Альтернативные источники энергии. 7

Введение 
 

       Энергетика  Алтайского края, как и энергетика России в целом, находится в глубоком кризисе, обусловленном в первую очередь неплатежами, диспаритетом цен на топливо, оборудование, услуги сторонних организаций, высокими кредитными ставками, высокой стоимостью электроэнергии от перепродавцов, общим снижением промышленного и сельского производства. Энергетическое оборудование крайне морально и физически устарело, изношено. Государственное регулирование цен на услуги энергетиков в условиях существующих неплатежей и отсутствия свободных оборотных средств обернулось неплатежами зарплаты, забастовками энергетиков, снижением качества и надежности энергоснабжения. Промышленность и сельское хозяйство снизили потребление электроэнергии, происходит реструктуризация контингента потребителей.

       В крупных городах края имеется  значительный дефицит тепла. Существующие схемы теплоснабжения требуют пересмотра в связи с намечаемой газификацией, изменением структуры теплопотребления и новыми технологиями. Энергетика края - это крупный источник вредных выбросов, особенно в атмосферу. Алтайский край является энергодефицитным регионом, получающим практически 100% используемых первичных энергетических ресурсов, поэтому экономика края в значительной степени зависит от тарифов естественных монополий. Энергосбережение в крае, как в целом и по России, организовано неудовлетворительно. В предыдущий период на Алтай проложен крупный газопровод природного газа с ресурсом в 1,7 млрд. м³/год; при строительстве газокомпрессорной станции (вне края) - 4,6 млрд. м³, с возможностью в будущем строительства более крупной нитки газопровода на ресурс в 10,7 млрд. м³/год природного газа [4]. Начаты и продолжаются работы по разведке и добыче собственных Алтайских углей и торфа. Энергетика края является угольной и централизованной. В 1997 году доля угля в топливном балансе составила около 90%, централизованное теплоснабжение в городах осуществляют 8 крупных ТЭЦ, в средних и малых городах - около 5,5 тыс. мелких котельных [2].

       Разработанная концепция декларирует своей конечной целью преодоление негативных тенденций в энергетике края, достижение стабилизации и повышения уровня жизни населения. Приоритеты отданы энергосбережению, экологически чистым технологиям на всех этапах получения, передачи и потребления энергии. 

       Целью данной работы является: Рассмотрение видов альтернативных источников энергии Алтайского края.

       Для достижения поставленной цели, необходимо было решить следующие задачи: 1) Проанализировать развитие современной энергетики Алтайского края;

       2) Выделить проблему;

       3) Рассмотреть альтернативный вариант  получения энергии в Алтайском  крае. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1 Электроэнергетика: Анализ существующего состояния на территории Алтайского края 

1. Характеристика  энергосистемы Алтайского края

       Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) края имеет в своем  составе объекты электро- и теплоэнергетики, газоснабжения, угледобывающие предприятия. Наибольший удельный вес в общем объеме топливно-энергетической продукции края в настоящее время имеют предприятия электро - и теплоэнергетики. Доля производства и распределения электроэнергии газа и воды в объеме всей произведенной в крае промышленной продукции в 2009 году составила около 20 %. Удельный вес предприятий ТЭК Алтайского края в производстве электроэнергии в целом по Российской Федерации в 2009 году составил 0,6 %, Сибирский федеральный округ (СФО) – 3,0 %; тепловой энергии – 1,4 % и 8,7 % соответственно [7].

       На  территории Алтайского края функционирует 11 крупных и средних предприятий, занимающихся комбинированным производством электроэнергии и тепла, с общей установленной электрической мощностью 1679,2 МВт и тепловой мощностью 6866,3 Гкал/час на 01.01.2010 [8].

       Энергосистема Алтайского края входит в состав объединённой энергетической системы Сибири и имеет межсистемные связи с Республикой Казахстан, Новосибирской, Кузбасской, Красноярской энергосистемами. Алтайская энергосистема длительное время является дефицитной, поскольку производимая в крае электроэнергия не может полностью обеспечить его потребности. Разница покрывается закупками электроэнергии в соседних энергосистемах в объеме до 5 млрд. кВт./ч (около 50% от потребности) [8]. Электроснабжение осуществляется тремя электростанциями Барнаульского филиала ОАО «Кузбассэнерго», одной электростанцией ООО «Бийскэнерго», семью ведомственными электростанциями и по межсистемным линиям электропередачи.

       Основной  вид топлива на указанных электростанциях  – уголь. На Барнаульских Тепло-Электро Централях (ТЭЦ) - ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 имеются котлы, работающие на газе, но они подключаются к работе лишь в периоды пиковых нагрузок. На начало 2010 года суммарная установленная мощность электростанций Алтайской энергосистемы (без ТЭЦ сахарных заводов) составила 1667,7 МВт. Из них 785,2 МВт приходится на три барнаульские ТЭЦ (ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3) Барнаульского филиала ОАО «Кузбассэнерго», что составляет 47,1 % суммарной мощности энергосистемы [8].

       Электрические сети Алтайского края включают в себя: магистральные сети напряжением 220, 500  и 1150 кВ, находящиеся на балансе филиала ОАО «ФСК ЕЭС» - магистральные электрические сети (МЭС) Сибири; распределительные сети напряжением 35, 110 кВ, находящиеся на балансе филиала ОАО «МРСК Сибири» - ОАО «Алтайэнерго»; коммунальные электрические сети ОАО «Алтайкрайэнерго»; электрические сети ОАО «РЖД»; электрические сети других предприятий и ведомств [8]. 

1.1.1 Динамика потребления электроэнергии в Алтайском крае 

       Общий объем электропотребления в Алтайском крае по состоянию на 2009 год увеличился по сравнению с 2005 годом на 4,5 % (рис. 1, табл. 1). При этом необходимо отметить, что по итогам 2008 года промышленность в целом сократила объемы потребления электрической энергии на 18 % к уровню 2005 года, а коммунально-бытовая сфера, напротив, увеличила в 2 раза, транспорт и связь на  44 %. Более чем на 12 % сократилось потребление электроэнергии в строительстве, и на  38 % - в сельском хозяйстве [7]. Такие тенденции вполне объяснимы условиями наблюдавшегося в крае экономического кризиса, повлекшего спад во всех отраслях производства и, как следствие, спад электропотребления.

       Рисунок 1 Отчётная динамика уровней электропотребления в Алтайском крае (2005 – 2009) [9]. 

       Таблица 1 Отчётная динамика уровней электропотребления в Алтайском крае (млн. кВт/ч) [7]. 

       Рост  электропотребления в коммунально-бытовом  секторе объясняется переходом на рыночные отношения и последовавшим за этим всплеском активности сферы торговли и услуг, отсутствием действенных рычагов ограничения неоплаченного потребления электроэнергии в социальной сфере. Величина потерь электроэнергии за эти годы существенно не изменилась.  
 

1.1.2 Структура потребления и перечень потребителей электроэнергии  Алтайского края 

       В отличие от других регионов Сибири, таких как Красноярский край, Иркутская  и Кемеровская области, в Алтайском  крае нет, и не планируется 

       Таблица 2 Структура потребления электроэнергии [8]. 

строительство крупных электроемких производств (табл. 2). 
 
 

2.   Особенности и проблемы текущего состояния электроэнергетики на территории Алтайского края

       Несмотря  на то, что энергосистема Алтайского края в целом работает устойчиво, обеспечивая энергоснабжение потребителей, энергетическая безопасность, в энергетической стратегии Алтайского края на период до           2020 года (постановление Администрации Алтайского края от 10.11.2008          № 474) оценивается специалистами как предкризисная [8].

       Алтайская энергосистема длительное время  испытывает дефицит собственной  мощности и электроэнергии, который покрывается за счет сальдо-перетоков с соседними энергосистемами.

       Существенный  дефицит собственной электроэнергии в регионе сложился в 1991-1997 годах, когда в связи с отсутствием  источников финансирования было отложено строительство второй очереди Барнаульской ТЭЦ-3 электрической мощностью 325 МВт и тепловой – 1120 Гкал, приостановлено строительство котла № 16 на Бийской ТЭЦ-1 производительностью 500 т пара в час и прекращено строительство ТЭЦ в     г. Рубцовске [4].

       Для обеспечения энергетической безопасности края необходим ввод новых генерирующих мощностей и модернизация действующих с целью изменения структуры энергопроизводства в сторону увеличения выработки электрической энергии в конденсационном режиме. Также необходимо проведение комплекса мер по энергосбережению, реконструкции, модернизации и развитию существующих энергообъектов.

       Анализ  показывает, что потенциал энергосбережения в топливно-энергетическом комплексе  края может быть охарактеризован  следующими показателями:

       - снижение потерь в электрических сетях – 116,2 млн. кВт/ч;

       - уменьшение потребления электроэнергии энергоснабжающими предприятиями и организациями – 105,4 млн. кВт/ч;

       - уменьшение затрат топлива на производство электростанциями электроэнергии и тепла – 115,0 тыс. т у.т.;

       - уменьшение затрат топлива на производство котельными тепла–                                 143,4 тыс. т у.т.;

       - снижение собственного потребления и потерь тепла в тепловых

       сетях - 1534,0 тыс. Гкал, что соответствует экономии  268,4 тыс. т у.т. (при среднем удельном расходе условного топлива (УРУТ) 175 кг/Гкал) [9]. 

       1.3 Энергосбережение и использование возобновляемых источников энергии 

       В связи с ограниченностью запасов  невозобновляемых источников энергии  задача удовлетворения нарастающих  потребностей населения и промышленных предприятий в электрической и тепловой энергии приводит к необходимости более широкого использования возобновляемых источников энергии: солнца, ветра, рек и водотоков, низкопотенциальных источников тепла и других. В перспективе это будет способствовать решению фундаментальных проблем устойчивого развития Алтайского края, таких как энергетическая безопасность, энергетическая эффективность экономики региона и защита окружающей среды. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2 Альтернативные и возобновляемые источники энергии: развитие альтернативной энергетики и их виды 

       К проблемам развития нетрадиционных видов энергетики, работающих на возобновляемых источниках энергии, власти Алтайского края проявляют особый интерес. Ведь для нашего региона, не обладающего значительными запасами ископаемых видов топлива, этот вектор развития энергетики особенно актуален. Алтайский край также заинтересован в получении полезного опыта в мусоропереработке. 
          Алтайский край, как известно, является энергодефицитной территорией. Собственные генерирующие мощности закрывают лишь 50% потребностей. Поэтому около 5 млрд. кВт/ч электричества мы ежегодно закупаем в других регионах. Одним из способов выравнивания энергетического баланса специалисты как раз и называют использование альтернативных источников энергии [9]. 

2.1 Перспектива развития ветровой энергии 

       Алтайский край является одним из перспективных регионов по потенциалу ветровой энергии, а потому решено было ориентироваться на строительство трех ветропарков мощностью по 50 МВт [8].

       У энергии ветра есть несколько  существенных недостатков, которые  затрудняют ее использование, но отнюдь не умаляют ее главного преимущества - экологической чистоты. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимы ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки.

       Ветроэнергостанции  не безвредны: они мешают полетам  птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но, как мы увидим дальше эти недостатки можно  уменьшить, а то и вовсе свести на нет.

       Для будущего строительства ветропарков были выбраны три площадки в Славгородском и Кулундинском районах. Была проработана компоновка оборудования: каждая площадка включает в себя 25 установок единичной мощностью 2–3,5 МВт. Высота башни составит 80–105 метров, диаметр ветроколеса – 90–120 метров, масса гондолы  – 80–120 тонн [8].  Понятно, что габариты проекта потребуют особых условий доставки и монтажа. Также серьезными недостатками ветроэнергетики являются непредсказуемость вырабатываемой мощности, сложность ее регулирования, высокая стоимость строительства и т. д. Впрочем, по мнению специалистов, результат себя оправдает. Ведь мощность даже одного такого ветропарка, какие будут созданы на Алтае, вполне сопоставима с мощностью крупной ТЭЦ (рис. 2).

       В случае успешного прохождения предпроектной стадии в будущем году планируется начать разработку проектной документации. При благоприятном стечении обстоятельств уже в 2012 году в Алтайском крае могут появиться первые объекты малой гидроэнергетики, а годом позже – ветропарки [8].

       Администрация Алтайского края подписала соглашение, с компанией, готовой привлекать инвестиции для строительства ветроэнергопарков в регионе. Соглашение о взаимодействии в области развития ветроэнергетики на территории Алтайского края подписали 4 октября администрация региона, ОАО «МРСК Сибири», ОАО «Алтайсбытэнерго», ОАО «Альтернативная энергетическая корпорация» [8].  

       Рисунок 2 Ветропарки [8]. 

       Компания будет заниматься осуществлением сбора и анализа информации о предполагаемых площадках для строительства парков, проведением метеорологических наблюдений на территории края, привлечением ведущих иностранных компаний, работающих в области ветроэнергетики. 

2.2 Энергия солнечного излучения 

       Солнечная энергетика предусматривает использование солнечного излучения для получения тепловой или электрической энергии в каком-либо виде в регионах с достаточно большим количеством солнечных дней.

       Продолжительность солнечного сияния в Алтайском крае составляет 2000 - 2300 часов в год [9]. Свет в течение года, поступает на территорию Алтайского края, неравномерно. Меньше всего солнечной радиации поступает в Алтайский край зимой, максимальное количество, соответственно, летом – когда солнце высоко стоит над горизонтом. Использование солнечной энергии в качестве альтернативной является целесообразным. Нужно только помнить о том, что солнечные батареи не в состоянии обеспечить постоянное поступление энергии потребителю. И использование солнечных батарей лучше сочетать с использованием ветряков, к примеру.

       Распределение потенциала солнечного излучения по территории края изучено не достаточно подробно. Для оценок можно использовать расчетные данные по городу Барнаулу. Годовая продолжительность солнечного сияния в среднем составляет 1936 часов в год, это около 44% от максимально возможной на данной географической широте величины. Годовой приход суммарной радиации на горизонтальную площадку в среднем составляет 4.5 ГДж/м² [9].

       Использование солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления может осуществляться либо путем сооружения специальных установок, в которых теплоноситель нагревается и поступает в системы отопления, кондиционирования воздуха или горячего водоснабжения, либо изготовлением специальных элементов, встроенных в конструкцию здания (пассивное использование солнечной энергии). Самая крупная в Алтайском крае действующая коллекторная установка (площадь коллекторного поля – 70 м² ) обеспечивает нагрев горячей воды в системе горячего водоснабжения гостиницы «Барнаул» (рис. 3) [9]. Установка функционировала с мая по сентябрь. Двухлетний опыт эксплуатации этой установки показал, что потребление энергии на горячее водоснабжение у потребителя сократилась в два раза. Подобные солнечные коллекторные установки могут использоваться или в системах теплоснабжения автономных объектов или в качестве предварительных ступеней крупных источников тепла, работающих на тепловую сеть (так называемые «солнечные энергетические вставки» к традиционным источникам тепла).

       Весьма перспективно использование так называемых систем пассивного солнечного отопления. Менее известные у нас системы с прозрачной изоляцией, позволяющие эффективно использовать солнечное излучение для снижение потребности в отопительном тепле.

       Рисунок 3 Гостиница «Барнаул» [7]. 

       Установленные панели с прозрачной изоляцией на стены южных фасадов зданий позволяют получать приток тепла во внутрь помещений даже в зимние месяцы. Проведенные исследования показали, что пассивные системы могут замещать 30-40% отопительной нагрузки совместно с другими мероприятиями по энергосбережению в зданиях снижать в разы потребность в тепловой энергии, необходимой для отопления здания [7]. 
 
 
 

2.3 Геотермальная энергия 

       Геотермальная энергия — это энергия внутренних областей Земли. Известно, что на глубине более 3-5 м почва характеризуется относительно невысокой (8-12°С), но незначительно изменяющейся температурой, что позволяет рассматривать ее как эффективный источник низкопотенциального тепла [1]. Гидрологические характеристики территории Алтайского края благоприятны для использования в системах отопления и горячего водоснабжения низкотемпературного тепла поверхностных слоев Земли. При низкой плотности заселения территории, характерной для сельских поселков, этот ресурс практически неисчерпаем.

       Рассмотрены две технологии использования этого  источника тепловой энергии:

       • использование теплонасосных систем отопления с вертикальными грунтовыми теплообменниками закрытого типа (рис. 4);

       • применение грунтовых теплообменников  предкондиционеров в системах вентиляции (рис. 5).

       Анализ  факторов, влияющих на теплообмен в  верхних слоях почвы показал, что в условиях Западной Сибири эти  технологии достаточны энергетически  эффективны. 

       Рисунок 4 Теплонасосные системы отопления с вертикальными грунтовыми теплообменниками закрытого тип [1]. 

       Теплонасосная система может передать в систему  теплоснабжения здания до трех кВт/ч тепловой энергии на 1 кВт/ч электрической энергии, затраченной приводом компрессора теплового насоса [1].

       Рисунок 5 Грунтовые теплообменники предкондиционеров в системах вентиляции [1]. 

       Грунтовый теплообменник, встроенный в систему  вентиляции может передать до 20 кВтч тепловой энергии на каждый кВт/ч электрической энергии, затраченной вентилятором [1]. 
 

2.4 Биогазовая энергетика: Перспективы Алтайского края 

       Биотопливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород).

       Развитое  сельскохозяйственное производство и, в частности, животноводство, лесозаготовки  являются источниками значительного количества биомассы, пригодной для получения в местах потребления дешевого экологически чистого топлива.

       Алтайский край обладает огромными возможностями по развитию генерации энергии на газовом топливе.

       Отходы  Агро-Промышленного Комплекса (АПК), которые необходимо утилизировать, сами по себе являются существенным энергетическим ресурсом, так как с разной степенью эффективности возможно получение биогаза почти из всех видов сельскохозяйственных отходов. Таким образом, развитие биогазовой энергетики – это не только возможное решение проблемы отходов, но и еще решение энергетических проблем сельского хозяйства (см. приложение) [10].

       В количественном выражении, суммарный  энергетический потенциал отходов  АПК РФ достигает 81 млн. тонн условного топлива (т.у.т.) (рис. 6, 7) [10]. Если весь биогаз будет перерабатываться на специальных (когенерационных) установках, это позволит на 23% обеспечить суммарные потребности экономики в электроэнергии, на 15% – в тепловой энергии и на 14% – в природном газе или же полностью обеспечить сельские районы доступом к природному газу и тепловой мощности [10]. 

       Рисунок 6 Схема энергетического потенциала отходов [10]. 

       Рисунок 7 Схемы потенциала биогаза по замещению традиционных источников энергии [10]. 

       Биогазовая энергетика – это еще источник дешевых комплексных органических удобрений, которые образуются как субпродукт при производстве биогаза. Например, ежедневный органический потенциал переработки навоза единицы крупнорогатого скота (КРС) составляет 0,25 кг азота, 0,13 кг оксида фосфора, 0,3 кг оксида калия и 0,25 оксида кальция и сравним с 1 кг комплексных удобрений [10]. В целом для сельского хозяйства такие дешевые и доступные удобрения – это интенсификация производства и повышение конкурентоспособности отечественной продукции. Для фермера – независимость от конъюнктуры закупочных цен на рынке минеральных удобрений и большие урожаи.

       Биогазовые установки позволяют получить биогаз и органические удобрения из органических отходов (эту роль выполняет биореактор), а по качеству и эффективности использования биогаз не уступает природному газу (рис. 8). Биогаз получаемый, из органических отходов производства, позволяет снизить себестоимость продукции, а собственные газопоршневые электростанции (в основе которых лежат газопоршневые установки), использующие для своей работы биогаз вместо привычного природного газа, обеспечивают производство электроэнергией и теплом. Таким образом, выбирая альтернативные источники энергии, предприятие получает экономию средств и независимость от внешних обстоятельств.