//Электрика. – 2008. – № 9.– С.
3–10.
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
П. П. Безруких
Институт энергетической стратегии, Комитет РосСНИО по проблемам ВИЭ
Энергетический кризис 1972 года помог мировому сообществу понять очевидную истину, что запасы органического топлива не бесконечны и что есть неисчерпаемые природные источники энергии, получившие название возобновляемых. Проблемы загрязнения воздуха, воды и почвы высветили другое качество возобновляемых источников энергии (ВИЭ) – их экологическую чистоту. Эти два качества и послужили причиной бурного развития ВИЭ в последние три десятилетия.
Возобновляемые источники
энергии – это источники на основе постоянно существующих или периодически
возникающих процессов в природе, в жизненном цикле
растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества. В Федеральном законе "Об электроэнергетике" (в ред.
250-ФЗ "О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской
Федерации в связи с осуществлением мер по реформированию Единой энергетической
системы России" от 18 октября
Рис. 1. Характеристики ВИЭ
Несколько обособленно рассматриваются дрова, которые до настоящего времени используются как местный вид топлива в большинстве субъектов РФ – это наиболее используемая часть "биомассы". В перечне отдельно не выделены промежуточные источники энергии, например, шахтный метан – результат химических реакций, происходящих в угольных пластах (метан также является местным видом органического топлива). Торф – распространённый вид местного топлива – также является возобновляемым источником энергии (в объёме годового прироста).
Проблемы использования ВИЭ тесно связаны с обеспеченностью энергоресурсами, являющейся главным показателем энергетической безопасности страны (региона) и характеризуемой коэффициентом самообеспеченности:
Ксоб = Эпр / Эпотр, (1)
где Эпр и Эпотр – производимая и суммарная потребляемая первичная энергия.
Если Ксоб<1,
то страна зависит от импорта энергоресурсов. На
В технической литературе для ВИЭ используют термины "ресурсы", "потенциал", а для органического топлива и геотермальной энергии – "запасы". Различают:
· валовый (теоретический) потенциал ВИЭ – годовой объём энергии, содержащийся в данном виде ВИЭ при полном её превращении в полезно используемую энергию;
· технический потенциал – часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию возможно при существующем уровне развития технических средств, при соблюдении требований по охране природной среды;
· экономический потенциал ВИЭ – часть технического потенциала, преобразование которого в полезно используемую энергию экономически целесообразно при данном уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, материалы, транспортные услуги, оплату труда и др.
Использование ВИЭ в мире. Общая тенденция для ВИЭ – увеличение экономического потенциала, для невозобновляемых источников – уменьшение.
В производстве
электроэнергии суммарная установленная мощность электроустановок на базе ВИЭ в
Рис. 2. Доля ВИЭ в мировом потреблении первичной энергии по годам (по сценарию AIP). Источник: Европейский Совет по возобновляемой энергетике. Renewable Energy World. July – August 2004
У большинства промышленно развитых стран при темпах роста ВВП 2–3 % годовое увеличение потребления энергии составляет менее 1 % за счёт интенсивного внедрения энергосберегающих технологий и перебазирования энергоёмких производств в развивающиеся страны, где техническое развитие осуществляется на базе новейших энергосберегающих технологий при существенном использовании ВИЭ.
Отмечается замедление
темпов роста потребления первичной энергии и увеличение доли возобновляемой
энергетики. За предыдущее десятилетие – с 1990 по 2000 гг.
производство энергоресурсов увеличилось: угля – на 3 %, нефти и газового конденсата
– на 14, газа – на 23, атомной энергии – на 28, гидроэнергии – на 21,
возобновляемых видов топлива и отходов (биомасса) – на 16, геотермальной
энергии – на 38 %, новых ВИЭ (солнечной, ветровой, приливной энергии и др.) – в
6,7 раза (рис. 3). В целом производство ТЭР увеличилось с 8,8 млрд тнэ в
Доля ВИЭ в производстве
первичной энергии не скоро, но превысит 50 %. Прогноз исходит из темпов роста
использования отдельных видов ВИЭ, представленных в
табл. 1. Принятые темпы роста имеют веские основания и обоснованы статистикой.
Так, за пять лет рост производства фотоэлектрических элементов (ФЭ) и модулей
(ФМ) был существенно выше прогнозных 28 % (прирост в
1. Рост использования ВИЭ (по введённой мощности) по данным AIP*
Технологии (источник энергии) |
Прирост по годам, % |
||||
1996–2001 |
2001–2010 |
2010–2020 |
2020–2030 |
2030–2040 |
|
Биомасса |
2 |
2,2 |
3,1 |
3,3 |
2,8 |
Крупные ГЭС |
2 |
2 |
1 |
1 |
0 |
Малые ГЭС |
6 |
8 |
10 |
8 |
6 |
Ветер |
33 |
28 |
20 |
7 |
2 |
Фотоэлектричество |
25 |
28 |
30 |
25 |
13 |
Солнечная энергия: в тепловую в электрическую (тер-модинамический цикл) |
10 2 |
16 16 |
16 22 |
14 18 |
7 15 |
Геотермальная энергия |
6 |
8 |
8 |
6 |
4 |
Морская энергия (приливная, волновая, океанические течения) |
- |
8 |
15 |
22 |
21 |
*Источник: Европейский Совет по возобновляемой
энергетике. Renewable Energy World. July – August 2004
Нефтяные и газовые компании
активно занимаются строительством и ветростанций, и биоэнергетических
установок, и заводов. Развитие первых идёт с опережением самых оптимистичных
прогнозов, составленных в
Рис. 3. Годовой ввод мощностей ВЭУ в мире в 1995–2006 гг., МВт
Источник: GWEC – Global Wind Energy Council, press-reliase. Global Market Annual Statistics, 2006.
Темп роста использования биомассы, принятый по прогнозу 2–3 % в год, видимо, следует считать заниженным. Например, фактические темпы роста установленной мощности биогазовых станций Европы составляют от 12 до 20 % в год. Более быстрыми темпами, чем 2–3 % в год, идёт и увеличение использования прямого сжигания отходов для производства электрической и тепловой энергии. Пример российской биогазовой технологии и схема теплонасосной установки приведены на рис. 4.
Рис. 4. Схема биоэнергетического блока-модуля "БИОЭН-1" центра "ЭкоРос"
Модуль предназначен для безотходной экологически чистой переработки отходов сельскохозяйственного производства (навоза, помёта, фекалий, твёрдых бытовых отходов, пищевых отходов, растительных остатков) в газообразное топливо – биогаз, конвертируемый далее в электрическую и (или) тепловую энергию, и экологически чистые органические удобрения, лишённые нитратов и нитритов, патогенной миклофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических запахов.
В состав модуля
"БИОЭН-1" входят: два биореактора-метантенка
по
Суммируя сказанное выше,
следует считать долю возобновляемой энергетики 23–25 % от общего потребления
энергии в
В России экономическая, экологическая и социальная эффективность использования ВИЭ определяется тем вкладом, который могут внести ВИЭ в решение следующих проблем:
· организацию устойчивого, соответствующего принятым в аналогичных климатических условиях тепло- и электроснабжения населения и призводства в районах децентрализованного энергоснабжения – в первую очередь, в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территорий;
· обеспечение гарантированного 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 населённых пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха.
Все исходные данные для решения этих задач в России имеются. Россия располагает всеми видами ресурсов ВИЭ; в целом их экономический потенциал составляет порядка 270 млн тут (около 25 % внутреннего потребления энергоресурсов). Имеются разработки и мелкосерийное производство всех видов оборудования для возобновляемой энергетики.
Рис. 5. Барьеры и препятствия на пути возобновляемой энергетики в России
Однако барьеров и
препятствий много (систематизированы на рис. 5). Один
из главных – отсутствие какого-либо стимулирования развития ВИЭ на
государственном уровне. Отрасль развивается, достигнув производства
электроэнергии на базе ВИЭ на уровне
Эти прогнозные цифры не соответствуют нашим возможностям и потребностям, отражая пессимизм автора: энтузиасты возобновляемой энергетики не смогли добиться государственной поддержки за последние 10 лет, несмотря на преимущества ВИЭ (табл. 3), их экономическую и энергетическую эффективность, статистическую смерть мифа о "дороговизне" ВИЭ.
2. Достигнутая выработка и прогноз доли возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии в России, включая малые ГЭС
Источник энергии |
2000 |
2001 |
2002 |
2005 |
2010 |
2015 |
2020 |
Отчёт |
Прогноз* |
||||||
Производство электро-энергии всего, млрд кВтч |
877,8 |
891,3 |
892 |
928 |
995 |
1080 |
1175 |
На базе ВИЭ, млрд кВтч*, в том числе: |
4,3 |
4,7 |
5 |
6,5 |
10 |
15 |
24 |
малые и микро ГЭС |
2,3 |
2,4 |
2,41 |
3 |
4 |
5,7 |
8 |
тепловые станции на биомассе и отходах |
1,9 |
2,2 |
2,43 |
3,3 |
4,3 |
6,3 |
11 |
геотермальные электростанции |
0,06 |
0,09 |
0,15 |
0,2 |
1,2 |
2 |
3 |
ветростанции |
0,003 |
0,04 |
0,06 |
0,1 |
0,5 |
1 |
2 |
прочие (фотоэлемен-ты, приливные, вол-новые и др.) |
- |
- |
- |
- |
0,01 |
0,02 |
0,03 |
Доля ВИЭ в производ-стве электроэнергии, % |
0,5 |
0,53 |
0,56 |
0,7 |
1 |
1,4 |
2 |
* За основу принят первый вариант прогноза общего производства электроэнергии в Энергетической стратегии России
3. Качественная оценка возобновляемых топливных ресурсов (солнце, ветер, биомасса, гидроэнергетика большая и малая, низкопотенциальное тепло)
Преимущества |
Недостатки |
· Неистощимость · Отсутствие дополнительной эмиссии углекислого газа · Отсутствие вредных выбросов · Сохранение топливного баланса планеты · Доступность использования (солнце, ветер) · Возможность одновременного использования земли для хозяйственных и энергетических целей (ветростанции, тепловые насосы, бесплотинные ГЭС) · Возможность использования земель, не приспособленных для хозяйственных целей (солнечные, ветровые установки и станции) · Отсутствие потребности в воде (солнечные, ветровые электростанции) |
· Низкая плотность энергии · Необходимость использования концентраторов · Непостоянный, вероятностный характер поступления энергии (солнце, ветер, в меньшей степени ГЭС) · Необходимость аккумулирования · Необходимость резервирования (солнечная, ветровая) · Неразвитость промышленности и отсутствие инфраструктуры (для России) · Затопление плодородных земель и локальное изменение климата (большие ГЭС) |
Глобальное преимущество возобновляемой энергетики можно отразить коэффициентом энергетической эффективности. Для любой энергетической станции (установки) следует сравнивать выработанную за весь срок службы энергию с энергией, затраченной на производство оборудования и материалов для неё, на сооружение и транспортировку, на топливо, потреблённое электростанцией. Коэффициент энергетической эффективности, в отличие от экономической эффективности (срок окупаемости, стоимость и проч.), не подвержен конъюнктуре:
, (2)
где Эг – годовое производство электроэнергии установкой (электростанцией); Эсн – расход энергии на собственные нужды; Тсл – срок службы установки; Эсв – энергия, затраченная на производство оборудования и материалы; Этэк – энергия, затраченная на транспортировку, монтаж и утилизацию установки; Этоп – энергия, заключённая в топливе; Кээ – коэффициент энергетической эффективности
При таком подходе обнаруживается глобальное преимущество возобновляемой энергетики перед топливной: поскольку в формуле Этоп=0, существует принципиальная возможность (проверенная неоднократно расчётами) иметь Кээ>1. Для тепловых электростанций принципиально невозможно иметь Кээ больше, чем КПД или КПИ (коэффициент полезного использования топлива) этой станции, т. е. он заведомо меньше единицы. Это позволяет утверждать: во-первых, если энергетическая установка за свой срок службы "съедает" больше энергии, чем производит, то неизбежный конец этого положения – энергетический кризис при любом количестве запасов; во-вторых, превышение энергетических затрат над выходной энергией неизбежно приводит к увеличению экономических, материальных затрат и человеческого труда. Соответственно возрастает и отрицательное воздействие на среду обитания человека.
Если переход на ВИЭ в
перспективе неизбежен, то возникает вопрос: "А способны ли ВИЭ
удовлетворить потребности человечества?" Да, способны! Ученые Сибирского
отделения РАН определили экономический потенциал ВИЭ в мире в объёме 19,5 млрд
тут в год (годовое потребление первичной энергии в мире в
а)
б)
Рис. 6. Изменение по годам себестоимости электроэнергии (а), цент США/кВтч (усреднённые данные) и средней удельной стоимости установленной мощности сетевых ВЭС (б)за рубежом, долл./кВт
За последние десятилетия
инвестиционная стоимость 1 кВт и себестоимость 1 кВт упала в разы (по фотоэлектрике – см. ниже; по ветроэнергетике – рис. 6).
Главное: обе величины стали не больше тех, что называют для промышленности и
городов на предпроектных стадиях и в ориентировочных расчётах. До
4. Экономические показатели технологий ВИЭ и прогноз их изменения
(Renewable Energy Focus July/August – 2007)
Источник энергии |
Мощность (2005) |
Капитальные затраты, долл. США/кВт |
Стоимость энергии, центы США/кВтч |
|
2005 |
2020 |
|||
Энергия биомассы Производство электроэнергии, ГВт тепла, ГВт (тепл) Этанол, млрд л Биодизель, млрд л |
~44 ~225 ~36 3,5 |
500–600 170–1000 170–350 500–1000 |
3–12 1–6 25–75 с/л 25–85 с/л |
3–10 1–5 6–10 долл./Дж 10–15 долл./Дж |
Энергия ветра, ГВт ВЭС |
59 |
850–1700 |
4–8 |
3–8 |
Солнечная энергия Фотоэлектричество, ГВт Термодинамические станции, ГВт Тепло |
5,6
0,4 - |
5000–10000
2500–6000 300–1700 |
25–160
12–34 2–25 |
5–25
4–20 2–10 |
Геотермальная энергия Электроэнергия, ГВт Тепло, ГВт (тепл) |
9 11 |
800–3000 200–2000 |
2–10 0,5–5 |
1–8 0,5–5 |
Энергия океана, ГВт приливная волновая OTEC* |
0,3 Менее 0,1 Менее 0,1 |
1700–2500 2000–5000 8000–20000 |
8–15 10–30 15–40 |
8–15 5–10 7–20 |
Энергия внутренних водоёмов, ГВт крупные ГЭС малые ГЭС |
690 25 |
1000–3500 700–800 |
2–10 2–12 |
2–10 2–10 |
*OTEC – Ocean thermal energy Conversion – использование перепада температуры воды в океане.
Что касается водородной энергетики, ориентирующейся на органическое топливо (истощаемое), то стратегически этот путь ошибочен. Изменение средней удельной стоимости мощности фотоэлектрических модулей показано ниже:
Годы |
1950 |
1960 |
1970 |
1980 |
1990 |
1995 |
2000 |
2006 |
Удельная стоимость, долл./Вт |
1000 |
500 |
100 |
20 |
10 |
6 |
5 |
4 |
И всё же технологии возобновляемой энергетики, обеспечивающие экономически целесообразное получение водорода из биомассы, становятся актуальными. Обозначим научно-технические проблемы и технологии по различным видам ВИЭ.
Фотоэлектричество: освоение экологически чистых технологий получения кремния "солнечного качества", обеспечивающих снижение стоимости кремния-сырца в два и более раз; повышение КПД солнечных кремниевых элементов до 20–25 %; снижение стоимости элементов с многослойными структурами в два и более раз; промышленное производство установок с концентраторами, не требующими слежения за солнцем и снижающими удельную стоимость на 30–50 %; создание установок получения водорода с использованием солнечной энергии.
Использование солнечной энергии для производства тепла: совершенствование конструкций, снижение удельной стоимости и стоимости эксплуатации систем солнечного горячего водоснабжения и отопления на базе жидкостных солнечных коллекторов; освоение воздушных солнечных коллекторов; разработка систем горячего водоснабжения и отопления со стационарными солнечными концентраторами.
Использование биомассы: разработка и освоение технологий и оборудования по производству твёрдых (уголь), жидких (маслá и спирты) и газообразных углеводородов из древесины, отходов лесозаготовок и лесопереработки, торфа и отходов сельскохозяйственного производства; тепловой и электрической энергии на базе прямого сжигания древесных отходов; биогазовые технологии с использованием биогаза для производства электрической и тепловой энергии; освоение получения жидких топлив из масличных и сахаристых культур (рапс, сорго, лён, топинамбур и др.); экологически чистые технологии переработки твёрдых бытовых отходов; освоение технологий получения водорода из биомассы.
Малая гидроэнергетика: разработка конструктивных решений, обеспечивающих работу рукавных микроГЭС в зимний период; проведение натуральных испытаний и разработка конструктивных решений, обеспечивающих работу малых ГЭС в условиях глубокого промерзания русла рек; создание свободнопоточных погруженных и наплавных микроГЭС мощностью 1–2–5–10 кВт; разработка конструктивных и схемных решений, обеспечивающих снижение удельной стоимости сооружения малых ГЭС и минимизацию отрицательного воздействия на рыбу.
Геотермальная энергетика и тепловые насосы: совершенствование оборудования и схемных решений геотермальных электростанций; разработка и сооружение бинарных геотермальных электростанций; системы геотермального теплоснабжения на базе тепловых насосов; схемные решения и экономические механизмы; создание установок с использованием тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения городов.
Энергия ветра: разработка и освоение производства систем электроснабжения на базе ветроустановок мощностью 10–20–30–50–100 кВт для автономной работы и в составе ветродизельных электростанций; трансферт технологий производства ветроустановок большой мощности для работы в сети; создание систем аккумулирования электроэнергии, вырабатываемой ветроустановками.
Комплектующие изделия и оборудование: создание газовых паровых турбин (двигателей) малой мощности 10–30–50–100 кВт; автономные инверторы мощностью 1–2–5–10–30 кВт в однофазном и трёхфазном исполнении, инверторов, ведомых сетью мощностью 5–10–20 кВт; создание многополюсных генераторов, освоение производства необслуживаемых электрических аккумуляторов, освоение электрических тепловых аккумуляторов с фазным переходом; металлогидридные аккумуляторы водорода и получение водорода на базе электроэнергии, получаемой от автономных ветровых и солнечных установок; освоение производства компрессоров для теплонасосных установок номинальной мощностью от 10 кВт до 1 МВт; разработка бесшумных насосов горячего водоснабжения мощностью до 1 кВт. Создание и освоение комбинированных систем автономного энергоснабжения типа: солнце-ветер, ветер-дизель, солнце-ветер-дизель, ветер-гидро, газо-генератор-дизель, газогенератор-гидро-дизель, ветер-водород-дизель.
Развитие использования источников энергии приняло ускоренный характер, особенно быстрыми темпами (25–30 % рост установленной мощности к предыдущему году) развиваются фотоэлектричество и ветроэнергетика.
Потребности развития ВИЭ,
основанные на объективных и субъективных факторах, оцениваются увеличением доли
ВИЭ в объёме внутреннего потребления первичной энергии до 10 % к
Обеспечение недискриминационного заявительного подключения к сетям общего пользования (электрическим и тепловым); механизмов стимулирования использования ВИЭ, включая льготные кредиты; оплаты энергии, поставляемой от ВИЭ в сеть.
На примере
ветроэнергетики рассмотрим финансовые льготы (принимаемые и существующие) в
США. Некоторым муниципальным или кооперативным энергетическим управлениям,
которые не платят налоги ввиду "некоммерческого" статуса,
предоставляются льготы в виде прямых выплат от федерального правительства.
Закон о налогах (1978) ввёл инвестиционные налоговые скидки, уменьшение налога
на доход. Физическим лицам предоставляется скидка в размере 30 % зав первые
2000 дол. и 20 % - за
последующие 8000 долл. Предприятиям добавилась энергетическая налоговая скидка
в размере 10 %. Скидки, отменённые в
В заключение ещё раз отметим важность использования ВИЭ для России. Она определяется стимулированием хозяйственного развития и повышением качества жизни глубинки, находящейся в зоне автономного энергоснабжения; неэкономичностью сооружения и поддержания электрических сетей; сохранением ископаемого органического топлива и увеличением экспортного потенциала; оздоровлением экологической обстановки.
Ускорение развития ВИЭ в России требует преодоления барьеров: психологических (нефти и газа у нас достаточно, киловатты – это мелочь), экономических (дорого, нужно дотационным регионам), законодательных (нет финансовых и налоговых льгот), организационно-управленческих (отсутствие федеральных и региональных планов, федерального органа по ВИЭ), информационных (слабая осведомлённость общества о возможностях ВИЭ, тенденциях снижения стоимости, мировом опыте), технических (недостаточность разнообразия, номенклатуры, комплектации, инфраструктуры).