Роль и место ВИЭ в развитии глобальной энергетики
advertisement
VIII Международная научно-техническая конференция «Возобновляемая и малая энергетика – 2011» РОЛЬ И МЕСТО ВИЭ В РАЗВИТИИ ГЛОБАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Д. С. Стребков, академик РАСХН, В.В.Харченко, доктор технических наук, профессор Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства. viesh@dol.ru Москва 7-8 июня 2011г. Введение Вероятный сценарий развития глобальной энергетики удобно рассматривать в контексте с современным уровнем развития энергетических технологий, а также с учетом темпов развития технологий возобновляемой энергетики. Немаловажную роль при этом будут играть -вероятный сценарий развития мировой экономики в целом и -векторы развития демографических процессов. Суммарное потребление энергии Е в мире с 1850 г. по настоящее время приблизительно пропорционально квадрату численности населения N и к 2100 г. возрастет в 100 раз Изменение N 1850 г - 1,13 млрд.- 2100 г -11 млрд. Потребляемая мощность 1850 г.- 0,69 ; 2100 - до 60 ТВт. При суммарной мощности 13,2 ТВт (1990) в среднем мощность на одного человека составляла 2,5 кВт. • • • • Развитие мировой энергетики на долгий период будет обусловлен решением ряда глобальных проблем: что предпринять в связи с изменением климата и глобальным потеплением; где найти энергоресурсы, которые распределены крайне неравномерно и истощаются; как сохранить стабильность в мире и обеспечить устойчивое развитие при наличии рисков, связанных с изменением климата и недостатком энергоресурсов; как обеспечить энергетическую безопасность каждой страны и глобальную безопасность в целом. Указанные проблемы в значительной степени определяют направление развития глобальной энергетики. Значительное влияние на будущую энергетическую политику будут оказывать нижеследующие факторы: • Замена нефтепродуктов и природного газа на жидкое и газообразное биотопливо, а ископаемого твердого топлива на использование энергетических плантаций биомассы. • Замена автомобильных двигателей внутреннего сгорания на бесконтактный высокочастотный резонансный электрический транспорт. • Замена воздушных линий электропередач на подземные и подводные кабельные линии. • Использование новых технологий передачи значительных массивов электроэнергии на значительные расстояния для объединения крупных электрических станций (преимущественно солнечных) в крупные региональные энергосистемы, а также для создания глобальной энергосистемы. Будущая энергетическая стратегия будет включать следующие основные тенденции: • Создание глобальной энергетической системы • Развитие распределенного производства энергии, совмещенного с локальными потребителями энергии. Решение этих глобальных задач будет основываться на широкомасштабном использовании возобновляемых источников энергии Глобальная энергетическая система будет формироваться в значительной степени за счет создания и интеграции крупных солнечных (а также ветровых) электростанций, Развитие мощностей по распределенному производству энергии для локальных потребителей будет основано на широком использовании всего спектра возобновляемых источников энергии. . Глобальная энергетическая система энергоснабжения Земли. Сегодня продолжается развитие концепции создания глобальной системы энергоснабжения Земли путем последовательного укрупнения существующих и создаваемых вновь региональных энергетических систем с последующей их интеграцией в единую энергосистему. • В 1975 г. Р. Букминстер Фуллер предложил соединить региональные энергосистемы в Единую энергетическую систему Земли. • Эту проблему активно развивает и пропагандирует Институт глобальной энергетической сети GENI (GLOBAL ENERGY NETWORK INSTITUTE), зарегистрированный в Калифорнии (США) • Президент GENI Петер Мейсен в период участия в работе Международного солнечного конгресса в Москве в 1997г. сделал доклад по данной проблеме во ВНИИ электрификации сельского хозяйства, в котором озвучил эту идеологию. На первом этапе прогнозируется создание ряда трансконтинентальных систем, объединяющих транспортные и энергетические потоки и совмещающие волноводные кабельные линии, магистральные линии связи, трассы железной дороги и автомобильные магистрали. Обсуждается создание трансконтинентальных энергетических маршрутов С Запада на Восток: Лиссабон –Владивосток С Юга на Север: Австралия, Индонезия, Таиланд, Вьетнам – Китай - Берингов пролив – Аляска – Канада – Америка. По Великому Шелковому пути: ИндияАфганистан – Киргизстан – Таджикистан – Узбекистан – Туркменистан – Казахстан -Север Западной Сибири. По линии Кейптаун – Осло: через Восточную Африку, Арабские страны, Турцию, страны Черного моря, страны Восточной Европы и Скандинавии. Меридиональные энергетические линии соединят страны -Западной Африки, Средиземноморья, Западной Европы, Англию и Ирландию. -Южной и Северной Америки. Экваториальная энергетическая линия в зоне от 0° до 30° северной широты соединит страны Азии, Африки и Латинской Америки. Экваториальная энергетическая линия, а также широтная энергетическая линия Лиссабон – Владивосток будет замкнута через Тихий и Атлантический океан, Северную и Центральную Америку. Сеть меридиональных и широтных энергетических линий образуют Объединенную Энергетическую Систему Земли. Задел для реализации вышеуказанныхкрупномасштабных проектов создан уже сегодня. Разрабатываются объединенные энергосистемы 10 южноамериканских стран и арабских государств, Балтийское и Черноморское энергетическое кольцо, линия электропередач Сибирь – Китай. Созданы объединенные энергосистемы России и стран СНГ, а также США и Канады, скандинавских и европейских стран. Пути создания Глобальной энергетической системы. Для создания Глобальной энергетической системы необходимо решить две задачи: а-Создание широкой сети генерирующих центров большой мощности б-Разработка и практическая реализация эффективных технологий передачи электроэнергии на большие расстояния для обеспечения перетоков энергии в глобальной системе. В настоящее время все большее число стран активно строят крупные солнечные станции (СЭС). Солнечные электростанции, первоначально активно создавались в США Теперь они получают широкое распространение по всему миру. Солнечная электростанция в США, 1980 Весьма активно крупные СЭС создаются в КНР. Презентация компании КНР Ningxia Yinxing Energy Co Ltd в ВИЭСХ СЭС в Китайской народной республике а-станция 3 МВт; б-станция 20 МВт • Однако СЭС невозможно использовать в качестве основной составляющей региональной энергосистемы, поскольку для сглаживания периодических и стохастических процессов, влияющих на выходную мощность солнечных батарей, необходимы мощные буферные накопители энергии.. • Установленная мощность солнечных электростанций в пиковом режиме работы энергосистемы не должна превышать 10 – 15 % от общей установленной мощности электростанций региональной энергосистемы. • Тогда колебания мощности солнечных электростанций не оказывают заметного влияния на качество электроснабжения. • Создание мировой или, по крайней мере, межрегиональной солнечной энергосистемы позволит минимизировать или исключить суточную и сезонную неравномерность выработки электроэнергии и обеспечить круглосуточное и круглогодичное надежное, экологически безопасное электроснабжение потребителей. • Возможность обеспечить эффективные и без существенных потерь перетоки больших массивов электроэнергии на далекие расстояния практически снимает это ограничение. Вторая задача-создание эффективных средств передачи массивов энергии на значительные расстояния • Работы по созданию эффективных технологий передачи больших массивов электроэнергии на большие расстояния достаточно активно реализуются в ряде научных центров: Сибирском энергетическом институте, Санкт-Петербургском государственном техническом университете, ВЭИ, а также в научных центрах ABB, Сименс и других компаний. • Использование резонансного метода передачи электрической энергии открывает широкие возможности в развитии глобальных энергетических систем. • На основе резонансных методов передачи энергии могут быть созданы однопроводниковые волноводные кабельные линии с согласующими и преобразующими устройствами, которые соединят производителей и потребителей энергии в каждой стране в мировую энергетическую систему. • Резонансные технологии, будучи внедренные в практику в полном объеме, позволят передавать потоки электроэнергии мощностью несколько ТВт на расстояния в десятки тысяч километров. Распределение по поверхности Земли потенциальных ресурсов ВИЭ носит неравномерный характер. Ниже приведены данные по солнечной радиации. Из рассмотрения предыдущего слайда видно, что ряд стран (преимущественно развивающихся) по сравнению со странами Европы и Северной Америки имеют существенно более высокий потенциал солнечной энергии. Уже в обозримом будущем они смогут использовать сезонное изменение солнечной энергии и в зимние месяцы продавать электроэнергию, полученную от солнечных электростанций, в Северные страны, где солнечная энергия имеется в сравнительно достаточном количестве только с марта по сентябрь. • Для передачи энергии с Юга на Север необходимо организовать линии передач электроэнергии в меридиональном направлении. • Перетоки электроэнергии в широтном направлении Запад – Восток дают возможность использовать суточное изменение солнечной энергии, связанное с вращением Земли вокруг своей оси. Анализ потенциальных возможностей глобальных энергетических систем различной конфигурации. • Солнечная энергетическая система будет состоять из солнечных электростанций и электростанций, использующих другие возобновляемые источники энергии. • Центры генерации соединятся между собой и с потребителями линиями передач таким образом, чтобы энергетическая система содержала базовые солнечные электростанции одинаковой мощности, которые устанавливаются в широтном направлении в Африке, в Северной Америке, Европе и Азии на заданном угловом расстоянии друг от друга по долготе. • В ВИЭСХ проведена работа по оценке выработки глобальных солнечных энергосистем различных конфигураций солнечных станций регионального и глобального масштабов. • Ниже приведены графики выработки электроэнергии некоторыми из них. • . График суточных изменений производства электроэнергии солнечной энергосистемы Россия – Беларусь График суточных изменений выработки электроэнергии Афро-Евразийской солнечной энергосистемы, состоящей из двух солнечных электростанций на Чукотке в России (1,5 ТВт) и в Мавритании (1,0 ТВт) со слежением вокруг полярной оси Глобальная солнечная энергетическая система из трех солнечных электростанций мощностью 2,5 ТВт, площадью 190Х190 км2. (На карте Мексики в масштабе показаны размеры солнечной электростанции) Станции размещаются на территории пустынь. Среднемесячное производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой, 17817, 6 ТВт·ч Ежегодное потребление электричества в Мире - 13810 ТВт·ч (2001) • Базовые солнечные электростанции блочно-модульного типа могут ежегодно увеличивать свою мощность на 100-300 ГВт. • Начало функционирования глобальной солнечной энергетической системы прогнозируется в 2050 г., выход на полную мощность в 2090 г. • В результате реализации такого проекта доля солнечной энергетики в мировом производстве электроэнергии возрастет до 75-90%. • Размещение солнечных электростанций энергосистемы по обе стороны от экватора позволяет исключить сезонные колебания выработки электроэнергии. • Наблюдение за облачным покровом в окрестностях солнечных электростанций с помощью геостационарных спутников позволит прогнозировать уровень выходной мощности и, при необходимости, определять момент начала подготовки к запуску тех или иных резервных мощностей.. • Такая система позволяет полностью отказаться или свести к минимуму необходимость использования буферных накопителей мгновенного действия. . • • • • • • • Требуемый уровень развития солнечной энергетики Для того чтобы конкурировать с топливной энергетикой, солнечной энергетике необходимо выйти на следующие показатели: КПД солнечных электростанций должен быть не менее 25%. Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет. Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной электростанции не должна превышать 2000 долл. Объем производства солнечных электростанций должен быть 100 ГВт в год. Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать 1 млн. т в год при цене не более 25 долл./кг. Непрерывное производство в течение суток электрической энергии в солнечной энергосистеме различными ее компонентами. Материалы и технологии производства солнечных элементов и модулей должны быть экологически чистыми и безопасными. Распределенное производство энергии. • Это направление развития глобальной энергетики будет по-прежнему активно разрабатываться, поскольку это один из важнейших факторов повышения энергетической безопасности таких стран, как Россия. • Более 50% регионов страны энергодефицитны. Более 2/3 территории РФ не охвачено централизованным электроснабжением, а на значительной ее части отсутствуют вообще какие либо источники энергии. • Организация децентрализованного энергоснабжения является жизненной необходимостью для населения (20 млн), проживающего на огромных пространствах страны, и мощным стимулом для вовлечения этих территорий в хозяйственную деятельность. Централизованное и автономное энергоснабжение на территории России Источник: Попель О.С. Презентация 25 октября 2010 г., ИМЭМО РАН, Москва • Автономное энергоснабжение – это та ниша, где использование возобновляемых источников энергии уже сегодня экономически оправдано. • Важным условием развития распределенного производства энергии и энергоснабжения локальных потребителей это рассредоточенное строительство когенерационных электростанций малой мощности 30 кВт – 3МВт с использованием имеющихся на местах возобновляемых энергоресурсов, замена всех угольных, мазутных и газовых котельных на когенерационные энергетические установки на базе ВИЭ. • По мере продвижения централизованного электроснабжения на пока еще не освоенные территории имеющиеся там автономные генерирующие мощности могут эксплуатироваться в параллельном с сетью режиме и при необходимости обмениваться с сетью энергетическими потоками. Создание и освоение эффективных технологий передачи на значительные расстояния мощных потоков электрической энергии открывает возможность создания космической энергетической системы Тогда для передачи электроэнергии в атмосфере Земли между источником и приемником достаточно будет сформировать проводящий канал с помощью лазера, например, ниодиемового. • По сформированному таким образом за счет ионизации воздуха проводящему каналу энергия будет передаваться с использованием резонансных технологий За пределами атмосферы в качестве проводящего канала можно использовать релятивистские пучки электронов высоких энергий, которые в отличие от лазерных пучков не обладают расходимостью. Если предварительно ускорить электрон в электрическом поле до энергии, значительно превышающей массу покоя, то такой электрон может пролететь на очень далекое расстояние без существенной потери энергии Дальнейшие исследования этих процессов позволят обосновать технологические параметры будущих систем передачи энергии в безвоздушном пространстве с целью объединения генерирующих мощностей на Земле и на околоземной орбите. Заключение • Интенсивное развитие инновационных технологий выработки электроэнергии и передачи ее на значительные расстояния позволит реализовать идею создания глобальной энергетической системы. • Такая система будет объединять крупные генерирующие мощности в различных зонах земной поверхности, на территориях не используемых в хозяйственной деятельности, но обладающих высоким потенциалом ВИЭ, а также созданные в околоземном пространстве солнечные электростанции. • Она позволит обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей как на Земле, так и в космическом пространстве и полностью покрывать постоянно растущие потребности человечества в энергии Одновременно будет поэтапно возрастать удельный вес ВИЭ в мировом энергетическом балансе. % 120 100 80 60 40 20 0 1700 1800 1900 2000 2100 2200 Годы Динамика изменения доли ВИЭ в мировом производстве и потреблении энергии Спасибо за внимание!
