"Новости Электротехники №2(22)" Малая и нетрадиционная энергетика России

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №4(22) 2003

Малая и нетрадиционная энергетика России

Игорь Усачев,
Борис Историк,
Юрий Шполянский,
Михаил Лунаци
ОАО «НИИ Энергетических Сооружений» РАО «ЕЭС России»

ЭНЕРГИЯ ВОЛН
Для волновых энергетических установок (ВлЭУ), используемых в настоящее время для автономного потребителя, мощность ветрового волнения определяется на погонный метр фронта волны. Так, при высоте волны 10 м и периоде 15 сек мощность ВлЭУ может достигать 2000 кВт/п.м.
В реальных условиях ветровые волнения являются нерегулярными и для оценки удельной мощности ВлЭУ необходимо иметь долгосрочные статистические данные по высоте и о периодах волн. В качестве примера можно привести результаты расчета величины возможной выработки электроэнергии ВлЭУ в створе Мезенской ПЭС, где при использовании установки в летний период (зимой залив покрыт толстым слоем льда) выработка может достигнуть 191 млн кВт·ч/год, что составит лишь 0,4% от выработки ПЭС в этом же створе.
В настоящее время сооружены несколько опытно-промышленных ВлЭУ в Норвегии и Исландии. В 2002 г. введена в эксплуатацию волновая опытная электростанция в Португалии, которая при воздействии волн высотой до 5 м вырабатывает в год 6–10 млн кВт·ч электроэнергии. Как показывает накопленный мировой опыт, удельные капиталовложения в строительство ВлЭУ достигают $5000/кВт, и их использование в промышленном масштабе в настоящее время экономически неэффективно. В то же время оказывается экономически обоснованным косвенное использование ВлЭУ, например, при устройстве волноломов морских сооружений для упрощения их конструкций и понижения отметок гребня.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Солнечная энергия используется для преобразования ее в электроэнергию и в тепло. В настоящее время суммарная мировая установленная мощность солнечных электростанций (СЭС) составляет 0,4 ГВт. Мощность маломощных автономных солнечных установок не превышает 500 Вт. Однако на сегодня основную роль солнечная энергия играет в производстве тепла: мировая установленная мощность солнечных тепловых установок равна не менее 1,5 ГВт.
Основным оборудованием в системах солнечного теплоснабжения является коллектор в виде застекленного сверху и теплоизолированного снизу плоского ящика с металлической зачерненной панелью с каналами для теплоносителя, который позволяет нагреть воду в системах горячего водоснабжения до 50–70^oС. Таких установок в мире по их суммарной площади около 3 млн м².
В России экспериментальный комплекс в отрасли теплового преобразования солнечной энергии был создан в Крыму вблизи Алушты в 1987 г., и в том же году на ряде заводов было начато серийное производство солнечных коллекторов с суммарным годовым объемом 60 тыс. м².
Преобразование солнечной энергии в электроэнергию реализуется фотоэлектрическим и термодинамическим методами. Для фотоэлектрического метода используются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с непосредственным преобразованием энергии световых квантов (фотонов) в электроэнергию. Появление ФЭП (монокристаллических кремниевых) было вызвано потребностями космической техники, поскольку солнце является единственным источником энергии в космосе. Впервые в мире применение ФЭП началось в 1958 г. на советском искусственном спутнике. С 60–х годов ФЭП начали применять и на Земле.
В 1969 г. ФЭП мощностью 0,5 кВт был введен в Туркмении для водоподъема и обеспечивал содержание отары овец на 800 голов. Это был первый в мире комплекс, работающий исключительно на солнечной энергии [1]. В настоящее время различные локальные установки ФЭП широко применяются за рубежом в качестве маломощных источников энергии (рис. 1).
Термодинамические установки, преобразующие энергию солнца вначале в тепло, а затем в механическую и далее в электрическую энергию, содержат солнечный котел, турбину и генератор.

Наиболее крупная отечественная экспериментальная солнечная электростанция мощностью 5 МВт была введена в опытную эксплуатацию в Крыму в 1985 г. Ее основная идея состояла в создании концентрирующей системы из большого числа плоских вращаемых зеркал-гелиостатов (1600 шт. площадью по 25 м²), посылающих отражение солнечных лучей на котел, располагаемый на башне. Стоимость «СЭС–5» составила в ценах 1984 г. 6,0 тыс. руб/кВт. Подобные СЭС мощностью 1–10 МВт, также экспериментального назначения, были созданы в Японии, Франции, США и Италии.
В России в настоящее время солнечные установки используются в системах бытовых и промышленных объектов: солнечные коллекторы «НПО Машиностроение» для опреснения воды («Оазис» на 8 л/сутки), сушильные камеры (500 Вт) и горячее водоснабжение (панели с нагревом 100 л воды до 45-90^oС летом с вероятностью 70% для средней полосы) [2].

Рис. 1. Солнечные установки на улице г. Ганновера

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Сейчас в геотермальной энергетике используются термальные воды с температурой 100–200oС в вулканических районах с месторождениями парогидротерм, залегающих на небольшой глубине. Обычно пароводная термальная вода извлекается из скважин, пробуренных на глубину 2–5 км, и каждая из скважин способна обеспечить электрическую мощность 4–8 МВт с площади геотермального месторождения около 1 км². При этом по экологическим соображениям необходимо иметь и скважины для закачки в пласт отработанного геотермального флюида.

Рис. 2. Лабиринтная водосливная плотина малой Хоробровской ГЭС на реке Нерль-Волжская

В настоящее время в мире суммарная установленная мощность геотермальных электростанций (ГеоТЭС) более 6,0 ГВт. В России месторождения высокопотенциальных самоизливающихся парогидротерм имеются только на Камчатке и Курилах, где они могут обеспечить создание ГеоТЭС суммарной мощностью в 1 млн кВт.

В 1967 г. на Камчатке была пущена в эксплуатацию первая в России Паужетская ГеоТЭС с мощностью первой очереди 5 МВт, а с 1982 г. мощность была увеличена до 11 МВт. В 1993 г. на острове Кунашир Курильской гряды вошла в строй ГеоТЭС мощностью 500 кВт, а в 1999 г. состоялся пуск трех энергоблоков по 4 МВт на Верхне-Мутновской ГеоТЭС первой очереди. На этой же ГеоТЭС в 2002 г. был введён первый из двух модульных блоков по 25 МВт.
В России годовая добыча геотермальных вод в 80-х годах достигала 60 млн м³, что эквивалентно экономии 600 тыс. т.у.т. Большая часть геотермальной энергии применяется в виде тепла в жилищно-коммунальном и сельском хозяйствах. Так, на Кавказе общая площадь обогреваемых геотермальными водами теплиц составила свыше 70 га.

Рис. 3. Затворы водосливной плотины Хоробровской ГЭС, выполненные по технологии «Гидроплюс»

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
Термин «биомасса» объединяет все органические вещества растительного и животного происхождения. В настоящее время во многих странах возродился интерес к использованию древесного топлива на основе баланса сжигаемого и возобновляемого леса. Например, в Швеции и Финляндии доля древесного топлива составляет 17% от всего используемого (для сравнения – в России 0,4%), а в США создаются плантации для выращивания «энергетической» древесины из быстрорастущих лиственных пород.
Запасенная в биомассе энергия может быть преобразована в технически удобные виды топлива или энергии путем термохимической или биотехнологической конверсии биомассы в биогаз или высококачественное экологически чистое удобрение. Установки по биотехнологической переработке биомассы, главным образом отходов животноводства и птицеводства, получили массовое распространение в странах Европы и Азии.
Годовой объем биомассы России оценивается в 390 млн тонн (в пересчете на сухое вещество). Однако практического применения на уровне промышленного использования энергия биомассы в России пока не получила.

ЭНЕРГИЯ «МОРСКОГО» ГАЗА
МГД-газотурбинные комбинированные морские электростанции на природном газе (КЭС) предназначены для эксплуатации непосредственно на морском (шельфовом) месторождении газа.
Сооружение КЭС предложено РНЦ «Курчатовский институт» с привязкой к разрабатываемому сейчас проекту освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения в Баренцевом море и для других удаленных месторождений на Арктическом шельфе России [3]. Для Штокмановской КЭС рассмотрен вариант преобразования химической энергии газа в электрическую с использованием размещаемой на морской платформе комбинированной электростанции (на основе МГД-генераторов и газотурбинных установок) мощностью 16 ГВт, потребляющей 590 кг/сек природного газа.
КЭС состоит из 4 автономных идентичных энергоблоков мощностью по 4 ГВт, в состав каждого из которых входит дисковый МГД-генератор на неравновесной плазме и 3 газотурбинных установки (ГТУ). КЭС работает по бинарному термодинамическому циклу Брайтона: замкнутому для МГД-генератора и открытому для ГТУ с общим к.п.д. 57%.
МГД–генератор работает на инертном газе (Ar) высокого давления (2,5 МПа), ГТУ – на продуктах сгорания природного газа. Размещение КЭС осуществляется на платформе 140x140 м, полная масса которой составит около 60 000 т. В качестве опорной конструкции для размещения КЭС предлагается использовать морские платформы типа платформы Тролль, установленной в Северном море. Предполагается, что платформа с КЭС разместится рядом с газодобывающей платформой. Передача электрической энергии будет осуществляться постоянным током напряжением 500 кВ по подводному кабелю на берег.
Для КЭС разработаны предложения по безопасности, связанные с выбросом в окружающую среду тепла и продуктов сгорания, а также возможности использования остаточного тепла для снижения ледовых нагрузок на платформу.

МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА
Обычно к малой гидроэнергетике относят ГЭС, мощность которых не превышает 30 МВт, а мощность единичного гидроагрегата составляет менее 10 МВт.
В России в 1913 г. в эксплуатации находилось 78 малых ГЭС суммарной мощностью 8,4 МВт, а самой крупной была ГЭС «Мургаб» мощностью 1,35 МВт. К началу Великой Отечественной войны в России работало уже 660 малых сельских ГЭС общей мощностью 330 МВт. На 40-50-е годы XX века в России пришелся пик строительства малых ГЭС с ежегодным вводом в эксплуатацию до 1000 энергоблоков. К 1955 году на территории европейской части России по различным оценкам насчитывалось от 4000 до 5000 малых гидроэлектростанций.
Однако из-за масштабного присоединения сельских потребителей к централизованной сети энергоснабжения малые ГЭС оказались неэкономичными и в обжитых районах страны в эксплуатации к 1980 г. осталось лишь 100 ГЭС с суммарной мощностью 25 МВт, а к 1990 г. малых ГЭС в России насчитывалось всего 55. Но в последние годы интерес к малым ГЭС в нашей стране вновь возрос из-за высоких цен на газовое и мазутное топливо для крупных электростанций, значительных затрат на эксплуатацию линий электропередачи 10-35 кВ при энергоснабжении удаленных потребителей электроэнергии, возросших требований к охране окружающей среды, стремления собственников промышленных и сельских предприятий к энергетической независимости.
В настоящее время технический потенциал малых ГЭС России оценивается в 357 млрд кВт•ч/год. Природные условия, характерные для европейской части России, могут обеспечить выработку электроэнергии на малых ГЭС, полностью удовлетворяющую потребности районов, экономика которых ориентирована на сельхозпроизводство. Строительство малых ГЭС позволяет также эффективно использовать водные ресурсы рек в целях водоснабжения, рыболовства, транспорта и пр.
В качестве примера восстановления энергетики малых ГЭС можно привести введенную в 2003 г. в эксплуатацию малую экспериментальную Хоробровскую ГЭС на р. Нерль-Волжская мощностью 160 кВт с годовой выработкой 840 тыс кВт·ч электроэнергии при напоре 4 м, 0,1% расходе 420 м³/с и площадью зеркала водохранилища 105 га. ( рис. 2).
Эта ГЭС сооружена как постоянно действующая опытно-экспериментальная база научно-исследовательского института энергетических сооружений (ОАО «НИИЭС») РАО «ЕЭС России» для испытаний в натурных условиях новых технологий и оборудования на этапе технического перевооружения гидроэнергетики России, включая малую гидроэнергетику. Гидростанция работает в полностью автоматическом режиме как в отношении выработки электроэнергии, так и при пропуске паводков. На водосливной плотине ГЭС установлены экспериментальные автоматические затворы «Гидроплюс» (выполненные при участии специалистов из Франции), позволяющие обеспечить безопасность работы сооружений при пропуске паводков и защиту территорий от наводнений (рис.3).
Другая новая малая ГЭС, сооружаемая на озере Сенеж в Московской области, предусматривает восстановление малой гидроэнергетической установки XІX века барона Кноппа и гидротехнических сооружений, выполненных 300 лет назад.
На ГЭС в качестве гидроэнергетического оборудования устанавливается новый перспективный для малой гидроэнергетики тип гидротурбин ортогональной конструкции (см. статью в прошлом номере журнала – Ред.), позволяющий экономично использовать низконапорные плотины, что исключительно важно для стимуляции развития экологически чистых и возобновляемых источников энергии (рис. 4).

Одновременно с восстановлением ГЭС ведутся разработки по установке на территории гидроузла озера Сенеж ортогональных ветроагрегатов с аэродинамическим тормозом конструкции ОАО «НИИЭС». Сочетание работы ГЭС с ветроэнергетическими установками в едином комплексе позволит оптимально регулировать выдачу мощности.
Суммарная мощность ветрогидрокомплекса составит примерно 70 кВт, включая два ветроагрегата по 10 кВт и два гидроагрегата, 45 кВт и 5 кВт соответственно. Предполагается проведение комплексных испытаний при работе на сеть и локальную нагрузку, что позволит в дальнейшем использовать подобные энергокомплексы для энергоснабжения отдаленных потребителей.

Рис. 4. Ортогональная гидротурбина для низконапорной малой ГЭС.

Вместо заключения
Для развития отечественных нетради- ционных источников энергии в настоящее время представляется необходимым:

установить уровни объемов использования энергии в различных регионах страны, где есть для этого необходимый потенциал;
устранить существующие барьеры и сократить субсидии для иных источников энергии, мешающих развитию возобновляемых источников энергии;
принять законодательные акты для защиты и развития нетрадиционных источников энергии.