Основы современной малой энергетики
Состояние и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в электроэнергетике России
Основатель современной отечественной электроэнергетики Глеб Максимилианович Кржижановский уделял внимание самым различным ее аспектам. Одним из первых в стране он оценил значение и перспективы использования возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии и тепла. Еще в 30-е гг., вскоре после создания Энергетического института, возглавивший его Г. М. Кржижановский, обладавший талантом глубокого научного предвидения, организовал в институте проведение исследований по использованию солнечной и ветровой энергии. Вначале этим направлением занималась небольшая группа специалистов, а в 40-е гг. в институте была создана специализированная лаборатория для проведения исследований и разработок в данной области.
Сегодня в мире использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) достигло промышленного уровня, ощутимого в энергобалансе ряда стран. Масштабы применения НВИЭ в мире непрерывно и интенсивно возрастают. Это направление является одним из наиболее динамично развивающихся среди других направлений в энергетике.
Существенный импульс развитию НВИЭ во многих западных странах придал нефтяной кризис 1973 г., который по существу перевел это направление из стадии разрозненных НИР к стадии реализации целенаправленных государственных программ НИОКР и создания опытных образцов оборудования и демонстрационных объектов по использованию НВИЭ. Эти работы являлись составной частью предпринятых энергосберегающих мероприятий, направленных на снижение зависимости от импорта нефтепродуктов.
По мере стабилизации нефтяного рынка и снижения мировых цен на нефть в 80-е гг. главным стимулом развития НВИЭ стали экологические соображения, тем более, что природоохранная идеология к этому времени прочно укоренилась в общественном сознании в развитых странах. В целом же использование НВИЭ рассматривается как альтернативная резервная технология в области энергетики, развитие которой необходимо, поскольку наперед неизвестно, в какие сроки и какие масштабные ограничения могут быть наложены на традиционную топливную и ядерную энергетику вследствие ее влияния на окружающую среду. Поэтому данное направление признано во многих странах одним из приоритетных направлений в энергетике.
Государственная техническая политика, направленная на развитие НВИЭ, реализуется в этих странах через систему законодательных и нормативных актов, которыми при всем их разнообразии в различных странах устанавливаются некоторые общие для всех принципиальные положения, составляющие правовую, экономическую и организационную основу применения НВИЭ.
Правовая основа – право производителей электроэнергии на основе НВИЭ на подключение к сетям энергоснабжающих компаний при обязанности последних покупать эту электроэнергию.
Экономическая основа – различные экономические льготы (налоговые и кредитные льготы, благоприятные тарифы, дотации и т. п.) производителям и потребителям электроэнергии от НВИЭ, что необходимо на начальном этапе для становления и адаптации на рынке.
Организационная основа – разработка государственных программ поддержки НИОКР в области НВИЭ, финансирование за счет федерального и региональных бюджетов ряда практических мероприятий по использованию НВИЭ.
Научно-исследовательские работы и практические меры по использованию НВИЭ в России в настоящее время сталкиваются с рядом трудностей общего и частного порядка. Общие причины состоят в кризисном положении экономики страны в целом – падении производства, отсутствии средств на инвестиции, снижении платежеспособного спроса, резком сокращении НИОКР с угрозой потери научно-технического потенциала. Все это в полной мере касается и сферы использования НВИЭ.
Дополнительные трудности в развитии этого направления состоят в следующем. Как правило, эксплуатационные затраты для установок на НВИЭ ниже, а капиталовложения выше, чем для традиционных энергоустановок. Этот фактор связан с природой используемых источников энергии и не зависит от состояния экономики, но в настоящих кризисных условиях играет существенную негативную роль. Кроме этого, в условиях значительного падения объема промышленного производства существенно снизилось и энергопотребление, вследствие чего в целом нет острой потребности в изыскании и использовании новых источников энергии, хотя на региональном уровне, в районах Севера и других энергетически дефицитных районах, такая потребность имеется.
В результате этих трудностей и негативных явлений Россия весьма значительно отстает от многих зарубежных стран как по масштабам практического применения НВИЭ, так и по объемам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в данной области. Так, Федеральной целевой программой «Топливо и энергия» на 1996-2000 гг. предусматривалось создание девяти нетрадиционных электростанций на различных видах НВИЭ, однако ни один из этих проектов не был реализован.
Рассмотрим перспективы развития нетрадиционных электростанций по видам используемых НВИЭ.
Геотермальные электростанции. ГеоТЭС на парогидротермах географически «привязаны» к районам парогидротермальных месторождений (Камчатка, Курилы). Поэтому в целом в энергетике России этот вид ГеоТЭС не может играть значительной роли, но для указанных районов они могут почти полностью удовлетворить потребности в электроэнергии. В этих районах ГеоТЭС уже сейчас имеют коммерческую привлекательность с учетом высокой стоимости привозного топлива. Перспективы ГеоТЭС для указанных районов на ближайшую перспективу уже определились. Кроме Верхне-Мутновской ГеоТЭС мощностью 12 МВт (три блок-модуля по 4 МВт, которые предполагалось запустить летом 1999 г.) в ближайшие 3-5 лет будут созданы Мутновская ГеоТЭС мощностью 50 МВт (первая очередь), затем Океанская ГеоТЭС в Сахалинской области мощностью первой очереди 12 МВт. С учетом существующей Паужетской ГеоТЭС мощностью 11 МВт, которая, однако, требует модернизации, суммарная мощность перечисленных парогидротермальных ГеоТЭС в указанных районах может составить через 5-8 лет 85 МВт. Дальнейшее развитие ГеоТЭС данного типа в этих районах будет зависеть от состояния инвестиционного климата и темпа роста потребности в электроэнергии.
Гораздо большее распространение в электроэнергетике России могут получить ГеоТЭС не на парогидротермах, а на термальной воде с температурой 100-200 °С, месторождения которой значительно более распространены. Такая ГеоТЭС должна быть двухконтурной, с низкокипящим рабочим телом во втором контуре. Однако эти ГеоТЭС, в отличие от парогидротермальных, требуют опытно-промышленного освоения для отработки этой технологии и достижения коммерческой привлекательности.
Ветроэлектростанции. Если к настоящему времени мировая системная ветроэнергетика превратилась в отрасль электроэнергетики, вносящую в отдельных странах ощутимую долю в производство электроэнергии, то в России развитие ветроэнергетики находится на начальном этапе. Разработано несколько типов ветроэлектроустановок (ВЭУ). Установлены и находятся в опытно-промышленной эксплуатации до 10 ВЭУ мощностью 250 кВт и одна - мощностью 1 МВт. Последняя смонтирована в 1994 г., однако из-за недостатка средств до сих пор не сдана в эксплуатацию. В стадии проектирования находится несколько ветроэлектростанций (ВЭС). Однако, в отличие от ГеоТЭС, прогнозы масштабов развития ВЭС содержат существенный элемент неопределенности.
Незавершенность стадии опытно-промышленных испытаний созданных ВЭУ, отсутствие достаточного опыта эксплуатации многоагрегатных ВЭС затрудняют ответ на вопрос, могут ли разработанные ВЭУ являться серийными образцами или требуется их существенная доработка. От этого в значительной степени будут зависеть перспективы и масштабы применения ВЭС. Кроме того, расчетный анализ показывает, что технико-экономические показатели ВЭС еще не являются удовлетворительными и требуется поиск условий и видов применения ВЭУ и ВЭС, которые могут обеспечить их конкурентоспособность.
Солнечные электростанции. Перспективы развития солнечных электростанций (СЭС) также являются неопределенными вследствие их сегодняшней неэкономичности. Вместе с тем, только на лабораторном уровне без достаточно масштабного эксперимента, т. е. без создания экспериментальных и опытно-промышленных СЭС мегаваттной мощности как фотоэлектрических, так и термодинамических, невозможна отработка технологий солнечной электроэнергетики, определение путей повышения их технико-экономических показателей. С этой точки зрения целесообразно, по нашему мнению, вернуться к разработке Кисловодской экспериментальной фотоэлектростанции мощностью 1 МВт, по которой уже выполнены некоторые проектные проработки.
Приливные электростанции. Некоторые особенности приливных электростанции (ПЭС). Если ГеоТЭС, ВЭС и СЭС являются по преимуществу модульными, мощность их относительно невелика и может наращиваться постепенно, то мощность предполагаемых к созданию в России ПЭС исключительно велика (Тугурская ПЭС на Охотском море мощностью 7 800 МВт, Мезенская на Белом море мощностью 19 200 МВт), а число их агрегатов исчисляется сотнями.
Огромная мощность этих ПЭС требует чрезвычайно больших капитальных вложений как непосредственно в строительство ПЭС, так и в мероприятия, необходимые для адаптации в энергосистеме ПЭС с переменной мощностью в суточном цикле. Сроки строительства этих гигантских сооружений также весьма велики. Все это отодвигает создание указанных ПЭС в России, по крайней мере, до того времени, когда экономика страны позволит приступить к проектам такого масштаба. Вместе с тем начатые НИР в этой области должны быть продолжены.
Малые гидроэлектростанции. Малые гидроэлектростанции (МГЭС) с единичной мощностью агрегата от 0,1 до 10 МВт суммарной мощностью до 30 МВт также обычно относят к НВИЭ. По отчетным данным, 1990 г. в России оставалось в эксплуатации 55 МГЭС суммарной мощностью 545 МВт. Практически все эти МГЭС находятся в Европейской части России.
Основные направления развития малой гидроэнергетики на ближайшие годы следующие:
- строительство малых ГЭС при сооружаемых комплексных гидроузлах;
- модернизация и восстановление ранее существовавших МГЭС;
- сооружение МГЭС на существующих водохранилищах и малых реках, на имеющихся перепадах на каналах и трубопроводах подвода и отвода воды на объектах различного хозяйственного назначения.
В соответствии с проработками "Гидропроекта", выполненными в 1996 г., можно рассматривать в качестве первоочередных 42 МГЭС суммарной мощностью 490 МВт. В настоящее время разработаны проекты нескольких МГЭС, имеющих солидное экономическое обоснование. Главной задачей для их реализации является поиск и нахождение инвестиций.
Наиболее существенным препятствием для развития нетрадиционной электроэнергетики является ее неконкурентоспособность как следствие низкой эффективности производства электроэнергии на установках на НВИЭ. Отсюда – трудности привлечения инвестиций. Ориентация на традиционный путь бюджетного финансирования вряд ли перспективна. Требуется поиск нестандартных решений этой проблемы.
Помимо экономических, существуют и технические ограничения. Так, при подключении к энергосистеме нетрадиционных электростанций с нерегулируемой мощностью (ВЭС, СЭС, ПЭС, в некоторой мере МГЭС) для сохранения стабильности параметров энергосистемы их доля (по мощности) не должна превышать величины, оцениваемой в 10-15 %. Для нетрадиционных электростанций, присоединяемых к крупным энергосистемам, это ограничение не актуально, поскольку доля мощности этих электростанций не скоро сможет приблизиться к указанному пределу, но для изолированных энергоузлов оно должно учитываться уже теперь.
Этих технических ограничений не имеют геотермальные электростанции. ГеоТЭС на парогидротермах имеют постоянную мощность и могут являться системообразующими. Максимальная доля ГеоТЭС в системах Камчатскэнерго и Сахалинэнерго в перспективе будет определяться соотношением базовой мощности на основе ГеоТЭС и требуемой пиковой мощности, обеспечиваемой какими-либо маневренными энергоустановками.
Существуют и некоторые экологические ограничения на применение нетрадиционных электростанций, однако они значительно менее жесткие, чем для традиционных.
В целом развитие нетрадиционной электроэнергетики требует решения нескольких задач. К ним относятся:
- Создание опытных и опытно-промышленных электростанций. Речь идет об электростанциях мощностью 1-10 МВт (ГеоТЭС на геотермальной воде с температурой 100-200 °С, многоагрегатные ВЭС, СЭС) для отработки технологий производства электроэнергии и соответствующего оборудования, для приобретения опыта эксплуатации. Эти объекты являются науко - и капиталоемкими, а их создание и эксплуатация отнюдь не гарантируют получения прибыли. Изыскание инвестиций на подобные проекты в существующих экономических условиях представляется исключительно сложной задачей, не имеющей готовых решений.
- Развитие НИОКР. В зарубежных странах суммарные годовые бюджетные затраты на НИОКР в данной области составляют около 1 млрд долл., не считая расходов частных фирм и компаний. В странах-членах Международной Энергетической Ассоциации (МЭА) удельный вес расходов на НИОКР в области НВИЭ составляет 8 % от общего объема государственного бюджетного финансирования НИОКР в энергетическом секторе. В ряде стран этот показатель существенно выше: в Швеции 20 %, в Испании 23,5 %, в Германии 28,3 %, в Дании 44,4 %, в Португалии 51 %. Абсолютно приоритетной статьей всех затрат на НИОКР в области НВИЭ являются расходы на солнечную энергетику.
На этом фоне отечественные государственные и отраслевые расходы на НИОКР в сфере НВИЭ постоянно снижаются. Если в бывшем СССР 15-20 лет назад они были на порядок ниже, чем во многих зарубежных странах, то в России в 90-е гг. они снизились по крайней мере еще на порядок. Объем этих расходов не обеспечивает развитие научно-технического прогресса в данной сфере и поддерживает проведение НИОКР на критически минимальном уровне с угрозой утраты имеющегося научно-технического потенциала в ближайшем будущем. Между тем без опережающего развития НИОКР невозможно развитие данного направления.
- Создание законодательной и нормативной базы. В Законе РФ «Об энергосбережении» (1996) заложена правовая основа применения НВИЭ. Этот закон разрешает производителям электроэнергии, в том числе на основе НВИЭ, отпуск энергии в сети энергоснабжающих организаций, которые обязаны обеспечить прием этой энергии «в количествах и режимах, согласованных с энергоснабжающей организацией и региональной энергетической комиссией».
В настоящее время в Государственной Думе во втором чтении принят Закон РФ «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Принятие этого Закона и вступление его в силу в сочетании с упомянутым Законом "Об энергосбережении" составит минимально достаточную на данном этапе правовую, экономическую и организационную основу для развития НВИЭ в России.
В целом решение перечисленных выше задач необходимо для достижения в ближайшие 10-15 лет основной стратегической цели в данной области – создание нетрадиционных электростанций промышленного уровня мощности, опыт эксплуатации которых, а также опыт изготовления соответствующего оборудования позволят в последующий период перейти к их применению в масштабах, ощутимых в энергетике страны и особенно значимых для ряда ее регионов.
В ЭНИНе им. Г. М. Кржижановского – головном институте по использованию НВИЭ в отрасли – исследования развиваются главным образом в области геотермальной и солнечной энергетики. Под научным руководством ЭНИНа была создана первая в СССР Паужетская ГеоТЭС, построена в 1985 г. первая в стране экспериментальная солнечная электростанция мощностью 5 МВт в Крыму. Там же в 1987 г. ЭНИНом был создан уникальный экспериментальный комплекс по солнечному тепло - и хладоснабжению.
В 90-е гг., несмотря на трудности с финансированием НИР и существенное сокращение кадрового состава, ЭНИНом выполнен ряд разработок эффективных схемных решений ГеоТЭС и СЭС. Разработана комбинированная схема парогидротермальных ГеоТЭС, основанная на комбинации противодавленческой паровой турбины с турбиной на низкокипящем рабочем теле, что позволяет значительно снизить температуру конденсации, использовать тепло отсепарированной геотермальной воды и тем самым существенно, на 30-50 %, увеличить выработку электроэнергии. Вариант указанной комбинированной схемы рассматривается в тендере на строительство первой очереди Мутновской ГеоТЭС. Совместно с Калужским турбинным заводом разрабатывается эффективный метод преобразования тепловой энергии в двухфазных турбинах «полного потока». Этот метод повышает эффективность ГеоТЭС, а также может быть применен при утилизации тепла относительно невысокого потенциала независимо от первичного источника этого тепла. Применительно к ГеоТЭС на геотермальной воде с температурой 80-170 °С ЭНИНом совместно с Кировским заводом спроектирован энергомодуль мощностью 1-1,6 МВт на низкокипящем рабочем теле.
В области солнечной энергетики ЭНИН осуществлял руководство проектированием экспериментальной Кисловодской фотоэлектростанции мощностью 1 МВт. К сожалению, проектные работы не были доведены до завершения вследствие недостатка средств. ЭНИНом при участии некоторых конверсионных предприятий ведется разработка концепции и экспериментальная отработка на макетных образцах новой схемы солнечных энергоустановок и станций на основе комбинированного применения арсенид-галлиевых фотоэлектрических преобразователей, размещаемых в концентрированном потоке солнечного излучения, и термодинамического цикла преобразования теплоты, отводимой от фотопреобразователей при температуре 200-250 °С. Данная схема позволяет существенно повысить суммарный КПД преобразования солнечной энергии в электрическую по сравнению с применяемыми до сего времени схемами фотоэлектрических и термодинамических солнечных энергетических установок.
Все изложенное выше касалось перспектив применения нетрадиционных электростанций в составе централизованных систем производства энергии, составляющих основу современной электроэнергетики. Между тем этот аспект – только часть общей проблемы использования НВИЭ, не затрагивающий производство тепла для коммунально-бытовых нужд в системах теплоснабжения, а также децентрализованное энергоснабжение автономных потребителей. Обеспечение энергией таких потребителей в районах, лишенных централизованного энергоснабжения, представляет серьезную проблему. Из всех видов НВИЭ наиболее перспективными для децентрализованного энергоснабжения являются энергия ветра и солнца, распространенная повсеместно, хотя и неравномерно, и не имеющая такой локальной «привязки», как гидроэнергия, энергия приливов, геотермальная энергия.
Децентрализованное энергообеспечение на основе НВИЭ находит в мире широкое распространение, а его суммарный энергетический эффект не меньше того, который достигнут в сфере централизованного энергоснабжения.
Развитие нетрадиционной энергетики является важным направлением в системе энергоснабжения России.
Основными направлениями в области нетрадиционной энергетики являются:
– создание производства надежного и эффективного оборудования для малых ГЭС, солнечных, геотермальных, ветровых, приливных и других электростанций и энергоустановок;
– организация специализированных подразделений по строительству, эксплуатации и обслуживанию специфического оборудования нетрадиционной энергетики;
– обеспечение надежного энергоснабжения на базе НВИЭ путем отработки режимов эксплуатации, комбинирования различных энергоисточников, аккумулирования энергии;
– поиск и определение источников и способов финансирования проектов, рентабельность которых не всегда очевидна.
В конце 80-х - начале 90-х гг. Минэнерго СССР, а затем Минтопэнерго России и РАО «ЕЭС России» проявляли интерес к развитию нетрадиционной энергетики: был выполнен большой объем проектных и научно-исследовательских работ, начат ряд строек объектов нетрадиционной энергетики и т. д.
Однако в последние годы РАО "ЕЭС России" утратило интерес к этим проблемам, в основном из-за трудностей с финансированием указанных работ.
Тем не менее, следует отметить рост интереса к нетрадиционной энергетике у региональных АО-энерго и местных администраций. Так, в последнее время программы по нетрадиционной энергетике разрабатываются в Якутии и на Чукотке.
В 2000 г. РАО «ЕЭС России» с участием Корпорации «ЕЭЭК», ОАО «Карелэнерго», АО «НПО Нетраэл» и Администрации Республики Карелии было организовано отраслевое совещание-выставка «Вопросы энергоэффективности и использования местных возобновляемых энергоресурсов». В совещании-выставке приняли участие около 200 человек из многих регионов России, а также представители Белоруссии, Украины, Германии, Норвегии, Дании, Финляндии. В области НВИЭ были обсуждены вопросы законодательной базы и стимулирования этого направления энергетики, правовые вопросы независимых энергопроизводителей, отдельные и общие вопросы развития малой гидроэнергетики, ветроэнергетики, использования биомассы, в частности отходов лесопереработки, торфа и т. д., включая топливные элементы и тепловые насосы.
