1.1. Классификация возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоценозов растительно­го и животного происхождения. Характерной особенностью ВИЭ явля­ется их неистощаемость, либо способность восстанавливать свой потен­циал за короткое время - в пределах срока жизни одного поколения лю­дей.

Почти 30 лет назад Генеральной Ассамблеей ООН в соответствии с резолюцией 33/148 (1978 г.) введено понятие «новые и возобновляе­мые источники энергии», в которое включаются следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, приливов океана, энергия биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников, гидроэнергия [1].

Чаще всего к возобновляемым источникам энергии относят энер­гию солнечного излучения, ветра, потоков воды, биомассы, тепловую энергию верхних слоев земной коры и океана.

ВИЭ можно классифицировать по видам энергии:

• механическая энергия (энергия ветра и потоков воды);

• тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли);

• химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе).

Если использовать понятие качества энергии - коэффициент по­лезного действия, определяющий долю энергии источника, которая мо­жет быть превращена в механическую работу, то ВИЭ можно класси­фицировать следующим образом: возобновляемые источники механиче­ской энергии характеризуются высоким качеством и используются в ос­новном для производства электроэнергии. Так, качество гидроэнергии характеризуется значением 0,6...0,7; ветровой - 0,3...0,4. Качество теп­ловых и лучистых ВИЭ не превышает 0,3.0,35. Еще ниже показатель качества солнечного излучения, используемого для фотоэлектрического преобразования, - 0,15.0,3. Качество энергии биотоплива также отно­сительно низкое и, как правило, не превышает 0,3.

Энергетический потенциал ВИЭ может оцениваться различными значениями в зависимости от степени учета технико-экономических ас­пектов применения возобновляемой энергетики. С этих позиций приня­то выделять валовый потенциал ВИЭ, технический потенциал ВИЭ и экономический.

Валовый потенциал - это количество энергии, заключенное в дан­ном виде энергоресурса, при условии ее полного полезного использова­ния. Технический потенциал - это часть валового потенциала, преобра­зование которого в полезную энергию целесообразно при соответст­вующем уровне развития технических средств. Экономический потен­циал ВИЭ - часть технического потенциала, который экономически це­лесообразно преобразовывать в полезную энергию при конкретных эко­номических условиях.

Целесообразность и масштабы использования возобновляемых источников энергии определяются в первую очередь их экономической эффективностью и конкурентоспособностью с традиционными энерге­тическими технологиями. Основными преимуществами ВИЭ по срав­нению с энергоисточниками на органическом топливе являются прак­тическая неисчерпаемость ресурсов, повсеместное распространение многих из них, отсутствие топливных затрат и выбросов вредных ве­ществ в окружающую среду. Однако они, как правило, более капитало­емки, и их доля в общем энергопроизводстве пока невелика (за исклю­чением гидроэлектростанций). Согласно большинству прогнозов, эта доля останется умеренной и в ближайшие годы. Вместе с тем во многих странах мира возрастает интерес к разработке и внедрению нетрадици­онных и возобновляемых источников энергии. Это объясняется не­сколькими причинами.

Во-первых, ВИЭ, уступая традиционным энергоисточникам при крупномасштабном производстве энергии, уже в настоящее время при определенных условиях эффективны в малых автономных энергосисте­мах, являясь более экономичными (по сравнению с энергоисточниками, использующими дорогое привозное органическое топливо) и экологи­чески чистыми.

Во-вторых, применение даже более дорогих, по сравнению с тра­диционными энергоисточниками, ВИЭ может оказаться целесообраз­ным по другим, неэкономическим (экологическим или социальным) критериям. В частности, применение ВИЭ в малых автономных энерго­системах или у отдельных потребителей может существенно повысить качество жизни населения.

В-третьих, в более отдаленной перспективе роль ВИЭ может су­щественно возрасти и в глобальном масштабе. В ряде стран и междуна­родных организаций проводятся исследования долгосрочных перспек­тив развития энергетики мира и его регионов. Интерес к этой проблеме обусловлен определяющей ролью энергетики в обеспечении экономи­ческого роста, ее существенным и все возрастающим негативным воз­действием на окружающую среду, а также ограниченностью запасов топливно-энергетических ресурсов. В связи с этим, в будущем неиз­бежна кардинальная перестройка структуры энергетики с переходом к использованию экологически чистых и возобновляемых источников энергии. Мировым сообществом признана необходимость перехода к устойчивому развитию, предполагающему поиск стратегии, обеспечи­вающей, с одной стороны - экономический рост и повышение уровня жизни людей, особенно в развивающихся странах, с другой - снижение негативного влияния деятельности человека на окружающую среду до безопасного предела, позволяющего избежать в долгосрочной перспек­тиве катастрофических последствий. В переходе к устойчивому разви­тию важная роль будет принадлежать новым энергетическим техноло­гиям и источникам энергии, в том числе ВИЭ.

Оценим грубо потенциальные возможности источников возобнов­ляемой энергии, предполагая, что при рациональном её использовании для создания комфортных условий жизни требуется в среднем 2 кВт на человека. С каждого квадратного метра земной поверхности можно по­лучать, используя различные ВИЭ, в среднем 500 Вт мощности. Если считать, что эффективность преобразования этой энергии в удобную для потребления форму всего 4 %, то для мощности 2 кВт требуется площадь 100 м . Средняя плотность населения в городах с учетом при­городной зоны примерно 500 человек на 1 км. Для обеспечения их энергией из расчета 2 кВт на человека необходимо с 1 км снимать 1000 кВт, т. е. достаточно занять всего 5 % площади. Таким образом, ВИЭ могут вполне обеспечить удовлетворительный уровень жизни, ес­ли будут найдены приемлемые по стоимости методы её преобразования, с учетом ресурсного потенциала. Общие ресурсы ВИЭ в мире и России приведены в таблице 1 [2,4]. Однако, вклад этих источников в мировой энергетический баланс в настоящее время достаточно скромен.

К основным недостаткам, ограничивающим применение ВИЭ, следует отнести относительно низкую энергетическую плотность и крайнюю изменчивость. Низкая удельная мощность потока энергоноси­теля приводит к увеличению массогабаритных показателей энергоуста­новок, а изменчивость первичного энергоресурса, вплоть до периодов его полного отсутствия, вызывает необходимость в устройствах акку­мулирования энергии или резервных энергоисточников. В результате, стоимость производимой энергии оказывается высока даже при отсут­ствии топливной составляющей в совокупной цене энергии.

Ресурсы ВИЭ в мире и России

Таблица 1 Вид энергии Теоретические ресурсы, млн., т. у.т. Технические ресурсы, млн., т. у. т. мир Россия мир Россия Энергия солнца 1,3108 2,3 •Ю6 5,3 • 104 2,3 • 103 Энергия ветра 2,0Э05 2,6Э04 2,2 •Ю4 2,0Э03 Геотермальная энергия 4,8109 1,7105 1,0102 (до глубины 10 км) Энергия мирового океана 2,5•105 - - - Энергия биомассы 9,9Э04 104 9,5 • 103 53 Гидроэнергия 5,0103 3,6102 1,7103 1,2102

Повышение энергетической эффективности установок, исполь­зующих ВИЭ, является весьма актуальной проблемой, которая решается различными путями, предусматривающими как улучшение технико­экономических характеристик собственно энергетического оборудова­ния, так и оптимизацию его энергетических балансов и режимов с уче­том изменяющейся нагрузки и энергии возобновляемого источника. С точки зрения процесса энергопреобразования первичного энергоносите­ля в электроэнергию и ее потребления, возобновляемую энергетику следует разделять на автономную и связанную с электроэнергетической системой относительно большой мощности. В первом случае энергоба­ланс децентрализованной системы электроснабжения определяется со­отношением графика электрических нагрузок системы и изменением энергетического потенциала возобновляемого энергоресурса.

Указанные обстоятельства вызывают необходимость согласования энергоустановок возобновляемой энергетики с потребителем. В процес­се согласования должны решаться следующие задачи.

1. Обеспечение максимально эффективного использования возоб­новляемого энергоресурса.

2. Согласование вырабатываемой и потребляемой электроэнергии, что, в большинстве случаев, требует включения в энергосистему нако­пителей энергии.

3. Управление режимами работы преобразователей энергии, регу­лирование параметров генерируемой электроэнергии.

Для решения указанных задач используются различные схемные решения энергоустановок.

1. Система со сбросом излишков энергии (рис. 1). Данный способ согласования мощностей возобновляемых энергоисточников и потреби-

телей отличается максимальной простотой и заключается в использова­нии части потенциала первичного энергоносителя, необходимой для энергообеспечения текущего значения нагрузки потребителя. Остав­шаяся энергия возобновляемого источника не используется. Системы энергообеспечения такого типа широко применяются в конструкциях гидроэлектростанций, ветроэлектростанций с изменяемым шагом вет­ротурбин, в системах солнечного обогрева с управляемыми заслонками и др.

2. Системы с накопителями энергии. Излишки энергии первично­го энергоносителя, по отношению к текущему значению полезной на­грузки, могут аккумулироваться и, в свою очередь, питать нагрузку в периоды недостатка потенциала возобновляемого энергоресурса. В ка­честве накопителей энергии могут использоваться различные устройст­ва: гидроаккумулирующие системы, маховики, аккумуляторные батареи и др. Данные системы более эффективно используют первичный энер­горесурс и широко применяются практически во всех типах энергоуста­новок возобновляемой энергетики.

3. Системы с регулированием нагрузки. Такие системы обеспечи­вают полное использование первичного энергоресурса за счет управле­ния текущей мощностью нагрузки. Регулирование нагрузок обычно осуществляется автоматически с помощью полупроводниковых авто­балластных систем. В качестве балластных нагрузок низкого приорите­та применяются нагревательные устройства.

Следует отметить, что кроме максимального использования пер­вичного энергоресурса подобные системы позволяют эффективно управлять режимом первичного преобразователя энергии и, в ряде слу­чаев, параметрами выходного напряжения.

Сетевые электростанции, использующие возобновленные энерго­ресурсы, не требуют устройств аккумулирования и резервирования электроэнергии. Мощная электрическая система способна полностью принять всю энергию, вырабатываемую электростанцией. Кроме того, энергосистема способна эффективно влиять на режим станции, рабо­тающей синхронно с сетью. Отмеченные особенности несколько упро­щают и удешевляют конструкцию сетевых установок возобновляемой энергетики по сравнению с автономными электростанциями. Увеличе­ние суммарной мощности установок возобновляемой энергетики по от­ношению к мощности энергосистемы приводит к необходимости реше­ния некоторых проблем, характерных для энергобалансов автономных систем. В частности, приходится решать проблему перераспределения мощностей между топливными электростанциями и электростанциями на ВИЭ с целью энергообеспечения потребителей при минимальном расходе топлива. Такие проблемы успешно решаются в некоторых странах - лидерах в практическом использовании возобновляемой энер­гетики, например в Германии.

Интенсивные работы по совершенствованию технико­

экономических характеристик энергоустановок и комплексов на основе возобновляемых источников энергии, проводимые во многих странах, определили впечатляющую динамику снижения затрат на производство «зеленой» электроэнергии.

Динамика стоимости электроэнергии, получаемой от традици­онных и возобновляемых энергоресурсов, а также удельные капитало­вложения в традиционные и нетрадиционные электростанции (1980/2000 гг.) показаны в таблице 2 [13].

В частности: с 1980 по 1990 гг. удельные стоимости за 1 кВт уста­новленной мощности и 1 кВтч вырабатываемой энергии снизились с 50000$ до 20000$ и с 1,5$ до 0,35$ на солнечных электростанциях и с 3000$ до 1750$ и с 0,25$ до 0,07$ на ветровых электростанциях [5-8], что определило их конкурентоспособность с традиционной энергети­кой. Основные причины выявленной тенденции многочисленны. Среди них, в первую очередь, следует отметить: непрерывный рост стоимости ископаемого топлива, при реальных ощутимых объемах его исчерпания, и стремительный рост значимости социально-экологических факторов на Земле. Другой весомой причиной является снижение стоимости обо­рудования ВИЭ с развитием научно-технического прогресса.

Таблица 2

Цена электроэнергии, долл. США/кВт ч (а)
и удельные капитальные вложения (б), долл. США/кВт,
традиционных и нетрадиционных электростанций за рубежом

Наименование электростанции		1980 г.	1990 г.	2000 г.
Ветроэлектростанции	а	0,25	0,07	>0,04
б	3000	1500.2000	1000
Солнечные тепловые электро­станции	а	0,24	0,08.0,12	0,05
б	15000	3000	2500
Солнечные фотоэлектрические станции	а	1,5	0,35	0,06.0,12
б	50000	20000	300.500
Малые гидроэлектростанции	а	-	-	-
б	2500	3000	3500
Геотермальные электростанции	а	0,025... 0,07	-	-
б	1500...2000	2300	2500
Тепловые электростанции	а	0,03.0,04	0,04.0,05	0,06
б	600.900	1100	1500
В том числе на мазуте	а	0,06	0,06	0,07
б	600.800	850	1000
Крупные гидроэлектростанции	а	0,02	0,04	-
б	1200	1500.1800	2000
Атомные электростанции	а	0,03.0,05	0,04.0,13	0,07.0,15
б	1500	2000	2250

Экологически чистые возобновляемые источники энергии и уста­новки на их основе могут сократить объемы вредных выбросов в атмо­сферу. В качестве примера в таблице 3 приведены статистические дан­ные, показывающие, насколько могут уменьшаться вредные выбросы в атмосферу при уменьшении выработки энергии на традиционных видах электростанций на 1 кВтч и на 106 кВтч [12].

Перевод энергетики на широкое использование атомной энергии позволяет решить проблемы выбросов твердых веществ и углекислого газа, однако массовое строительство АЭС поставило не решенную пока проблему использования или захоронения радиоактивных отходов. Кроме того, остается проблема теплового загрязнения, поскольку ядер­ное топливо в естественном состоянии практически не влияет на тепло­вой баланс планеты.

Таким образом, ясна необходимость перехода от ископаемых, не­возобновляемых источников энергии - нефти, газа, угля и в определен­ной степени радиоактивного топлива, к источникам более высокого экологического качества. Такими являются возобновляемые источники энергии. Как отмечалось ранее, их важнейшей особенностью является то, что они в своем естественном состоянии в полной мере принимают участие в энергетическом (тепловом) балансе планеты, и поэтому их использование человеком не приведет к изменению этого баланса, что позволит поднять уровень потребления энергии до любого разумного, требуемого соответствующим этапом развития индустриального обще­ства, значения.

Сокращение вредных выбросов в атмосферу при уменьшении
выработки энергии на традиционных видах электростанций [10,11]

Таблица 3 Сокращение выработки CO2 SO2 NOx Зола Пыль 106 кВтч (750 ч 1250) тонн (5 ч 8) тонн (3 ч 6) тонн (40 ч 70) тонн (0,25 ч 0,47) тонн 1 кВтч (750 ч 1250) грамм (5 ч 8) грамм (3 ч 6) грамм (40 ч 70) грамм (0,25 ч 0,47) грамм

Действующая энергетическая политика представляет собой без­жалостную, недальновидную эксплуатацию природы и ископаемых ре­сурсов, что может привести к глобальным изменениям на нашей плане­те с последствиями, которые даже трудно представить.

Выработка электроэнергии за счет возобновляемых источников, конечно, не представляет собой абсолютно экологически «чистый» ва­риант. Эти источники энергии обладают принципиально иным спектром воздействия на окружающую среду [9, 12], но не имеющим глобального характера по сравнению с традиционными энергоустановками на орга­ническом и минеральном топливе.

Расчеты экологического ущерба от электростанций, использую­щих возобновляемые источники энергии [1], показывают, что заметное воздействие на окружающую среду могут оказывать объекты большой мощности. Однако, установки средней и малой мощности можно счи­тать практически безвредными в отношении окружающей среды, эколо­гический эффект от их эксплуатации будет неизмеримо выше их воз­можного экологического ущерба [13.. .16].

Вклад нетрадиционных возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс в перспективе оценивается от 1.2 % до 10 %, хотя уже сегодня есть страны, где доля этих источников пре­вышает половину национального энергетического баланса. Доля возоб­новляемых источников энергии в топливо-энергетическом комплексе разных стран мира постоянно возрастает. Это касается как развитых стран (США, Германия, Япония, Франция, Италия и др.), так и, особен­но, развивающихся. Например, в 2000 г. доля возобновляемых источни­ков энергии в производстве электроэнергии составила: Норвегия - 99,7 %, Исландия - 99,9 %, Новая Зеландия - 72 %, Австрия - 72,3 %, Канада - 60,5 %, Швеция - 57,1 %, Швейцария - 57,2 %, Финляндия - 33,3 %, Португалия - 30,3 %. Последнее десятилетие прошлого века для мира в целом характеризовалось неуклонным ростом доли возобнов­ляемых источников энергии в общем энергобалансе большинства стран мира. Например, Великобритания - с 2,1 % до 2,7 %; Германия - с 3,7 % до 6,3 %; Франция - с 13,3 % до 14,6 %; Италия - с 16,4 % до 18,9 % и т. д. [8].

По различным экспертным оценкам общая установленная мощ­ность в мире энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии, составлявшая на конец 2000 г. около 123 ГВт по электроэнер­гии и 230 ГВт по тепловой энергии, должна увеличиться к 2010 г. при­мерно в три раза по электрической (380.390 ГВт) и в два раза (400.420 ГВт) по тепловой мощности. Наибольшими темпами в по­следние годы развивается мировая ветровая и солнечная энергетика (до 30% прироста мощности ежегодно) [7, 17].

Экономический потенциал ВИЭ России и его распределение по регионам представлены в таблице 4.

По другим оценкам, экономический потенциал ВИЭ на террито­рии России составляет 270 млн. т. у.т., в том числе по видам энергоис­точников: солнечная энергия - 12,5, ветровая - 10, геотермальная - 115, энергия биомассы - 35, энергия малых рек - 65, энергия низкопотенци­альных источников тепла - 31,5 млн. т. у.т. [13,18].

Однако, технический прогресс в создании энергоэффективных электростанций, использующих ВИЭ, не достаточен для их широкого использования. Другим важным условием является государственная поддержка возобновляемой энергетики.

Распределение ресурсов (экономический потенциал)
для регионов России, млн. т. у.т./год [3]

Таблица 4 Регионы Биомасса Солнечная энергия Ветровая энергия Геотермаль­ная энергия Северный 0,0 0,32 3,0 - Северо-Западный 2,5 0,04 0,36 2,0 Центральный 5,6 0,11 0,68 0,5 Центрально­ Черноземный 2,1 0,04 0,32 - Волго-Вятский 2,2 0,06 0,52 - Поволжский 4,3 0,16 1,15 1,0 Северный Кавказ 4,4 0,11 0,66 35,0 Урал 5,4 0,20 1,33 0,5 Западная Сибирь 3,9 0,59 3,53 35,0 Восточная Сибирь 2,4 1,03 3,74 1,0 Дальний Восток 2,2 1,58 6,70 40,0 Всего 35,0 4,24 22,0 115,0

В предвидении серьезных экологических последствий во многих развитых странах разработана экономическая стратегия, распростра­няющаяся не только на энергетику, но и на другие отрасли производст­ва и потребления ресурсов, которые могут нанести ущерб окружающей среде. Эта стратегия предусматривает ведущую роль государства в ре­шении экологических проблем. Примером стимулирования развития энергетики на возобновляемых источниках является германский «Закон о приоритетности использования возобновляемых источников энергии». Резкое увеличение масштабов освоения ресурсов возобновляемых ис­точников энергии в конце 20-го века было обеспечено в разных странах мира, особенно на начальных этапах их освоения, с помощью Государ­ственных программ поддержки этой отрасли энергетики (Германия, Япония, США, Индия и т. д.) [10].