СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В МИРЕ И В РОССИИ

04-06 декабря 2012 г., г. Ярославль
СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ
ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
В МИРЕ И В РОССИИ
Д.т.н., проф. Попель О.С.
Председатель Научного совета РАН по нетрадиционным возобновляемым источникам энергии
Руководитель Лаборатории возобновляемых источников энергии и энергосбережения ОИВТ РАН
Тел./факс: (495) 484-23-74, [email protected],
http://olegpopel.blogspot.com
Объединенный институт высоких температур РАН
Рост ВВП прямо связан с удельным энергопотреблением!
До 1970-х годов: 1% роста энергопотребления
Сейчас:
1% роста энергопотребления
1% роста ВВП
0,3-0,5% роста ВВП
ПРИЧИНА – ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ!
Индекс развития человеческого потенциала (ИРЧП) - учитывает продолжительность
жизни, образовательный уровень, ВВП на душу населения, жизненные стандарты и
т.п. (> 0,9 – очень высокий, 0,8-0,9 – высокий, 0,5-0,8 – средний, < 0,5 – низкий)
В начале ХХI века мировое
потребление энергии превысило
12 млрд. т н.э./год. По прогнозам
к 2020 г. энергопотребление
возрастет более чем в полтора
раза, в первую очередь, за счет
развивающихся стран.
Изменение населения развитых и
развивающихся стран
ПРОБЛЕМА:
как обеспечить энергией
растущие потребности
человечества?
Экспортеры и импортеры
энергоресурсов
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В
МИРЕ
Средние годовые темпы роста мощности энергоустановок на
ВИЭ и производства биотоплив
в 2006–2011 гг.
Рост инвестиций в развитие
нетрадиционных ВИЭ
В 2011 году суммарная установленная мощность энергоустановок на
нетрадиционных ВИЭ достигла 390 ГВт и превысила суммарную мощность
действующих в 32 странах мира 439 ядерных энергетических реакторов,
равную 370 ГВт !
Вклад возобновляемых
источников энергии в
мировое производство
электроэнергии (2011 г.)
Вклад традиционных и нетрадиционных ВИЭ в
глобальное потребление энергии (2010 г.)
Достигнутые в 2005 и в 2010 гг. показатели по вкладу ВИЭ в конечное
потребление энергии в странах ЕС и цели на 2020 г.
Особенности энергетики России
Cуммарное производство ТЭР в России превысило
1800 млн т у.т., а внутреннее потребление – 1000 млн т
у.т., экспорт – около 900 млн т у.т.
Россия – крупнейший экспортер энергоресурсов!
Из всей добываемой в России нефти почти 80%
экспортируется!
Нефтегазовый комплекс страны обеспечивает около
17% российского ВВП и около 50% доходов
консолидированного бюджета страны!
Россия занимает лидирующее место в мире по
запасам традиционных ТЭР:
1 место по природному газу (23% мировых запасов);
2 место по запасам угля ( 19% мировых запасов);
5-7 место по запасам нефти (4-5% мировых запасов);
Уран – 8% мировой добычи природного урана
Баланс энергоресурсов России
Интегрально с международными обязательствами по
экологии тоже все более менее благополучно!
Казалось бы все прекрасно и удивительно
– зачем России нужны какие-то ВИЭ?
Сокращение выбросов парниковых газов в России
(РКИК ООН; McKinsey)
Централизованное и автономное энергоснабжение на территории России
Неэлектрифицировано
Аргументы в обоснование необходимости расширения
масштабов использования ВИЭ
1. 2/3 территории страны - вне сетей централизованного энергоснабжения (население
около 20 млн чел., районы с наиболее высокими ценами и тарифами на топливо и
энергию (более 25 руб./кВтч));
2. Более 50% регионов страны энергодефицитны (завоз топлива, импорт э/э) – задача
повышения региональной энергетической безопасности;
3. Газифицировано около 50% населенных пунктов (в сельской местности – менее 35%);
4. Котельные на угле и жидком топливе – локальные загрязнители окружающей среды.
5. Автономная энергетика развивается опережающими темпами – ввод до 2011 г
дизельных и бензогенераторов единичной мощностью до 100 кВт превышал ввод
крупных электростанций! Этот спрос желательно стремиться удовлетворять за счет НВИЭ.
1. Распределенная и автономная энергетика – приоритетная ниша экономически
эффективного практического использования ВИЭ в России. В этой нише ВИЭ не
конкурируют, а взаимовыгодно дополняют централизованную энергетику,
обеспечивая синергетический эффект
2. Государственная политика должна учитывать данный факт и стимулировать
развитие НВИЭ прежде всего в этой сфере;
3. В этой сфере есть шанс занять лидирующие технологические позиции в мире.
Суммарная среднедневная
солнечная радиация на наклонную
поверхность южной ориентации с
углом наклона равным широте
местности (год)
Среднегодовые скорости ветра
на высоте 50 м
НПЦ «Недра», Е.П. Кудрявцев
Пример: многообразие первичных источников биоэнергетического сырья
Пример: многообразие технологий энергетической переработки биомассы
Переэтерификация
Развитие НВИЭ в России – важный фактор модернизации экономики
- развитие инновационных производств;
- новые инновационные технологии;
- развитие малого и среднего бизнеса;
- новые рабочие места;
- улучшение социальных условий;
- улучшение экологии и т.п.
Государство должно быть заинтересованным в развитии НВИЭ и активно содействовать
развитию этого нового направления в энергетике, прежде всего путем создания
стимулов для бизнеса!
Участие государства в развитии НВИЭ – не благотворительность за счет
налогоплательщика, а «государственный бизнес». Каждый затраченный бюджетный
рубль должен стать «окупаемым», может и должен приносить прибыль в бюджет!
Это становится реальным, когда интересы государства и бизнеса совпадают и оба
партнера получают прибыль.
НЕДАВНО ВЫШЕДШИЕ
ПУБЛИКАЦИИ
Заказ: Издательский дом
«Интеллект»
Тел. (495)579-96-45;
E-mail: [email protected]
Пер. с англ. под редакцией
С.П. Малышенко, О.С. Попеля
Сайт: http://gis-vie.ru)
ПРИМЕР:
АВТОНОМНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НАРУЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
Автономные системы освещения находят все более широкое применение в различных секторах экономики.
- улично-дорожное освещение;
- различные светосигнальные знаки (дорожные, речные, морские, ж/д, газопроводы и т.п.).
Развитие технологий эффективного использования ВИЭ, прежде всего, фотоэлектрических преобразователей, ВЭУ,
современных накопителей энергии и систем оптимального автоматического управления ими открывает широкие
возможности для практического применения автономных энергоустановок на ВИЭ.
Важным обстоятельством, благоприятным для использования ВИЭ, стало появление высокоэффективных (до 120
Лм/Вт) светодиодных осветительных приборов, резко снижающих энергопотребление и соответственно требуемую
мощность и стоимость автономных энергоустановок
Ключевая задача разработчиков автономных систем энергоснабжения:
Оптимизация конфигурации и состава энергоустановок на ВИЭ с учетом
реальных климатических условий эксплуатации и графиков нагрузки с
обеспечением гарантированности энергоснабжения потребителя.
Рассмотрим результаты оптимизации фотоэлектрических систем наружного
освещения на основе динамического моделирования таких систем в различных
климатических условиях эксплуатации (г. Москва и юг ЕЧ России)
Москва
Принципиальная схема
Махачкала
Дневные суммы поступающего солнечного излучения в соответствии с типичным
метеогодом для г. Москвы и Махачкалы
Постановка задачи
Численное значение
Параметр
Численное значение
Потребляемая электрическая мощность
100 Вт
Число часов электропитания
от 1 до 18 часов после
заката
КПД ФЭП, ηФЭП
14%
КПД аккумулирования
энергии, ηАК
0,8
Коэффициент саморазряда
аккумуляторной батареи, к
0,001 ч-1
Угол наклона ФЭП к
горизонту
от 35° до 75°
Параметр
Удельная стоимость ФЭП и АБ в расчетах варьировалась в диапазонах 200…500 $/м2 и 250…1500
$/кВтч. Приведенные результаты оптимизационных расчетов относятся к сФЭП= 500 $/м2 и
сАБ=250 $/кВтч. Принятая удельная стоимость ФЭП соответствует примерно 3,5 $/Втпик
Месячные и годовой коэффициенты покрытия заданной нагрузки рассчитываются по соотношениям:
n
12
i
j
j
мес
мес
j
i 1
j 1
,
м ес
n
год


 t
 t
i 1
i
н


n 
365
где t i – реальная продолжительность работы ОП в i-е сутки j-ого месяца после заката Солнца, ч,
tнi – требуемая продолжительность работы ОП в i-е сутки j-ого месяца (соответственно в зависимости от
рассматриваемого варианта от 1 до 18 часов после заката Солнца),
njмес – количество дней в соответствующем месяце.
В предположении, что наиболее дорогими компонентами энергоустановки являются ФЭП и АБ, стоимость всей
установки С можно оценить по соотношению:
где – площадь ФЭП,
м2 ,
а – полная емкость АБ, кВтч.
C  cФЭП  FФЭП  сАК  Е АБ
Сопт -?
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТОВЫХ РАСЧЕТОВ
Месячная доля покрытия нагрузки в зависимости от месяца года при различной требуемой суточной
продолжительности работы ОП мощностью 100 Вт (г. Москва)
Путем перебора параметров решить оптимизационную задачу поиска
оптимального состава установки, обеспечивающего заданное значение
годового показателя гарантированности энергопитания потребителя при
минимальной стоимости установки, невозможно.
РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИОННОЙ ЗАДАЧИ (Москва)
(сФЭП=500 $/м2, сАБ = 250 $/кВтч)
РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИОННОЙ ЗАДАЧИ
(Махачкала)
(сФЭП=500 $/м2, сАБ = 250 $/кВтч)
Выводы
1.
Несмотря на значительное различие в поступлении солнечной энергии в летнее и в зимнее время создание
полностью автономной системы гарантированного электропитания системы освещения на базе
фотоэлектрических преобразователей принципиально возможно как для юга России, так и для Москвы.
Однако стоимость такой системы относительно высока и существенно зависит от графика работы
осветительного прибора (продолжительности работы в течение суток, прежде всего, в зимнее время). В
связи с бόльшим поступлением солнечного излучения в зимнее время на юге России стоимость системы
автономного электропитания существенно снижается. В климатических условиях Махачкалы минимальная
стоимость системы одинакового функционального назначения примерно в 3 раза ниже, чем для
московских условий.
2. Зависимость стоимости оптимально сконфигурированной системы (соотношение между площадью ФЭП и
емкостью аккумуляторной батареи) от требуемой продолжительности освещения близка к линейной.
Показатель гарантированности круглогодичного электропитания близкий к единице может быть
обеспечен при емкости аккумуляторной батареи рассчитанной в условиях Москвы примерно на 10, а в
условиях Махачкалы на 5 суток независимой от поступления солнечной энергии работы на заданную
осветительную нагрузку.
3. Хотя в данной работе рассмотрены автономные фотоэлектрические установки относительно малой
мощности, ориентированные на системы уличного освещения, полученные результаты могут быть в
определенной мере распространены и на более крупные системы энергоснабжения с использованием
масштабного фактора.
4. При относительно высокой стоимости автономные фотоэлектрические системы освещения могут найти
практическое применение в городском хозяйстве, прежде всего, в тех случаях, если прокладка кабеля для
питания системы освещения от электрической сети затруднена или затраты на это соизмеримы с затратами
на автономную установку. Создание фотоэлектрической системы освещения может быть целесообразным
и в случае необходимости обеспечения автономной работы осветительных приборов без риска отключения
при авариях в централизованной системе электроснабжения.
http://www.geogr.msu.ru - Видео лекций и материалы VIII Всероссийской
школы молодых ученых «Возобновляемые источники энергии»