«Наука в Сибири» № 1-2 (2537-2538) 13 января 2006 г. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕТРАДИЦИОННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Из доклада чл.-корр. РАН  Н. Воропая (соавторы: к.т.н. А. Кейко, д.т.н. А. Клер, д.т.н. В. Стенников, Институт систем энергетики СО РАН, г. Иркутск). Настоящий доклад посвящен технико-экономическим проблемам использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ). В чем здесь вопрос? Во-первых, имеется множество технических разработок. Необходимо понять, насколько они конкурентоспособны в реальной экономической ситуации и определить, какие условия должны быть созданы для их внедрения. К числу этих условий относится и наличие возможности включения нетрадиционных энергетических установок в систему. Во-вторых, при организации работы нетрадиционных источников в системах централизованного энергоснабжения возникает ряд технических проблем. Для понимания данного вопроса приведем свою классификацию традиционной и нетрадиционной энергетики. Традиционная энергетика — это тепловые электростанции (ТЭС), гидроэлектростанции, атомные электростанции и дизельные установки, прежде всего, для изолированных потребителей (особенности изолированных потребителей будут представлены в следующем докладе). Нетрадиционная энергетика: миниэлектрогазотурбинные, газопоршневые установки на разных видах топлива, комбинированные установки для производства разных видов энергоносителей. К последним относятся установки по производству метанола и электроэнергии, водорода и электроэнергии. Возобновляемые источники — это широкий класс энергоисточников. Здесь перечислены далеко не все. К ним же относятся малые электротеплоэнергетические технологии, термоядерные установки, которые могут быть не только малыми, но и большими. Каковы же факторы, которые стимулируют использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и в целом нетрадиционной энергетики? Это влияние рыночных условий, появление новых высокоэффективных энергетических технологий, ужесточение экологических требований, а также энергоснабжение изолированных потребителей, которое может рассматриваться как отдельное направление. Технико-экономические проблемы внедрения Сравнение традиционных дизельных газопоршневых электростанций с газопоршневыми электростанциями, работающими на основе газификации древесной щепы или угля, показывает, что капитальные затраты на сооружение новых установок с газификацией твердого топлива почти в два раза выше. В то же время следует обратить внимание на то, что затраты на дизельное топливо достаточно велики. Они существенно выше, чем стоимость топлива на новых установках. В результате стоимость электроэнергии становится незначительно, но все же ниже, и эти установки уже обеспечивают себе конкурентные условия на энергетическом рынке. Срок окупаемости газопоршневых установок на основе газификации угля и древесной щепы определяется ценой электроэнергии, получаемой на замещаемых дизельных электростанциях, в основном зависящей от стоимости дизельного топлива. Чем выше цена дизельного топлива, тем короче срок окупаемости. Очень часто он становится весьма приемлемой величиной. Газотурбинная ТЭЦ (ГТУ-ТЭЦ) — это достаточно новое направление в энергетике России. В настоящее время имеются реальные возможности внедрения этих установок. Минигазотурбинные установки, мини-ТЭЦ эффективны для замены небольших котельных, располагаемых в городах и поселках городского типа. Исследования, выполненные для Астраханской, Томской, Пермской, Иркутской и других областей показали, что даже при действующих экономических условиях ожидаемый ввод будет значительным, а если задействовать экономическое стимулирование внедрения таких установок, то этот ввод может быть существенно увеличен. Достаточно большой потенциал ввода минигазотурбинных ТЭЦ (около 8 ГВт) сосредоточен в таких экономических районах России, как Центр, Сибирь и Урал. Всего по России на уровне 2020 г. предполагаемый ввод минигазотурбинных станций может превысить 10 ГВт. Это составляет порядка 5% от суммарной установленной мощности электростанций. При надлежащем экономическом стимулировании этот объем может существенно возрасти. Еще одна перспективная установка сочетает комбинированное производство синтетического топлива и электроэнергии. Основными блоками этой установки являются блок производства синтез-газа, блок получения синтетического топлива и энергетический блок для выработки электроэнергии. Возможны три варианта таких энерготехнологических установок, предназначенных для синтеза диметилэфира, синтеза метанола и получения водорода. При дальнейшем росте цен на нефть и снижении стоимости производства синтетических видов топлива они станут вполне конкурентоспособными с традиционным природным моторным топливом. Установка для производства водорода имеет относительно хорошие технико-экономические показатели (энергетический КПД, суммарные капиталовложения и годовой отпуск электроэнергии). Вместе с тем, надо иметь в виду, что водород как моторное топливо технически сложно использовать, поэтому могут быть определенные ограничения по его практическому применению. Тепловые насосы все активнее занимают свою нишу на рынке тепловой энергии, но их зачастую бывает не очень выгодно использовать в пиковом режиме. В связи с этим они, как правило, несут базовую нагрузку, а пиковую нагрузку обеспечивает традиционный источник. Остановимся на одной из комбинированных установок, которая включает тепловой насос и пиковый источник тепла. Сопоставление традиционной газовой котельной и комбинированной установки с тепловым насосом показывает, что традиционная газовая котельная при низких ценах на топливо оказывается более экономичной, но, как только цена на газ достигает 50 долл. за тонну условного топлива и выше, комплексная технологическая установка становится намного экономичнее и реальность ее применения возрастает. Мы проводили оценки использования теплонасосных установок (ТНУ) в разных вариантах комплектации комплексных источников тепла. Исследования проводились для системы теплоснабжения г.Слюдянка в Иркутской области. Рассматривалось несколько вариантов: первый вариант — это действующая котельная на угле. Следующие три соответствуют разным соотношениям использования электроэнергии на цели теплоснабжения: тепловой насос и пиковая электрокотельная; тепловой насос и котельная на жидком топливе; электрокотельная. Вариант ТНУ с котельной на жидком топливе оказался для данного случая наиболее эффективным и конкурентоспособным с экономической точки зрения. Схемы присоединения ТНУ и рабочая среда могут различаться в зависимости от условий применения. В качестве рабочей среды может использоваться система рассол — вода. Здесь с помощью специального коллектора рассол отбирает тепло грунта, которое затем применяется в системе теплоснабжения дома. В другой установке аналогичная система вода — вода действует на основе применения тепла грунтовых вод. Во всем мире наблюдается устойчивая тенденция роста установленной мощности ветроэнергетических установок. В настоящее время она достигает порядка 47 ГВт. По единичным мощностям также наметился очень существенный прогресс. Так, в 2000 г. единичная мощность установки составляла 6000 Вт, в 2005 г. она уже была равной 4,5 МВт (очень крупная установка, реально работающая в Германии). Механизмы стимулирования Прогноз использования возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии в России, включая малые ГЭС, оценивается в пределах 2 % на уровне 2020 г. Это, к сожалению, небольшая величина. Доля возобновляемых источников энергии во внутреннем потреблении топливно-энергетических ресурсов (исключая дрова) — чуть больше 4 %, но это тоже, в общем-то, не очень большая величина. В направлении повышения роли данных установок в энергетике есть над чем работать. Во многом проблема здесь заключается в отсутствии реальных стимулов для внедрения возобновляемых источников энергии. В мире сложилась определенная система стимулирования использования возобновляемых источников энергии. Это, как правило, экономические стимулы. Они могут быть как прямыми, так и косвенными — в виде субсидий и кредитов с низкими процентными ставками, а также государственных гарантий по банковским ссудам. Нередко на энергию, вырабатываемую возобновляемыми источниками, устанавливаются фиксированные закупочные цены, а ее производство освобождается от части налога на прибыль и т.д. Примером может служить ветроустановка на 50 единиц по 1,5 МВт каждая, изготавливаемая в Германии. Началом ее строительства был объявлен 2005 г. До нас не дошла последняя информация о его начале, но точно известно, что правительство пошло по пути создания стимулов реализации этого проекта. Здесь практически был использован перечисленный выше набор стимулов для успешного внедрения возобновляемых источников. Работа в системе и проблема управления режимами Теперь о технических проблемах включения нетрадиционных источников в энергетическую систему. В основном эта проблема существует в электроэнергетике. В меньшей мере она проявляется в системах теплоснабжения, поэтому рассмотрим только электроэнергетические системы. Безусловно, работа НВИЭ в системе имеет положительные результаты. Происходит разгрузка основной и распределительных электрических сетей, что ведет к снижению энергетических потерь, повышается устойчивость и надежность системы, высвобождаются пропускные способности линий электропередачи. НВИЭ получили название источников распределенной генерации, поскольку они относятся к установкам малой мощности и подключаются к распределительной сети или непосредственно к потребителю. Данные установки являются относительно новыми объектами с новыми, присущими только им свойствами. В частности, отметим требование по регулированию мощности для ветроэнергетических установок. Вследствие нестационарного режима их работы, могут возникать проблемы регулирования, устойчивости и живучести электроэнергетических систем. Некоторые такие случаи имели место в Германии, когда при шквальном ветре ветроустановки с традиционными лопастями останавливались. При этом происходило их массовое отключение, последствия чего могут быть очень серьезными. Малые газотурбинные установки являются постоянным комбинированным источником энергии со специфическими характеристиками систем регулирования, что создает определенные проблемы для их включения в общую систему регулирования. Во многом вновь возникающие проблемы обусловлены тем, что диспетчер энергосистемы не может управлять режимом работы данных установок. В этом заключается специфичность ситуации. Режим работы крупных электростанций контролирует диспетчер энергосистемы, а здесь это ему неподконтрольно, поскольку каждый потребитель самостоятельно может включать-выключать установку, изменять нагрузку в любой момент. В настоящее время специалистами прорабатывается концепция виртуальной электростанции, представляющей набор малых газотурбинных установок в некотором районе. Концепция строится на принципе диспетчерского управления отдельными ГТУ по интернету. Неоднозначно влияние малых станций на качество электроэнергии. В этом имеются как плюсы, так и минусы. Такие малые установки, с одной стороны, обеспечивают стабильный уровень напряжения, с другой стороны, может возникать так называемый фликкер-эффект, т.е. незатухающие быстрые колебания напряжения. При наличии преобразователей в системе могут возникать проблемы высших гармоник в электрической сети. При отсутствии преобразователей данные установки играют положительную роль. В то же время, может происходить увеличение токов короткого замыкания, усложняется диспетчерское управление, растет сложность систем защиты и противоаварийного управления. Все эти проблемы в настоящее время находятся в стадии решения. Ветроэлектрические установки генерируют инфразвук. Для его устранения разработаны технические предложения, которые снимают данную проблему. Три вывода В порядке заключения, во-первых, следует отметить, что в настоящее время имеется целый ряд факторов, стимулирующих развитие нетрадиционной энергетики. К их числу относятся наличие новых технологий и оборудования, экологические ограничения, рыночные механизмы и некоторые другие. Во-вторых, возобновляемые и нетрадиционные источники энергии занимают важное место в энергетике России. Расширение области их использования и внедрения требует организации целенаправленной государственной поддержки и стимулирования. И последнее. Широкое применение нетрадиционной энергетики, особенно источников распределенной генерации, в том числе на возобновляемых энергоресурсах, существенно изменяет свойства систем энергетики и создает определенные технические проблемы, которые не являются неразрешимыми, но требуют специальных усилий. На их решение должны направляться соответствующие финансовые средства. стр. 8