторах трех тепловых насосов с 60°С до 80°с. Догрев воды, согласно температурному графику подающей линии тепловой сети, осуществляется в пиковой котельной. В летний период (июль, август) нужды горячего водоснабжения могут быть обеспечены за счет тепла термальной воды, без использования ТНУ.
Исходя из располагаемой тепловой мощности геотермальной воды в отопительный максимум, максимальная тепловая мощность ТНС при коэффициенте преобразования равном 3,2 (среднее для трех последовательно включенных ТНУ) составляет примерно 86 Гкaл/ч, в том числе 59,4 Гкал/ч за счет тепла термальной воды плюс 26,6 Гкaл/ч тепла, эквивалентного затраченной на привод компрессора электроэнергии.
Приоритетные региональные геотермальные проекты в России. Сегодня имеются предпосылки для широкомасштабного внедрения геоэнерготехнологии в различных регионах России:
Ø постоянный рост цен на органическое топливо (мазут и газ) повышают коммерческую конкурентоспособность современных ГеоЭС и особенно ГеоТС;
Ø производятся или разработаны отечественные турбогенераторы различных типоразмеров для ГеоЭС, использующих геотермальный теплоноситель разноуровневого потенциала (t0=100-180°С);
Ø создание и отработка пилотной бинарной Паужетской ГеоЭС обеспечит реальные условия для значительного расширения географии и масштабов применения геотермальных бинарных технологий производства электроэнергии из низкотемпературных источников тепла;
Ø создана российская научно-техническая школа в области геотермальной энергетики (ЗАО «ГЕОИНКОМ» и ЗАО «Геотерм-ЭМ» объединяют ведущих специалистов по геотермальной тематике).
Приоритетные геотермальные проекты России на период 2008-2015 гг.:
Камчатская область:
Ø Создание Паужетской бинарной геотермальной электростанции (ПБГеоЭС) мощностью 2,5 МВт - 2008-2010 п. Реализацию проекта ведет компания ОАО «Новый бинарный энергоблок».
Ø Увеличение установленной мощности Мутновской ГеоЭС на 6-10 МВт за счет утилизации тепловой энергии сепарата реинжекции - 2008-2011 гг.
Ø Сооружение геотермального теплоснабжения г. Елизово (Елизовского района) мощностью 70 Гкал/час - 2008-2011 гг,
Ø Строительство II очереди Мутновской ГеоЭС мощностью 100(50+50) МВт 2010-2015 гг. Прогнозные ресурсы Мутновского месторождения оцениваются более 300 МВт(э).
Курильские острова:
Ø Расширение Океанской ГеоЭС (3,6 МВт) энергоблоками общей мощностью 9,0 МВт, (о. Итуруп);
Ø Сооружение Северо-Курильской ГеоТЭС мощностью 4,5 МВт, и 8,0 МВтт (о. Парамушир);
Ø Реконструкция Менделеевской ГеоЭС (о. Кунашир) (3,6 MBт=2x1,8 МВт) с увеличением установленной мощности на 6,0 МВтэ
Ø Сооружение системы геотермального теплоснабжения г. Курильска (>10 Гкал/час) (о. Итуруп).
Краснодарский край:
Ø Сооружение системы геотермального электро- (на основе бинарной электростанции мощностью 4,0 МВт) и теплоснабжения (40,0 МВт) г. Лабинска - 2008-2011 гг.;
Ø Создание системы комплексного использования геотермальных ресурсов для энергоснабжения в П.Мостовской 20,0 МВтт - 2008-2010 гг.
Ø Демонстрационный проект комплексного использования геотермальных ресурсов и других ВИЭ для энергоснабжения ЖКХ и производственных предприятий п. Розовый 2008-2009 гг.
Ставропольский край:
Ø Создание локальной системы геотермального тепло- и электроснабжения на основе гeoресурсов Казьминского месторождения со строительством БЭС мощностью 4,0 МВт и станции теплоснабжения до 60,0 МВТТ.
Калининградская область:
Сооружение системы геотермального тепло- и электроснабжения в Г.Светлый (4,0 МВтэ и 50,0 МВтт).
Программа реализации первоочередных геотермальных проектов до 2015 г. позволит построить более 10 энергоблоков общей установленной мощностью более 125 МВтэ.
По разным оценкам итоговые целевые показатели прогноза ввода новых геотермальных электро- и теплогенерирующих мощностей в России на период до 2020 г. составляет по оптимистическому сценарию до 866,2 МВтэ на ГеоЭС, до 849,0 МВтт – прямое геотеплоснабжение (таблица 25).
Таблица 25.
Прогноз ввода новых геотермальных электро- и теплогенерирующих мощностей на период до 2020 г. (МВт)
| ФО | Регионы | Прогнозные запасы геотермальных ресурсов, МВтт/МВтэ | t, 0C | 2010 | 2015 | 2020 | ||||||
| ГеоЭС | ТН | ПТ | ГеоЭС | ТН | ПТ | ГеоЭС | ТН | ПТ | ||||
| ДВФО | Камчатка | 5600/1600 | 60- 320 | 79 | 5 | 80/120* | 100/170* | 10 | 70/100* | 100/350* | 20 | 80/100* |
| Сахалинская область (Курилы) | 1600/400 | 85-320 | 7,2(4х1,8) | 1 | 2/4 | 10/30 | 15 | 5/10 | 10/50 | 15 | 10/15 | |
| ЮФО | Краснодарский край | 1000/100 | 70,5-116 | - | 1,5 | 10/20 | 5/15 | 50 | 30/40 | 5/30 | 100 | 50/70 |
| Ставропольский край | 600/60 | 55-120 | - | 1,5 | 5/10 | 5/10 | 50 | 30/50 | 5/20 | 100 | 50/70 | |
| Республика Дагестан | 900/130 | 40-82 | - | 2 | 5/10 | 2,5/10 | 25 | 20/40 | 2,5/50 | 50 | 40/70 | |
| Чеченская республика | 1000/100 | 60-100 | - | 2 | 5/10 | 2,5/15 | 25 | 20/40 | 2,5/30 | 50 | 40/70 | |
| Итого | 86,2 | 13 | 107/174 | 125/250 | 175 | 175/280 | 125/530 | 335 | 270/395 | |||
ИТОГО:
| ГеоЭС | ТН (тепловые насосы) | ПТ (прямое теплоснабжение) |
| 336,2/866,2* | 523 | 552/849* |
* - Ввод мощностей, МВт (ожидаемый/оптимистичекий)
** - По другим регионам России суммарно по ТН и ПГ к 2020 г. – 402,0 МВТ
______________________________________________________________________________________________________
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.
Дата: 2018-11-18, просмотров: 319.
