Алинов М.Ш. Исполнительный директор Исследовательского центра устойчивого

Алинов М.Ш.
Исполнительный директор Исследовательского центра устойчивого
развития Казахского национального технического университета им.
К.И.Сатпаева, к.э.н.
Алинов М.Ш.
ПЕРСПЕКТИВЫ МОДЕЛИ КОМБИНИРОВАННОЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ
ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В УСЛОВИЯХ КАЗАХСТАНА
В соответствии со Стратегией «Казахстан -2050» и Концепцией
перехода РК
к «зеленой» экономике прогнозируется достаточно
оптимистичный сценарий развития альтернативных источников энергии –
доведение их доли до 50% от вырабатываемой энергии [1,2]. Однако, этот
важный показатель, несмотря на предпринимаемые за последние годы
усилия, остается незначительным и не превышает 1 %. Более углубленное
рассмотрение причин такого положения показывает: причина столь низкого
уровня внедрения ВИЭ лежит не столько в институтциальной,
экономической и инвестиционной областях, сколько в техникотехнологической, а точнее в технической связи энергии ветра, солнца, воды и
биомассы с естественными природно-климатическими и географическими
условиями, которые имеют значительные различия не только в пределах
одной страны, но и отдельных регионов и точечных территорий.
На обширной территории Казахстана расположены несколько
природно-климатических зон, где 58 % территории занимают пустыни и
полупустыни, 10 % - горные массивы. Каждая зона отличается
свойственными ей климатом, почвенными и природными ресурсами. В
равнинной части, с севера на юг последовательно, сменяются лесостепь,
степь, полупустыня и пустыня. Вместе с тем, в этих зонах, с запада на восток,
изменяется почвенный и растительный покров. Это объясняется усилением в
этом направлении континентальности климата. В высокогорных районах
республики смена зон происходит в зависимости от высоты. На севере
республики преобладают степные и лесостепные зоны. В результате
очевидно, эффективное использование энергетических ресурсов воды, ветра,
солнца и биомассы определяется от связанных между собой факторов
географической широты, рельефа, почвы, тепла и влаги, которые и
определяют суммарную величину солнечной активности, силы и постоянства
ветра, объемы и направлений водных потоков, качества биоресурсов.
Ограничения и преграды использования ВИЭ
В большинстве случаев при существующих научно-аналитических
оценках указываются параметры характеризующие абсолютные показатели
потенциала того или иного вида возобновляемой энергии при их идеальных
условиях использования. При этом не учитываются природно-климатические
факторы не позволяющие получать максимальный технический эффект от
этих природных энергетических ресурсов.
Солнечная энергетика. Расположение
республики
Казахстан
(между 40° и 55°22" с.ш.), представляет республику экономически
выгодной для использования солнечной энергии. В Казахстане суммарный
потенциал
оценивается
примерно в 1300 – 1800кВтч\ м² год.
Продолжительность солнечного сияния составляет в течение года более 2600
часов при средней мощности излучения в сутки 554 - 677 Вт/ м.
Рис.1. Карта солнечной активности Казахстана
(рис.1). Однако наиболее благоприятные климатические условия для
использования солнечной энергии сосредоточены только в южных районах.
Лучшие показатели приходятся на летний период, например, в наиболее
солнечном месяце - июле - количество энергии, приходящейся на 1 кв. м.
горизонтальной поверхности составляет в среднем от 6,4 до 7,5 кВт/ч в день.
Кроме того, поступление солнечной энергии ограничивается длительностью
светового дня. Другим сдерживающим фактором является низкий
коэффициент полезного действия (КПД) и высокая стоимость
фотоэлектрических приборов (ФЭП) при существенных преимуществах
солнечных генераторов по сравнению с другими источниками энергии.
Крупным недостатком существующих преобразователей солнечной энергии
в электрическую является не способность переработки тепловых излучений,
что снижает коэффициент полезного действия, ухудшает условия их работы,
уменьшает срок службы и, в конечном счете, препятствует развитию
гелиоэнергетики.
Ветровая энергетика. Потенциал ветровой энергии Казахстана по
оценкам составляет около 1820 млрд. кВтч в год и распространен на
значительной территории страны. Однако, анализ природно-климатических
условий РК показывает, что только на 2 - 3% территории среднегодовая
скорость ветра составляет более 5 м/с (рис.2). Следовательно, на большей
части Казахстана (90 - 95 % территории) невыгодно использование ВЭУ, для
которых необходима рабочая скорость ветра 12 - 15 м/с.
Рис. 2. Ветровой Атлас РК.
Кроме того, ни существующий ветровой Атлас, ни другие источники не
предоставляют данных, показывающие изменчивость направлений ветра в
зависимости от местоположения и территории. Детальные ветровые
измерения полученные с помощью метеомачт высотой 30-50 метров в
рамках проекта ПРООН были выполнены в Джунгарских воротах и
Шелекском коридоре, где среднегодовая скорость ветра составляет
порядка 7,5м/с и 5,8 м/с на высоте 10м с потенциалами 525 Вт/м2 и
240 Вт/м2, соответственно, а в последствии еще на восьми площадках
на территории Казахстана.
На наиболее распространенных современных ветростанциях с
горизонтальной осью вращения преобразование
кинетической
энергии
ветра варьируется в пределах от 10 до 30 %, а механическая энергия
пропеллерных станций преобразуется в электрическую с КПД 50-69%. Более
инновационные ветроэлектростанции
(ВРТБ)
с
вертикально
расположенным валом генератора, демонстрирует КПД на уровне 90-94
%. Однако какими бы ни были высокоэффективными сами ВЭУ в
техническом отношении, итоговая эффективность зависит от природных
параметров энергии: силы, постоянства и направления ветра и др., которые
как раз имеют непредсказуемо дискретный характер. Таким образом, для
большей части нашей страны (80 - 85 % территории) целесообразно и
эффективно использование ВЭУ в комбинации с другими источниками ВИЭ.
Гидроэнергетика.
Суммарный
гидропотенциал
Казахстана
теоретически составляет порядка 170 млрд. кВт/ч в год, из которых
экономически эффективно может вырабатываться 23,5 млрд. кВт/ч. Однако в
силу особенностей технологии производства гидроэнергии пригодными для
применения остаются водные ресурсы, расположенные в горных и
возвышенных
рельефах.
Основные
гидроэнергетические
ресурсы
сосредоточены в Восточном и Юго-Восточном регионах республики. Из
общей величины экономического гидропотенциала на малые ГЭС
приходится около 7,5 млрд. кВт/ч, из них используется на действующих ГЭС
- 0,36 млрд. кВт/ч, что составляет около 5 %. К числу негативных факторов
гидроресурсов относятся масштабные экологические последствия, связанные
с затоплением огромных территорий, а также деградация экосистем в руслах
рек, связанных с зарегулированием попусков водных потоков плотин ГЭС. В
свою очередь уровень водотоков в водохранилищах ГЭС напрямую связна с
климатическими процессами таяния ледников и формирования водоистоков,
большая часть расположены на территориях сопредельных государств.
Биоэнергетика. В Казахстане стабильным источником биомассы для
производства энергии могут являться наиболее распространенные отходы
сельскохозяйственного производства, а также отходы производства и
потребления. По примерным оценкам, годовой выход животноводческих и
птицеводческих отходов по сухому весу составляет 22,1 млн. тонн, или 8,6
млрд. куб. м газа, растительных остатков – 17,7 млн. тонн (пшеница – 12 млн.
тонн, ячмень – 6 млн. тонн или 8,9 млрд. куб. м), что эквивалентно 14-15 млн.
тонн условного топлива, или 12,4 млн. тонн мазута. За счет их переработки
может быть получено около 2 млн. тонн условного топлива в год биогаза.
Теоретически переработка такого объема газа в электрогазогенераторах
позволит получать ежегодно до 35 млрд. кВт/ч электрической энергии
(половину всего энергопотребления, при потребности для сельского
хозяйства 19 млрд. кВт/ч) и одновременно 44 млн. Гкал тепловой энергии.
Реальное использование твердых бытовых отходов в качестве
получения биогаза ограничено тем, что в массивах бытовых отходов
населенных пунктов в настоящее время не
налажена
современная
технология сбора, сортировки и переработки отходов. По этой технической
причине нет возможностей масштабного применения биогаза на основе
ТБО для энергетических целей. Однако получение биомассы за счет
сельскохозяйственных продуктов и ТБО может иметь, куда большее
распространение в территориальном плане, поскольку эти источники
биотоплива распространены практических во всех регионах и насланных
пунктах республики. Поэтому, мы сочли целесообразным биогазовый
генератор включить в состав предлагаемых комбинированных источников
энергии как одного из основных агрегатов ВИЭ.
Проблема аккумулирования энергии от ВИЭ.
Другой реальной
проблемой
в использовании ВИЭ является система аккумулирования,
позволяющая перераспределение получаемой от них энергии во времени,
накопление излишков энергии в периоды максимума прихода ВИЭ и отдача в
периоды минимумов. Аккумулирующая система (АС) является частью
системы энергоснабжения, она должна работать как в нормальных
режимах - заряда, хранения, разряда, так и аварийных, т.е. при резких
колебаниях нагрузки,
качаниях
и
отключениях
генерирующих
мощностей и т.д. В аварийных режимах АС должна достаточно быстро
выдавать или потреблять требуемое количество энергии и обладать
достаточной маневренностью и аварийной емкостью для демпфирования
колебаний
нагрузки.
Как вытекает отсюда, эффективность КЭС ВИЭ
напрямую зависит от выбора типа и эффективности АС для обеспечения
согласования производства и потребления энергии от ВИЭ, то есть
использования накопителей энергии. Наиболее распространенными в
настоящий период на практике признаны
аккумуляторные батареи.
Современные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы
имеют удельные характеристики на уровне 30-50 Втч/кг, их саморазряд
составляет 0.01-0.02% в сутки, ресурс достигает 1000 - 1500 циклов.
Основными
производителями
герметизированных
свинцовокислотных аккумуляторов
являются
зарубежные фирмы:
VARTA
(Германия), YUASA (Япония), CSB Battery (США) и др.
Существует второй вариант - АС на основе использования
электрохимических устройств
с накоплением энергии в водороде.
Водородное накопление энергии, напротив, целесообразно использовать,
когда потребитель расположен в местах с наиболее высоким фактором
сезонной неравномерности по приходу солнечной радиационного питания
нагрузки. Кроме того, водород может быть использован потребителем для
покрытия тепловой нагрузки (водородные каталитический обогреватель и
плита).
•
топлива.
Рассматриваемая нами
комплексная
(КЭС) ВИЭ (рис.3) включает следующи
энергетическая
система
Модуль комбинированной энергетической системы
В условиях Казахстана, где в результате перехода к рыночной
экономической системе подавляющее большинство крупных производств в
различных отраслях были подвергнуты либерализации и разукрупнению. В
результате, сформировалось огромное количество средних и мелких
объектов в производстве, бизнесе и сфере услуг, домохозяйствах,
социальном секторе и т.д. Например, в сельском хозяйстве вместо 2 000
крупных сельскохозяйственных предприятий организованы более 60 000
мелких фермерских хозяйств, что привело к разрушению системы
централизованного электроснабжения и в сельской местности, где проживает
43% всего населения страны. Для существующих централизованных
поставщиков электроэнергии экономически не выгодно снабжать
электроэнергией отдаленные хозяйства, полустанки и разъезды железных
дорог, населенные пункты, расположенные в труднодоступных местах,
небольшие фермы, стоянки чабанов, кэмпинги и т.д. Конечная
цена
электроэнергии, которая складывающаяся из
цены электроэнергии на
оптовом рынке, стоимости
транспортированию
электричества
и
технических потерь в сетях,
а
также маржи энергоснабжающих
организаций,
оказываются
недоступными
для
отдаленных
энергопотребителей.
Таким образом, высокая потребность в КЭС ВЭУ
Казахстана обуславливают следующие предпосылки:
в условиях
•
острейший дефицит и дороговизна электроэнергии, особенно для
сельской части общества, составляющей более 50 % [6];
•
большая территория и низкая плотность населения вызывает
необходимость создания локальных источников энергии, поскольку зачастую
экономически неоправданно строительство линий электропередачи;
•
автономность и мобильность использования, небольшая
стоимость, доступная мелким фермерским хозяйствам, отдельным объектам
бизнеса, домохозяйства;
•
универсальность применения
КЭС, заключающаяся в
комбинировании различных видов энергии (солнечной, ветряной,
биогазовой) для выработки электрической и тепловой энергии;
снижение и ликвидация выбросов в окружающую среду, свойственных
углеводородным видам энергетического е функциональные элементы:
 Ветрогенератор (ВЭС);
 Солнечную фотоэлектрическую установку для генерация
электрической энергии (СФС);
 Гидроэлектростанция (ГЭС);
 Комбинированный генератор для выработки электроэнергии из
биогаза (метан) и дизельного топлива (БГДС);
 Аккумуляторные батареи для хранения выработанной энергии
и обеспечения потребителя электроэнергией;
 Блок автоматического системы управления
обеспечения
функционирования станции, контроля заряда, автоматики;
 Инвертор - прибор для преобразования постоянного тока,
вырабатываемого КЭС, в переменный с возможностью выдачи
электроэнергии в сеть.
В нашем случае, выбранный
состав оборудования КЭС ВИЭ
предусмотрен как для функционирования в системе централизованной
электросети, так и в режиме полной автономной выработки электрической и
тепловой энергии. В рассматриваемой структурной схеме солнечная
фотоэлектрическая
и
ветровая энергоустановки в качестве основных
производителей энергии совместно подключены к контроллеру заряда
Рис. 3. Структурная схема системы автономного электроснабжения
аккумуляторных батарей. Конструкция контроллера позволяет передавать
вырабатываемые СФЭУ и ВЭУ мощности непосредственно на инвертор,
минуя АКБ. В случае избытка или недостатка в системе вырабатываемой
мощности контроллер осуществляет заряд или разряд аккумуляторных
батарей. Обеспечение потребителя электроэнергией заданного качества
осуществляется с помощью инвертора. Так как в рассматриваемой
системе основными источниками электроэнергии являются солнечная и
ветровая электроустановки, характер вырабатываемой ими мощности
отличается значительной неравномерностью, которая в большинстве случаев
сглаживается
наличием
в
системе
аккумуляторных
батарей.
Избыток
энергии контролируется блоком автоматики, который от
инвертора автоматически подключает внешнюю сеть для компенсации
потерь во внешней слабой сети. Третий дополнительный генератор на
биогазе и дизельном топливе предусмотрен как резервный источник
электроэнергии 220 v для подзарядки аккумуляторов, а также выработки
дополнительной электроэнергии в режиме газогенератора. В совокупности
предлагаемая компоновка КЭС ВИЭ предназначена для бесперебойного
электро- и теплоснабжения потребителей с учетом погодно-климатических,
географических и суточных пиковых колебаний возобновляемых источников
энергии. При этом дифференцированное использование солнечных, ветровых
и биологических источников
энергии в процессе эксплуатации даст
возможность оптимизировать затраты и достичь минимальной стоимости
кВт/ч электроэнергии на конкретном объекте.
КЭС ВИЭ может работать синхронно с местными источниками
электрической энергии
(внешняя
сеть,
дизель-генератор). Система
автоматики позволяет добиться полностью бесперебойного питания
потребителя при продолжительном отсутствии источников энергии (ветер,
солнце). Если дом, ферма или хозяйство подключены к общей системе
энергообеспечения, то в ветреные дни излишек энергии можно продавать
электросетям. В случаях отсутствия и незначительной солнечной
активности (электроэнергии от КЭС
недостаточно
для
полного
обеспечения электричеством потребителя), питание потребителя будет
осуществляться от резервного биогазового генератора, если и этого
недостаточно, то
от дизель-генератора, переключение режимов
осуществляется автоматически (АВР). Окончательный набор установок и
оборудования может варьироваться в зависимости от географического
расположения и потребляемой мощности объекта, а также от параметров
солнечной, ветровой и гидроэнергии на месте. Рекомендуемая мощность
одного КЭС ВИЭ для автономного электроснабжения удаленных объектов до
10 кВт.
В качестве перспективной модели в условиях Казахстана можно
рассматривать комплексную энергетическую систему, построенную на
основе ветровой роторной турбины Болотова (ВРТБ) в комбинации с
солнечной
фотоэлектрической
энергоустановкой
совместно
подключенных к контроллеру заряда аккумуляторных батарей [5]. В
результате использования уникального решения системы ротор-статор, а
также эффективного решения электрической схемы и генератора стало
возможным достижение КПД на уровне 39-42 %. Эксперты отмечают
высокую работоспособность конструкции windrotor ВРТБ при порывистых
и неоднородных по скорости ветровых потоках характерных для многих
регионов Казахстана, Средней Азии и России.
Расчет стоимости электрической энергии КЭС ВИЭ
В нашем случае при комбинированной системе с применением
различных источников ВИЭ стоимость электроэнергии также является
определяющим фактором. В результате потребления энергии от КЭС ВИЭ
суммарный уровень стоимости единицы электроэнергии и тепло энергии
должно быть равна, либо ниже, чем при использовании только одного из
видов ВИЭ. Именно в этом заключается
одно из
преимуществ
(экономических) предлагаемой комбинированной энергетической системы.
Для расчета стоимости генерируемой электрической энергии рекомендуется
использовать методику расчета приведенной стоимости энергии - LCOE.
Значение приведенной стоимости энергии – это минимальная цена, за
которую энергия, генерируемая в рамках проекта, должна быть продана для
достижения точки безубыточности, т.е. чистый дисконтированный доход
будет равен нулю.
Приведенная стоимость энергии рассчитывается как:
К t  Ot  Т t
t

1 r
t 1
LCOE 
( 1)
n
Эt

t
t 1 1  r 
где К t - капитальные затраты в год, тенге; Оt - расходы на техническое
обслуживание в год, тенге; Т t - затраты на топливо в год, тенге; Эt электрическая энергия, полученная за год, кВт; r - ставка дисконтирования,
%; n - срок эксплуатации схемы энергоснабжения, лет.
Для расчета приведенной стоимости электроэнергии были
использованы данные по четырем схемам комбинации энергетических
систем. Схема1- СФС + ВЭС; Схема 2 – СФС + БГДС; Схема 3 – ВЭС +
БГДС; Схема 4 - БГДС; Оценочные расчеты приведенной стоимости
электроэнергии, вырабатываемой за с использованием рассмотренных схем
энергоснабжения в сравнении с другими источниками показывают значения
в пределах 0,727 - 1,053 $/кВтч (132 – 187 тенге/кВтч) [3]. Очевидно, что
такой уровень стоимости электроэнергии для массового внедрения ВИЭ в
условиях Казахстан является неприемлемым. Поэтому для устранения этого
барьера в республике должны быть созданы соответствующие
институциональные и экономические стимулирующие механизмы. В
частности
в Казахстане уже принят закон "Об энергосбережении и
повышении энергоэффективности", в соответствии с которым в порядке
меры поддержки правительством одобрены тарифы на электроэнергию,
вырабатываемую ВИЭ: вырабатываемую ветровыми электростанциями 22,68 тенге за кВтч, для солнечных электростанций - 34, 61 тенге за кВтч, для
малых гидроэлектростанций - 16,71 тенге за кВтч и для биогазовых
установок - 32,23 тенге [4]. Кроме того, в целях поддержки отечественного
производителя фиксированный тариф на электроэнергию, вырабатываемую
солнечными электростанциями, использующими фотоэлектрические модули
на основе казахстанского кремния, определен в размере 70 тенге за кВтч.
Кроме того, физическим лицам, подключенным к энергосистеме,
предоставляются финансовая поддержка в виде выплаты 50% от стоимости
установки ВИЭ мощностью до 5 кВт. В перспективе будет расширяться
практика использования энергетического оборудования на основе
возобновляемых источников отечественного производства, которые по
стоимости будут значительно выгоднее зарубежных аналогов. Впервые в
Казахстане в 2013 году введён в эксплуатацию завод по производству
солнечных панелей «Astana Solar», проектная мощность завода - 217
тыс. панелей или 50 мегаватт ежегодно.
n

Литература:
1.
Назарбаев
Н.А.
Стратегия
«Казахстан-2050»
Новый
политический курс состоявшегося государства. Астана. 2013.
2.
О Концепции по переходу Республики Казахстан к «зеленой
экономике». – Астана, 13 мая 2013 мая №577.
3.
Кпау Зондже Раймонд. Исследование эффективности схем
энергоснабжения автономных потребителей на основе солнечной
фотоэлектрической станции и электрохимических накопителей
энергии.
Автореферат
диссертации.
«Национальный
исследовательский университет «МЭИ». Москва – 2014.
4.
Закона Республики Казахстан от 13 января 2012 года "Об
энергосбережении и повышении энергоэффективности".
5.
Болотов А.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники
электроэнергии: Учебное пособие АУЭС. Алматы, 2011.– 35 с.
6.
Концепция развития топливно-энергетического комплекса
Республики Казахстан до 2030 года //Постановление Правительства
Республики Казахстан от 28 июня 2014 года №724.
7.
Абыкаев Н.А. Устойчивое экономическое развитие и социальная
модернизация в Казахстане (опыт и перспективы). М.: Экономика,
2012.