Одной из наиболее актуальных задач в плане развития ТЭК России является энергосбережение. Россия является одним из мировых лидеров по внутреннему энергопотреблению, эффективность которого крайне невысока [1,2]. Это является своего рода энергетической платой за огромную территорию, занимаемую Россией, 70% которой находится в северных и арктических широтах. Энергосбережение превращается в связи с этим в общенациональную приоритетную задачу, без решения которой невозможен общий рост экономики России. Энергетический сектор, обеспечивая жизнедеятельность страны и консолидацию субъектов Российской Федерации, во многом определяет формирование основных финансово-экономических показателей развития страны. Экспорт энергоносителей дает до 60 % валютных поступлений государства. В связи с этим можно заключить, что вопрос энергосбережения – это и вопрос финансовой безопасности страны.
Не вдаваясь в дискуссию об ограниченности запасов традиционных источников энергии, в которой выводы различных исследований весьма противоречивы, нельзя не заметить, что в плане энергосбережения во многих странах все большую роль будут играть возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Несмотря на то, что Россия является одним из мировых лидеров по запасам нефти и газа, использованию ВИЭ в стране с каждым годом будет уделяться все больше и больше внимания, учитывая и тот факт, что наша огромная территория с разнообразными климатическими зонами дает нам неоценимые конкурентные преимущества перед остальными странами мира. В тоже время среди стран G-20 Россия находится на предпоследнем месте по доле ВИЭ в балансе энергопотребления с показателем 0,014%, причем за последние 10 лет выработка энергии из возобновляемых источников энергии не увеличилась вообще, и это, несмотря на то, что во времена СССР был сделан серьезный научный, технологический и технический задел в выработке энергии на геотермальных, приливных, ветровых и солнечных станциях, часть из которых функционирует до настоящего времени [2].
В этой связи весьма перспективно начать работы по вовлечению в баланс энергопотребления страны возобновляемых источников энергии, справедливо полагая, что наша огромная территория даст нам неоценимые конкурентные преимущества перед остальными странами мира. Для этого, прежде всего, требуется оценить технические, то есть реализуемые существующими на настоящий момент средствами, ресурсы ветровой и солнечной энергетики России.
· Оценка технического потенциала ветровой энергетики России.
На рисунке 1 представлена карта распределения среднегодовой скорости ветра на территории РФ [5].
С помощью программы «Universal Desktop Ruler» [6] определяем площадь территорий, где преобладает та или иная скорость ветра, при этом распределение в процентах от общей площади территории России представлено в виде диаграммы на рисунке 2.
Территории с преобладанием скорости ветра менее 4 м/с (0,12% территории России) не рассматриваем в расчете вообще, так как ветроэнергетическая установка (ВЭУ) начинает работать при минимальной скорости ветра 3 м/с и более [7]. Таким образом, практически вся территория России пригодна для использования ветроэнергетических установок. В расчетах использовались данные, приведенных в таблице 1.
Площадь, на которой рассчитывается технический потенциал ветроэнергетики, определяется по соотношению:
Очень важно остановиться на выборе схемы размещения ВЭУ. На небольших ВЭС, включающих от двух до четырех ВЭУ, ветровые турбины располагаются на одной прямой линии, перпендикулярной к преобладающему направлению ветра. Расстояние между турбинами измеряется в диаметрах ветроколеса, так как аэродинамическое затенение зависит от его размера. Общее правило размещения ВЭУ следующее: устанавливают ВЭУ на расстоянии 5 диаметров ветроколеса друг от друга, если они размещены в один ряд. Более крупные ВЭС могут иметь несколько рядов ВЭУ. В этом случае, расстояние между рядами обычно составляет 7 диаметров ветроколеса, что показано на рисунке 3 [8,9]. Эта идеальная модель для размещения ВЭУ может быть применена в открытой и равнинной местности или на офшорных ВЭС.
Фактическое расположение ВЭУ часто зависит от ограничений, таких как возможности землепользования, расстояние до жилых домов, дорог и электросети. Перепады высот на местности также будут влиять на расположение ВЭУ относительно друг друга. В районах, где доминируют один или два противоположных направления ветра, расстояние между ВЭУ в ряду может быть снижено до 3-4 диаметров ветроколеса [9]. Так как нами оценивался технический потенциал ветроэнергетики на всей территории России, мы не принимали никаких ограничений при расчетах и в качестве площадки рассматривали всю площадь страны, а в качестве схемы размещения ВЭУ была принята следующая схема: ВЭУ размещены в ряд, расстояние между ВЭУ в одном ряду составляет 5 диаметров ветроколеса (5∙D), а расстояние между рядами – 7 диаметров ветроколеса (7∙D) [9].
В результате принятых выше допущений, определяем возможное количество ветроустановок в каждой зоне распределения среднегодовой скорости ветра:
Перемножая формулу (3) на (4) и с учетом (1) и (2), определяем технический потенциал ветровой энергии в ГВт∙час/год на каждой территории:
Результаты расчета приведены в таблице 2:
На рисунке 4 показана зависимость установленной мощности ВЭУ от диаметра ветроколеса и среднегодовой скорости ветра.
Как следует из формул (2),(4) и (5), приведенных выше, а также из проведенных расчетов, суммарный технический потенциал России не зависит от диаметра колес ветроустановок и является величиной постоянной и равной значению 6,847∙107 ГВт∙час/год, что соответствует использованию примерно 6 млрд т.н.э. в год (~50% от общего энергопотребления в мире ) [4].
· Оценка потенциала ветровой энергетики в прибрежной зоне России.
Отдельно рассчитаем потенциал ветровой энергии в прибрежной зоне России (без учета береговых линий Каспийского, Азовского, Черного и Балтийских морей, где места для установки ВЭУ на порядки меньше, чем прибрежная зона Северных и Восточных морей) по вышеуказанной методике. Исходные данные для расчета сведены в таблицу 3.
В качестве схемы размещения ВЭУ была выбрана следующая схема: ВЭУ размещены в ряд, расстояние между ВЭУ в одном ряду составляет 6 диаметров ветроколеса, а расстояние между рядами – 9 диаметров ветроколеса (обычно данное расстояние составляет 8-10 диаметров ветроколеса) [9]. В данном расчете предусматривается, что вдоль северной и восточной морской границы России размещено по одной ветроустановке в ряду, расстояние между ВЭУ составляет 9 диаметров ветроколеса.
Определяем возможное количество ветроустановок в каждой зоне распределения среднегодовой скорости ветра по формуле:
Результаты расчета технического потенциала ветровой энергии в прибрежной зоне России и возможное количество ветроустановок, которые могут быть установлены в прибрежной зоне вдоль северной и восточной морской границы, в зависимости от диаметра ветроколеса и заданной среднегодовой скорости ветра, V=12 м/с, в прибрежной зоне приведены в таблице 4:
На рисунке 5 показана рассчитанная зависимость установленной мощности ВЭУ и количества ветроустановок в прибрежной зоне России.
Именно в прибрежной зоне России возможно отбирать максимальную удельную мощность (от 2,5 до 5,7 МВт) с каждой ветроустановки в зависимости от диаметра ветроколеса.
На рисунке 6 представлена зависимость технического потенциала ВЭУ в прибрежной зоне России от диаметра ветроколеса при заданной среднегодовой скорости ветра.
Расчетные показатели технического потенциала ВЭУ в прибрежной зоне России практически линейно зависят от диаметра ветроколеса, и увеличиваются с ростом диаметра.
· Оценка технического потенциала солнечной энергии России.
На карте, приведенной на рисунке 7, показан уровень инсоляции по зонам на территории России [12].
Рассчитанное по зонам инсоляции значение теоретического потенциала солнечной энергетики в России равно 25,38 миллиардов ГВт час/год. Технический потенциал рассчитывается по формуле для определения количества электричества, генерируемого PV панелями:
Wpv=S∙ r ∙ H ∙ PR ( 7 )
где Wpv– энергия (Вт∙ч);
S – суммарная площадь участка (м2);
r – к.п.д. солнечной панели, колеблется в пределах
0,1-0,46, средний мировой уровень равен 0,2;
i365 – среднегодовой уровень инсоляции на наклоненных панелях,
затенение не учитывается (Вт∙ч/м2);
PR – коэффициент производительности, является очень важным значением для оценки эффективности PV панели, поскольку он даёт производительность установки независимо от ориентации и наклона, включает в себя следующие потери:
– Потери инвертора (4% до 15%),
– Температурные потери (от 5% до 18%),
– Потери в кабелях постоянного тока (от 1 до 3%),
– Потери в кабелях переменного тока (от 1 до 3%),
– Затенение (0% до 80%),
– Потери в связи со слабым излучением (от 3% до 7%),
– Потери, связанные с пылью, снегом и т.д. (до 2%).
Теперь рассчитаем потенциал в соответствии с приведенной на рис. 7 картой, используя “Universal Desktop Ruler” [6], которая позволяет посчитать количество пикселей на каждом из участков карты, после чего находится из отношений этих значений процент каждой территории. На рисунке 8 показана полученная диаграмма распределения площадей территории России по уровню среднесуточной инсоляции.
Результаты расчета теоретического потенциала солнечной энергетики России по зонам, отмеченным на рисунке 8, сведены в таблицу 6.
Технический потенциал солнечной энергетики России огромен и равен значению 2,56∙109 ГВт∙ч/год, что соответствует использованию примерно 219,8 млрд. т.н.э. в год. Это, в свою очередь, больше чем в 17 раз превышает уровень мирового энергопотребления в 2012 году [4]. То есть, размещение стандартных фотоэлектрических панелей с коэффициентом полезного действия 20% и коэффициентом загрузки 30-70% на 1/17 части территории России или на площади в миллион км² способно удовлетворить потребности всего человечества в топливе и энергии в течение года.
Оценим, какую площадь территории России с различными зонами инсоляции необходимо занять солнечными панелями с указанными в таблице 6 параметрами к.п.д. и коэффициента производительности PR, чтобы полностью компенсировать энергопотребление России в 2012 году.
Для этого воспользуемся формулой:
S PV=S ∙ (W потр ⁄ W тех.пот.) (8)
Где: S – площадь территории страны с различным уровнем инсоляции, принимаем из таблицы 5;
Wпотр – энергопотребление России в 2012 году, равное 694,2 млн т.н.э. [4];
Wтех.пот. – технический потенциал солнечной энергетики (млрд т.н.э.) на территориях с различным уровнем
инсоляции, принимаем из таблицы 6.
Результаты расчетов приведены в таблице 7.
Как и следовало ожидать, чем выше уровень инсоляции, тем меньшую территорию необходимо использовать для размещения солнечных панелей. Тем не менее, требуемые территории огромны, сопоставимы по площади со многими европейскими странами. Однако в этом и есть одно из главных конкурентных преимуществ России – ее огромная территория, что дает ей неоспоримые преимущества перед всеми остальными странами мира в вопросах применения возобновляемых источников энергии, где территория является определяющим фактором при выработке энергии.
Выводы:
· Россия потребляет огромное количества тепла и энергии в силу того, что обладает самой большой в мире территорией свыше 17 млн. км² большая часть которой расположена в северных и полярных районах. Однако, кроме всего прочего, это же является неоспоримым конкурентным преимуществом России в вопросах производства энергии из возобновляемых источников, таких как ветер и солнце.
· Технический потенциал ветроэнергетики в России оценивается значением 0,07∙109 ГВт∙час/год, что сопоставимо использованию примерно 6 млрд. т.н.э. в год (~50% от уровня мирового энергопотребления в 2012 году). Для полного удовлетворения энергопотребления России на уровне 2012 года требуется размещение стандартных ветроэнергетических установок с диаметром лопастей от 50 до 100 метров на территории чуть более 11% территории страны.
· Технический потенциал солнечной энергетики России оценивается в 2,56·109 ГВт·час/год, что сопоставимо с использованием более 219 млрд. т.н.э. в год (в 17 раз больше уровня мирового энергопотребления в 2012 году). Для полного удовлетворения потребностей России в энергии на уровне 2012 года, стандартные солнечные панели с к.п.д. 20% достаточно разместить на территории от 30 до 123 тыс. км² в зависимости от уровня инсоляции, что составляет чуть более 0,7% территории страны.
Литература:
1. Бессель В.В., Беляев А.А., Зверев А.М. Энергосбережение в магистральном транспорте газа за счет использования возобновляемых источников энергии. Территория НЕФТЕГАЗ, № 9, 2013, стр. 84-90.
2. Бессель В.В. К вопросу оценки энергетической эффективности экономики России. Бурение и нефть, № 12, 2013, стр. 18-23.
3. Бессель В.В., Лопатин А.С., Беляев А.А., Кучеров В.Г. Использование возобновляемых источников энергии для повышения энергоэффективности ЕСГ России. Neftegaz.RU, № 10, 2013, стр. 12-20.
4. BP Statistical Review of World Energy, June 2013. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.bp.com/statisticalreview
5. Enargo. Renewable energy sources. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.enargo.ru/technologies_wind.php
6. Universal Desktop Ruler (Универсальная экранная линейка). [Ссылка для скачивания программы] – Режим доступа: http://avpsoft.ru/products/udruler
7. Безруких П. П. Ветроэнергетика (Справочное и методическое пособие). М.: - ИД «ЭНЕРГИЯ», 2010.
8. Wizelius T. Developing Wind Power Projects. (2007), London, UK: Earthscan. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://books.google.ru/books?id=eTaNk1VaQTYC&printsec=frontcover&hl=ru&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false
9. Ali Sayigh. Comprehensive Renewable Energy. 2012. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.sciencedirect.com.focus.lib.kth.se/science?_ob=RefWorkIndexURL&_idxType=GI&_cid=282715&_acct=C000034958&_version=1&_userid=4478132&md5=8d196220a025d681642df48e80070e7b
10. The World Factbook. Central Intelligence Agency. 2014.[Электронный ресурс] – Режим доступа:https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/geos/rs.html
11. ГИС “Энергоэффективность”. 2012. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://gisee.ru/articles/solar-energy/24510/
12. Hevel solar. 2011. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.hevelsolar.com/solar/
