Перспективы ВИЭ в Арктике

Освоение Арктической зоны, сформулированное как одно из ключевых направлений развития Российской экономики в XXI веке, является сложной комплексной задачей, требующей разработки ряда технических решений, в том числе в области эффективного энергоснабжения действующих и планируемых к созданию промышленных и инфраструктурных объектов, а также развивающихся местных поселений. С одной стороны, существует проблема доставки в регион и внутри него необходимых ресурсов, включая горюче-смазочные материалы и запасные части, которая осложняется суровым климатом и слаборазвитой транспортной инфраструктурой. С другой - Арктический регион является источником не только полезных ископаемых, но и рекреационных ресурсов, зоной проживания коренных малочисленных народов Севера. К нему приковано внимание средств массовой информации и экологических организаций, что заставляет уделять пристальное внимание экологическим аспектам реализуемых и планируемых в регионе проектов. Не претендуя на полное решение энергетических проблем региона, возобновляемые источнике энергии (ВИЭ) могут быть эффективным средством решения ряда локальных энергетических задач при условии корректного учета потенциала этих ресурсов, технико-экономического анализа конкурирующих решений и правильного выбора ключевых компонентов энергоустановок, работоспособных в суровых условиях Арктики.

Арктический регион располагает широким спектром ВИЭ. Среди них ключевыми являются энергия ветра (районы вдоль северных морских границ России характеризуются средними скоростями ветра более 6-7 м/с, что крайне привлекательно для применения ветроэнергетических установок), солнечная энергия, в отдельных районах - энергия растительной биомассы, энергия морских волн и приливов. Ведутся поисковые исследования по энергетическому использованию разности температур морской воды и атмосферного воздуха, разности соленостей морской и речной воды. В некоторых районах имеются разведанные запасы геотермального тепла. В одной статье не представляется возможным рассмотреть весь широкий спектр перспективных технологий использования местных ВИЭ. В этой связи в данной работе основное внимание уделяется некоторым результатам, полученным в рамках Программы поисковых фундаментальных научных исследований Российской академии наук в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации в части анализа возможностей практического применения солнечной энергии.

Арктическая зона РФ отличается самой высокой урбанизированностью: более 80% населения проживает здесь в городах и поселках с населением свыше пяти тысяч человек. Здесь расположен ряд промышленных центров с населением свыше 100 тыс. человек (Архангельск, Мурманск, Воркута, Норильск).

Обеспечение безопасности движения всех видов транспорта особенно важно в данном регионе, с учетом наличия международных торговых коммуникаций (Северный морской путь) и большой зависимости населенных пунктов от доставляемых водными, наземными или воздушными путями грузов. Для навигационных целей широко используются автономные светосигнальные устройства: буи, маяки, аэродромные огни. Для отдельных населенных пунктов, не имеющих промышленных предприятий, график электрической нагрузки во многом определяется насосами системы отопления поселка - котельных установок, работающих на дровах, мазуте или угле. Это определяет существенную сезонную неравномерность энергопотребления таких поселков. Отклонение реального энергопотребления от графиков нагрузки режимного дня составляет от 11 до 56%, причем максимум отклонения приходится на летние месяцы. Связано это с тем, что зимой стабильно низкие температуры воздуха, а в весенне­-летний и осенний периоды средняя температура от месяца к месяцу претерпевает существенные изменения, что влечет за собой и сдвиг графика нагрузки. В результате отклонение реальных нагрузок от используемых в расчетах энергетических балансов показателей по летнему режимному дню может составлять 40-50%.

Как следует из проведенного выше краткого анализа, в Арктической зоне имеются разнообразные потенциальные ниши для практического использования солнечной энергии. С учетом высокоширотного расположения потребителей, безусловно, речь может вестись только о сезонном наземном использовании солнечной энергии в периоды солнечного сияния. Бытует устойчивое мнение, что на Севере использование солнечной энергии не перспективно в связи с ее малыми ресурсами. Однако такое утверждение не вполне правомерно. Известно, что суммарная продолжительность световых периодов в течение года для любой точки земного шара одинакова и равна суммарной продолжительности ночей. В высоких широтах максимум продолжительности солнечного сияния приходится на лето (за полярным кругом - на полярный день), в то время как в экваториальной зоне продолжительности дней и ночей в течение всего года примерно одинаковы. Таким образом, за пределами атмосферы интегральный годовой поток солнечного излучения, направленный на подвижную, ориентированную на Солнце единичную площадку, в любой точке земного шара одинаков. И поступление энергии солнечного излучения на такую площадку, расположенную на поверхности земли, определяется в первую очередь не широтой местности, а прозрачностью слоя атмосферы, через который проникают солнечные лучи. Для районов земного шара, расположенных в высоких широтах, толщина проходимого солнечным излучением атмосферного слоя выше, чем в низких широтах в связи с более низким солнцестоянием над горизонтом.

Для целей проектирования и прогноза эффективности работы солнечных установок, необходимы надежные данные о падающей солнечной радиации с максимальным охватом территории и частотой сетки.

Одним из наиболее эффективных и практически значимых применений солнечных установок в условиях Арктики могло бы стать обеспечение энергопотребностей некоторых групп потребителей, вынужденных длительное время находиться вне зоны действия локальных или централизованных электросетей (охотники, геологи, туристы, оленеводы и др.).

Основными направлениями развития альтернативной энергетики в Арктических регионах могут стать проекты в области ветровой, солнечной энергии, биотоплива и энергии моря. Известно, что в прибрежных районах Белого и Баренцева морей, а также на территории архипелагов Новая Земля и Земля Франца Иосифа скорость ветра достигает 5-8 м/с и, по прогнозам климатологов, по мере потепления в регионе будет наблюдаться многократное усиление его частоты и силы. К тому же, холодный воздух обладает большей плотностью, чем горячий, следовательно, энергоэффективность такой установки при одной и той же скорости ветра будет выше. В совокупности все это создает крайне благоприятные условия для развития ветровой энергетики. Сейчас в Арктике уже работает целый ряд ветроэлектростанций: экспериментальная ветроэнергетическая станция в Лабытнанги и проект «Полярис» с 4-мя ветроэлектрическими установками в ЯНАО, Анадырская ветряная электростанция на мысе Обсервации Анадырского района с 10 ветрогенераторами в Чукотском автономном округе. Ветропарк в поселке Тикси с 3 ветроустановками, экспериментальная ветроэнергетическая станция «Быков мыс». После 2021 года в Кольском районе под Мурманском начнет работать первая на Севере ветроэлектростанция мощностью 201 МВт, она будет крупнейшей ветроэлектростанцией в России. Суммарная мощность всех Российских Арктических ветроэнергостанций составляет 210 МВт. Обычно установки используются либо отдельно, либо вместе с солнечными батареями и дизельными генераторами. В восточных приарктических районах Якутии могут быть задействованы установки по выработке солнечной энергии. В холодном климате увеличивается потенциал производства солнечной энергии. Чем ниже окружающая температура, тем эффективнее работают солнечные фотоэлементы: при 0°C солнечный элемент будет иметь на 10% более высокий КПД, чем при 20°C. В итоге, среднегодовое поступление солнечной энергии в Арктике в дневное время может доходить до 2-5 кВт/ч, а в отдельных районах до 5-6 кВт/ч. Солнечные электростанции работают в Ямало-Ненецком автономном округе, в поселках Батагай, Бетенкес Батамай, Джаргалах, селах Дулгалах, Куду-Кюэль, Улуу, Юнкюр, Верхняя Амга, Столбы, Иннях Тойон-Ары, Куберганя, Эйик, Дельгей. Суммарная мощность вырабатываемой ими энергии составляет около 1,4 мВт. Помимо солнца и ветра, есть еще и гидроэнергетика. В одной только Мурманской области насчитывается 17 гидроэлектростанций, в Якутии 2, в Архангельской области 1. Вблизи поселка Ура-Губа в Мурманской области работает Кислогубская приливная электростанция (ПЭС) мощностью 1,7 МВт. В губе Долгая-Восточная на Кольском полуострове скоро начнется строительство Северной ПЭС, мощностью уже в 12 МВт при годовой выработке энергии 23,8 млн. кВт/ч. Это будет первая приливная электростанция в России, которая выйдет на промышленный уровень генерации энергии. В Мезенском заливе Белого моря планируется строительство еще одной приливной электростанции, мощностью 8 ГВт. Ожидается, что её годовая выработка составит 38,9 млрд. кВт/ч — столько же, сколько у всего Волжско-Камского каскада ГЭС.

В будущем энергетика в Арктике будет основана на сочетании традиционных и возобновляемых источников энергии. С одной стороны, ВИЭ пока не могут полностью заменить обычные уголь, мазут и дизельное топливо. По официальным данным, суммарная мощность всех ветряных и солнечных электростанций Крайнего Севера сейчас не позволяет обеспечить электроэнергией даже одно из 1000 поселений с населением более 1000 человек. С другой, использование ВИЭ ограничено техническими и климатическими условиями. Но, несмотря на все проблемы, Правительством РФ уже принято решение об увеличении доли альтернативной энергетики в экономике страны с 1% до 2,5% – до 6 ГВт, следовательно, направление наращивания использования ВИЭ в Арктике получит дальнейшее развитие.

Выводы

• Высокая стоимость тарифа на электроэнергию, наличие высокого потенциала ВИЭ создают хорошие предпосылки для строительства объектов альтернативной источников энергетики в Арктике с высокой долей замещения.

• Создание эффективных альтернативной источников энергетики с 50% замещением топлива позволит даже при тридцатипроцентном внедрении ежегодно экономить около 350 тыс. т. дизтоплива и снизить дотации бюджетов разных уровней на субсидирование тарифа.

• Реализация принципов многоцелевого комплексного подхода к созданию проектов энергокомплексов на базе ВИЭ модульного типа обеспечивает повышение надежности энергоснабжения автономных потребителей и инвестиционной привлекательности проектов для районов с суровыми природно-климатическими условиями.