Использование возобновляемых источников энергии на территории Кемеровская область

 

Технико-экономическая целесообразность использования энергии возобновляемых источников в Кемеровской области в первую очередь распространяется на децентрализованные зоны электроснабжения, с питанием от дизельных электростанций. Высокая стоимость производимой ими электроэнергии до 20 руб. за киловатт·час определяет возможность конкурентоспособности наиболее перспективных для данного района источников природной энергии.

Такие энергоресурсы, как ветер, солнце, гидроресурсы, в значительной степени подвержены сезонным изменениям и в наших условиях могут применяться в качестве источников электропитания небольшой мощности: единицы-десятки кВт, преимущественно сезонного применения. Надежность электроснабжения обеспечивается комплексным использованием энергоустановок различных типов, в том числе и в сочетании с традиционными дизельными электростанциями.

Проведенный выше обзор современных технологий использования солнечной энергии позволяет сделать вывод о том, что в Кемеровской области могут найти практическое применение солнечные коллекторы для нагрева воды и фотоэлектрические станции небольшой мощности для выработки электрической энергии.

Применение данных технических средств возможно в автономных системах энергоснабжения при сезонном использовании – с апреля по сентябрь. Наибольшую экономическую эффективность данные энергетические установки будут иметь в децентрализованных зонах Кемеровской области, где себестоимость вырабатываемой энергии существенно выше, чем в целом по региону.

Большая географическая широта Кемеровской области и низкие среднегодовые температуры обусловливают крайне низкую эффективность солнечных электростанций с концентраторами энергии и солнечных прудов. Применение данных технологий в Кемеровской области на сегодняшний день нецелесообразно.

Для определения экономической эффективности использования в энергетических целях солнечных коллекторов и фотоэлектрических преобразователей (удельной стоимости 1 кВт установленной мощности, срока окупаемости проекта, себестоимости вырабатываемой энергии) требуется проведение технико-экономических расчетов.

С учетом развития лесодобывающей и деревообрабатывающей промышленности в регионе, технологии прямого сжигания древесных отходов могут найти практическое применение в Кемеровской области, особенно в зонах децентрализованного энергоснабжения.

Коммерческий интерес представляют современные технологии переработки древесных отходов – производство топливных брикетов и древесных гранул. Амбициозные планы развития лесного комплекса Кемеровской области предусматривают уже в ближайшее время довести объем заготовок древесины до 1 млн м³ в год. При таком развитии событий строительство заводов по переработке отходов лесоперерабатывающей промышленности становится не только экономически привлекательным, но и технически необходимым.

Для условий Кузбасса необходимо продуманно отнестись к вопросу выбора оборудования для таких производств. Современное оборудование позволяет перерабатывать не только отходы древесины, но и отходы угольной промышленности (сходные технологии), что может обеспечить дополнительный экономический эффект.

Следует изучить опыт совхоза «Барачатский» по выращиванию и переработке рапса и рассмотреть вопрос о возможности производства биодизеля, имеющего хороший рынок сбыта в современных условиях.

Анализ современных технологий использования энергии ветра для выработки электрической энергии и энергетический кадастр ветровой энергии региона позволяют сделать вывод о том, что на территории Кемеровской области возможно практическое использование только малых ветроэнергетических установок.

Крупномасштабное производство электрической энергии с помощью ВЭС экономически целесообразно на территориях со среднегодовыми скоростями ветра более 6 м/с. Таких районов в регионе нет, однако имеются территории со среднегодовой скоростью ветра более 4 м/с, что определяет экономическую целесообразность использования малых ВЭУ, мощностью до 30-50 кВт, для производства электрической энергии в составе автономных систем электроснабжения.

Наиболее перспективными территориями области, сточки зрения энергетического использования ветровой энергии, являются районы Новокузнецка, Центрального Рудника, Тисуля, Тайги и Юрги. Возможно локальное применение ВЭУ в районах Горной Шории и предгорьях Кузнецкого Алатау за счет рационального использования ландшафта горного рельефа. В предгорьях, у выходов из узких долин на свободные широкие степные и пустынные просторы скорости ветра обычно возрастают. Однако для определения оптимальных мест размещения ВЭУ в этих районах требуются дополнительные исследования параметров ветрового режима с помощью специализированных приборов.

Использовать гидроэнергетический потенциал Кемеровской области для выработки электрической энергии можно с помощью микрогидроэлектростанций. Горный рельеф восточной и южной частей области обусловливает хорошие возможности для применения подобного рода установок. Сдерживающим фактором являются продолжительный ледостав рек, до семи месяцев в году, практически исключающий круглогодичное использование микроГЭС.

Наиболее перспективными сферами применения установок малой гидроэнергетики являются туризм, животноводство и сельское хозяйство в районах с большой вертикальной расчлененностью рельефа. Для сезонного летнего применения рекомендуется использовать установки небольшой мощности, до 10 кВт, позволяющие с наименьшими затратами производить их установку, перемещение и консервацию. На базе таких установок могут быть построены автономные системы электроснабжения для небольших домов отдыха, туристических лагерей, различных объектов сельскохозяйственного и животноводческого назначения.

 

Контрольные вопросы

 

1. Способы построения децентрализованных систем электроснабжения с участием ветроэлектростанций.

2. Охарактеризуйте возможные режимы гибридных энергетических комплексов на основе ветровых и дизельных электростанций.

3. Охарактеризуйте технологию производства электроэнергии с использованием высокопотенциальных геотермальных вод.

4. Каковы возможности энергетического использования низкопотенциальных геотермальных вод?

5. Назовите основные достоинства и недостатки геотермальных теплоэлектростанций.

6. Поясните принцип действия термодинамической и фотоэлектрической солнечной электростанции.

7. Изобразите вид вольт-амперных характеристик фотоэлектрического модуля при различном уровне освещенности.

8. Какими факторами определяется мощность, генерируемая солнечной батареей?

9. Назовите основные элементы фотоэлектростанции.

10. Классификация гидроэлектростанций. Что такое микрогидроэлектростанция?

11. Какие параметры микроГЭС определяют ее мощность?

12. Какие типы гидротурбин применяются в микроГЭС?

13. Поясните вид мощностных характеристик пропеллерной гидротурбины в зависимости от частоты вращения.

14. Приведите варианты построения систем стабилизации выходного напряжения микроГЭС.

15. Поясните сущность автобалластного регулирования режимов работы микроГЭС.

16. По каким параметрам микроГЭС чаще всего осуществляется регулирования балластной нагрузки?

17. Какие типы полупроводниковых регуляторов мощности балласта применяются в микроГЭС? Их достоинства и недостатки.

18. Способы улучшения качества генерируемого напряжения микроГЭС автобалластного типа.

19. Какие типы электромашинных генераторов применяются в микроГЭС? Какое влияние оказывает тип генератора на структуру автобалластной системы стабилизации?

20. Какие характеристики водотока оказывают основное влияние на эффективность гидроэлектростанции?

 

 

13. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ВОЗОБНОВляЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

 

Перспективность вовлечения в энергобаланс регионов энергии природных возобновляемыхочников определяет актуальность проблемы энергоэффективности установок, использующих энергию ветра, солнца, потоков воды, биомассы.

Наиболее сложной и трудоемкой задачей является определение эффективности использования того или иного возобновляемого энергоресурса в рассматриваемом регионе. Сложность данной проблемы состоит в том, что возобновляемые источники энергии (ВИЭ) крайне изменчивы во времени, а их энергетическая плотность во многом зависит от географических и природно-климатических условий региона и конкретного места установки электростанции. К тому же существенное влияние на эффективность применения ВИЭ оказывают техническая возможность и стоимость энергообеспечения от традиционных энергоносителей, а также технико-экономические характеристики используемого оборудования малой энергетики.

В связи с этим оценка эффективности применения ВИЭ может быть произведена только на осное комплексного технико-экономического анализа всех возможных вариантов энергообеспечения рассматриваемого объекта. При этом на предварительном этапе должен быть проведен анализ существующей системы энергообеспечения рассматриваемого региона и определена стоимость используемых в настоящий момент энергоносителей.

 

13.1. Критерии эффективности использования
возобновляемых энергоисточников

 

Перспективность вовлечения в энергобаланс регионов энергии природных возобновляемых источников определяет актуальность проблемы энергоэффективности установок, использующих энергию ветра, солнца, потоков воды.

В силу низкой энергетической плотности возобновляемых энергоресурсов (ВЭ) и их крайней изменчивости, стоимость производимой электроэнергии с использованием ВЭ в настоящее время обычно превышает тариф на электроэнергию, полученную традиционными способами. Поэтому конкурентоспособной областью нетрадиционной энергетики является малая энергетика, особенно в децентрализованных системах электроснабжения потребителей, находящихся в отдаленных, труднодоступных местах.

Для эффективной организации децентрализованного электроснабжения с использованием ВЭ актуальны следующие вопросы:

- оценка объемов и условий электроснабжения потребителей, не имеющих централизованного электроснабжения;

- оценка потенциала возобновляемых энергоресурсов в зоне размещения объектов электрификации и выделение приоритетных видов природной энергии;

- разработка методик и анализ технико-экономических характеристик вариантов построения децентрализованных систем электроснабжения;

- разработка критериев экономической эффективности эксплуатации децентрализованных систем электроснабжения;

- анализ социальных и экологических аспектов использования ВЭ для децентрализованного электроснабжения объекта;

- анализ возможных организационно-правовых форм функционирования энергетического бизнеса в децентрализованных зонах энергообеспечения потребителей.

Определение условий технико-экономической эффективности использования возобновляемых энергоресурсов в децентрализованных зонах энергоснабжения необходимо проводить с учетом следующих факторов:

- комплексный подход к оценке экономической и энергетической эффективности децентрализованных зон с различными типами энергоисточников;

- региональные, климатические, географические факторы при определении условий экономической и энергетической эффективности функционирования децентрализованных систем энергообеспечения;

- тенденции развития и изменения зон децентрализованного энергоснабжения;

- тенденция развития энергоустановок, использующих местные, в том числе возобновляемые энергоресурсы.

Оценка эффективности применения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для электроснабжения автономных объектов, не имеющих централизованного электроснабжения, производится на основе сравнительного технико-экономического анализа всех возможных вариантов электрификации. При этом необходимо рассмотреть варианты электроснабжения не только от нетрадиционных источников энергии, но и вполне традиционных: централизованная энергосистема и жидко-топливные генераторы. Электроснабжение от энергосистемы предусматривает строительство линии электропередачи, а в качестве жидко-топливных генераторов наиболее распространены дизельные электростанции. Соответственно, к возможным вариантам электроснабжения автономного объекта отнесены:

- централизованное электроснабжение (строительство ЛЭП);

- дизельные электростанции;

- микрогидроэлектростанции;

- ветроэнергетические установки;

- солнечные электростанции.

При этом, в качестве критериев оценки, применяются 3 группы показателей:

- технические;

- экономические;

- социально-экологические.

В группу технических показателей входит всего один критерий – критерий технической выполнимости проекта. Исходными данными для определения данного критерия являются сведения об основных технических характеристиках первичного источника энергии. В связи с этим, критерий технической выполнимости проекта:

- на основе дизельных электростанций всегда положителен;

- при электроснабжении от централизованной энергосистемы зависит от требуемой установленной мощности объекта электроснабжения (кВт) и расстояния до централизованной электрической сети (км);

- для микроГЭС определяется исходя из минимальной скорости течения водотока в месте установки станции (м/с) и минимальном расходе воды (л/с);

- для ветроэнергетической установки критерием является среднегодовая скорость ветра на уровне ступицы ветроколеса (м/с);

- для солнечных электростанций - среднемесячная дневная энергетическая освещенность (кВт ч/м).

Основным критерием экономической эффективности являются приведенные годовые затраты на 1 кВт установленной мощности системы электроснабжения, которые определяются из выражения:

,

где – установленная мощность объекта электроснабжения (кВт); – общие капиталовложения (руб):

,

где – стоимость комплектного оборудования (руб); –

стоимость проектных работ по определению места установки на местности (руб); – стоимость строительных и монтажных работ по установке электростанции (подстанции) (руб).

–нормативный коэффициент рентабельности, где – экономический срок службы оборудования (лет).

– общие годовые эксплутационные расходы (руб):

,

где – годовые расходы на эксплуатацию системы электроснабжения (руб); – годовые расходы на плановый ремонт (руб); – годовые расходы на топливо (руб); – годовые расходы на доставку топлива (руб).

Себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии:

, руб/кВт·ч,

где – общее количество электрической энергии, вырабатываемое электростанцией в течение года.

В качестве социально-экологических критериев эффективности применения различных вариантов электроснабжения принимались следующие:

- потенциальная угроза жизни людей;

- наличие топливной составляющей;

- отчуждение земли;

- влияние на птиц и животных;

- акустическое воздействие и вибрация;

- электромагнитное излучение.

Так как количественная оценка социально-экологических критериев крайне затруднительна, а подчас и невозможна, то при анализе производится только их качественная оценка, которая может служить в качестве дополнительного критерия при выборе наиболее рационального варианта электроснабжения автономного объекта.

Отметим также, что при выборе между традиционными и нетрадиционными источниками энергии следует руководствоваться не только текущими экономическими затратами.

 

13.2. Методика оценки эффективности применения
возобновляемых источникв электроэнергии

 

Методика оценки эффективности применения нетрадиционных и возобновляемых энергоисточников заключается в последовательном определении технических, экономических и социально-экологических критериев для всех возможных вариантов электроснабжения автономного объекта и их сравнительном анализе.

Исходными данными для определения критериев являются кадастр нетрадиционных и возобновляемых источников рассматриваемого региона, технические и экономические показатели комплектующих и оборудования, выпускаемого ведущими российскими предприятиями, Государственные элементные сметные нормы (ГЭСН) на строительные и монтажные работы.

Данная методика может быть использована с учетом двух основных положений.

Во-первых, технические и экономические показатели, используемые в данной методике, приняты на сегодняшний день, и в последствии могут изменяться. Например, минимальная скорость ветра, при которой происходит запуск современных ветроэнергетических установок, составляет 3. 4 м/с. Однако, развитие технологий, несомненно, в скором будущем позволит уменьшить этот предел. К тому же, современные тенденции развития технологий возобновляемой энергетики и неизбежное сокращение запасов органического топлива, позволяют прогнозировать одновременный рост цен на традиционные энергоносители и снижение удельной стоимости оборудования для малой энергетики.

Во-вторых, при определении критериев экономической эффективности используются средние технические и экономические показатели комплектующих и оборудования, и соответственно, они могут быть использованы только для сравнительного анализа различных вариантов электроснабжения и выбора наиболее рационального. Полная смета затрат на проект и точные экономические расчеты могут быть выполнены только после выбора конкретного варианта электроснабжения и подбора соответствующих комплектующих.

Важно также отметить, что успешное использование возобновляемых источников энергии во многом зависит от правильного выбора места установки электростанции. Например, энергия ветрового потока во многом зависит от рельефа местности и имеющихся наземных зданий и сооружений, а все реки имеют аномальные уклоны с естественными местами концентрации энергии водного потока. Поэтому выбор места установки каждой конкретной электростанции, использующей энергию природных возобновляемых источников, должен производиться на основании проекта привязки к местности, который должен быть выполнен соответствующими специалистами.

 

13.2.1. Электроснабжение от централизованной
энергосистемы

 

Исходными данными расчетов являются:

- мощность потребителя (кВт);

- удаленность потребителя от точки присоединения к энергосистеме (км);

-географические и климатические условия прохождения трассы (скоростной напор ветра, вид грунта, район по гололеду, рельеф местности).

Возможность присоединения электроприемника к энергосистеме ограничена его удаленностью в связи с потерями напряжения в питающей линии.

Силовые трансформаторы небольшой мощности обеспечивают регулирование напряжения с помощью отпаек в пределах ±5%. Соответственно, для получения стандартных параметров напряжения питающей сети допустимая потеря напряжения не должна превышать 5%.

Исходя из этого можно определить максимально допустимую длину линии электропередачи (ЛЭП) в километрах:

,

где – удельное сопротивление материала, Ом·м/мм²; – сечение провода, мм²; – номинальное напряжение, кВ; – потеря напряжения, кВ; – номинальная мощность электроприемника, кВт.

Определяющим фактором при выборе сечений ЛЭП для питания нагрузок небольшой мощности является механическая прочность провода. При этом возможны всего два стандартных напряжения – 6 и 10 кВ.

При =32,2 Ом·м/мм² (алюминиевый провод), =16 мм², =6 кВ, =0,3 кВ значения в зависимости от мощности объекта электроснабжения представлены в табл. 2.1 а.

Таблица 2.1а – Максимально допустимая длина линии электропередачи при =6 кВ, км

, кВт
, км

 

При =32,2 Ом·м/мм² (алюминиевый провод), =16 мм², =10 кВ, =0,5 кВ значения в зависимости от мощности объекта электроснабжения представлены в табл. 2.1 а.

 

Таблица 2.1а – Максимально допустимая длина линии электропередачи при =6 кВ, км

, кВт
, км

 

Напряжение линии определяется напряжением близлежащих ЛЭП.

Капитальные затраты на построение системы электроснабжения автономного объекта от централизованной энергосистемы состоят из затрат на сооружение ЛЭП и из затрат на сооружение комплектной трансформаторной подстанции :

.

Капитальные вложения в строительство ЛЭП состоят из стоимости опор , проводов , изоляторов , установки опор и подвески провода :

.

Цена провода зависит от его длины и сечения. Сечение провода выбирается по передаваемой мощности. Согласно экономической предельной (по нагреву) мощности, для мощностей, не превышающих 160 кВт, целесообразно выбирать провод сечением 16 мм² при напряжении 6 кВ, а для мощностей до 250 кВт нужно выбирать провод сечением 25 мм² на напряжение 6 кВ или провод сечением 16 мм² при напряжении 10 кВ.

Стоимость провода где – удельная цена провода (р./км), – расстояние от объекта электроснабжения до точки присоединения к энергосистеме (км).

В табл. 2.3 приведена удельная стоимость алюминиевых проводов различного сечения.

Таблица 2.3 – Удельная стоимость алюминиевых проводов воздушной ЛЭП, р./км

Номинальное сечение, мм2	Удельная стоимость проводов воздушной ЛЭП
Провод марки А	Проводо марки АС

 

Стоимость остальных составляющих капитальных вложений в ЛЭП укрупненно определяется следующим образом:

= ,

= ,

= ,

= .

Капитальные вложения в подстанцию определяются стоимостью комплектной трансформаторной подстанции (см. табл. 2.7 и стоимостью ее монтажа .

Монтаж мачтовой подстанции 10/0,4 согласно СНиП стоит 2078 р.

 

Таблица 2.7 – Стоимость мачтовых подстанций 10(6) кВ

Мощность, кВА	Дополнение	Цена с учетом НДС, руб.
	С разрядниками
	С разрядниками
	С разрядниками
	С разрядниками
	С разрядниками
	С разрядниками
	Без разрядников
	Без разрядников
	Без разрядников
	Без разрядников
	Без разрядников
	Без разрядников

 

С помощью вышеописанной методики определяются капитальные затраты на строительство в так называемом базовом районе. При отклонении климатических и геологических условий найденные капиталовложения следует умножить на соответствующий коэффициент (табл. 2.8, 2.9).

Таблица 2.8 – Поправочные коэффициенты к стоимости сооружения ВЛ

Условия прохождения трассы ВЛ	Материал опор – дерево
Скоростной напор ветра
6,0-7,5 Н/м2	1,08
более 7,5 Н/м2	1,10
Горные условия	1,70
Болотистая трасса	1,50
Поймы рек	1,35
Особо гололедный район	1,29

 

Таблица 2.9 – Укрупненные зональные коэффициенты к стоимости электрических сетей

Объединенные энергосистемы	Коэффициент
Воздушные линии	Подстанции
Центр, Юг, Серево-Запад, Северный кавказ, Средняя Волга, Закавказье	1,0	1,0
Урал, Северный Казахстан, Средняя Азия	1,1	1,1
Сибирь	1,2	1,2
Дальний Восток	1,4	1,4

 

Годовые эксплуатационные расходы состоят из отчислений на обслуживание, т.е. на заработную плату персонала (руб./год), и из отчислений на оплату электроэнергии, получаемой из системы (руб./год).

, руб.

,

где – коэффициент, определяющий заработную плату согласно разряда; МРОТ – минимальный размер оплаты труда.

,

где – полученная из энергосистемы электроэнергия за год, кВт-ч; – тариф на электроэнергию в питающей сети, р./кВт·ч.

Количество электроэнергии, потребляемое автономным объектом электроснабжения за год, приближенно может быть определено из выражения:

, кВт·ч,

где – установленная мощность электроприемников объекта, кВт; – число часов работы в год.

Тарифы на электрическую энергию для потребителей Кемеровской области устанавливаются Постановлением Региональной энергетической комиссии Кемеровской области.