УДК 662.997 Возобновляемая энергетика Узбекистана: состояние, ресурсы и перспективы Р.А. Ходжаев, Ю.Б. Собиров*, А.Ш. Ходжаев Институт материаловедения НПО «Физика-солнце» АН РУз, Узбекистан, 100084, г. Ташкент, ул. Чингиза Айтматова, 2Б тел.: (+998)-94-4081064; *e-mail: [email protected] Аннотация. Представлены результаты исследования состояния ресурсы и перспективы возобновляемой энергетики в Узбекистане. Исследование выполнено на основе критического анализа научных публикаций и интернет медиа. Показано что массовое внедрение солнечных установок возможно только при достижении ими конкурентно способности с традиционными энергетическими установками. Ключевые слова: возобновляемая энергетика, состояние, ресурсы, перспективы, концентраторы солнечной энергии, солнечные печи, солнечные электростанции. Renewable Energy in Uzbekistan: Status, Resources and Prospects R.A. Khodjaev, Yu.B. Sobirov, A.Sh. Khodjaev Material Sciences Institute of SPA “Physics-Sun” of Uzbekistan Academy of Sciences, Uzbekistan, 100084, Tashkent, str.Chingiz Aytmatov, 2B Tel.: (+998)-94-4081064; *e-mail: [email protected] Abstract. The results of a study of the state of resources and prospects for renewable energy in Uzbekistan are presented. The study is based on a critical analysis of scientific publications and online media. It is shown that the mass introduction of solar installations is possible only when they achieve competitive ability with traditional power plants. Keywords: renewable energy, condition, concentrators, solar furnaces, solar power plants. resources, prospects, solar energy Жизнь на Земле возникла благодаря сочетанию уникальных факторов. Это оптимальное удаление от Солнца, наличие в атмосфере кислорода, водорода, гелия и углерода. Благодаря этому начался фотосинтез. В процессе фотосинтеза концентрация кислорода начало повышаться. На земле появились растения - пища для живых существ, углерод, как основа всего живого и начался процесс трансформации энергии. Классификация возобновляемых источников энергии. От Солнца на Землю поступает лучистая энергия. Эта энергия образует топливную энергетику, гидроэнергетику, ветроэнергетику, фотоэлектрическую и термоэлектрическую энергетику, водородную энергетику. Отдельно стоят не зависящие от Солнца геотермальная энергетика и атомная энергетика. Топливная энергетика основана на углеводородах. Все началось с сжигания древесины и отходов жизнедеятельности животных, далее последовал торф, уголь, нефтепродукты, сланцы и газ. Фотосинтез естественное прямое преобразование лучистой энергии быстрорастущими растениями, из которых в настоящее время получают жидкое топливо. В наших условиях это гузапая и хлорелла. Гидроэнергетика использует кинетическую энергию воды преобразуя ее в электрическую с помощью турбин и генераторов. В приливной энергетике используется энергия приливов и отливов морей, образующихся при суточном изменения положения Луны относительно Земли. Фотоэлектрическая и термоэлектрическая энергетика - это прямое преобразование лучистой энергии Солнца и тепловой энергии в электрическую. Ветроэнергетика преобразует кинетическую энергию ветра в электрическую с помощью генераторов. Водородная энергетика использует самый распространенный во Вселенной элемент - водород. Этот газ не встречается в чистом виде. Водород получают электролизом воды и паровой конверсией угля и 1 метана. Геотермальная энергетика основана на тепле подземных недр в районах с активной вулканической деятельностью. Особняком стоит энергия вращения Земли, используемая при запуске космических аппаратов. Космодромы сооружают в экваториальной зоне Земли. В этом случае линейная скорость аппарата получает значительное приращение и масса груза, доставляемого на орбиту повышается на 35-40%. Таким образом, практически вся энергетика является возобновляемой. Исключение составляет атомная энергетика и геотермальная. Природные ресурсы – уголь, нефть, газ, торф и сланцы - это солнечная энергия, аккумулированная естественным образом [1]. Общие запасы энергоресурсов Узбекистана составляют 2,2 – 5,1 млрд. т, в том числе газ – 1476 млн. т, уголь – 639 – 2851 млн. т, нефть – 82 – 245 млн. т. В год вырабатывается 10 млн. кВт электроэнергии. Сооружаются и модернизируются тепловые электростанции на 500 МВт, строится атомная электростанция на 500 МВт [2]. Развивается и гидроэнергетика на Сардобинском водохранилище в 2020-22 годах будет сооружена ГЭС на 10,7 МВт. Проект стоимостью 21,3 миллион евро финансируется Россэксим Банком [3, 4]. Узбекистан в целом обеспечен природными энергоресурсами за исключением нефти и производит достаточно электроэнергии и уже сейчас экспортирует ее в Афганистан и Таджикистан. Современное потребление энергоресурсов и перспективы топливной энергетики Узбекистана основаны на производстве электроэнергии на тепловых электростанциях, работающие на газе, угле и нефтепродуктах. В том числе, природный газ 84,7%, нефтепродукты и газовый конденсат 12,9%, уголь 1,1% и ГЭС 13,1%. Солнечная, ветровая и малая гидроэнергетика весьма незначительны и в статистике не отражаются [5, 6]. Министерство энергетики Узбекистана в 2020 году добудет на 4 млрд. кубов газа больше, чем в 2019 году. Недостаточное развитие солнечной энергетики в Узбекистане объясняется экономическими причинами, главным образом низкой стоимостью электроэнергии, газа, угля и нефтепродуктов, которые производятся на государственных предприятиях и финансируются государственным бюджетом. В этих условиях использование солнечной энергии не рентабельно. Осуществляемые реформы по переводу экономики на рыночные принципы как показывает опыт таких развитых стран как Германия, Финляндия, Швеция, Турция и других приведёт к широкому освоению солнечной энергии. Ресурсы солнечной и ветровой энергии составляют 179,4 млн т.н.э. При этом 95,5% это солнечная энергия и в Узбекистане 250-270 дней в году солнечные [7,8]. В горных регионах республики максимальная плотность прямого солнечного потока достигает до 1100 Вт/м2. Солнечные лучи являются носителями высокопотенциальной энергии, так как видимая температура поверхности Солнца равна примерно 6000 К [9]. Именно с этим обстоятельством связаны наибольшие перспективы использования солнечной энергии. Повышение плотности лучистого потока, осуществляемое помощью оптических, как правило зеркальных, концентрирующих систем, позволяет перейти к более эффективным высокотемпературным рабочим процессам. В динамических преобразователях (турбинные установки, двигатели типа Стирлинг и д.р.) преобразование солнечной энергии происходит при высоких КПД (25-30% и более). Появляется возможность применения высокоэффективных термоэмиссионных и фотоэлектрических преобразователей. В солнечных печах возможно достижение температур более 3000 оС и проведение научных исследований, а также технологических процессов: получения тепловой, электрической а также разложением из воды на базе термолиза и электролиза синтеза молекулярного водорода как энергоносителя, лазерного излучения, обнаружения вторичных черенковских излучений от гамма источников ночного неба, а также синтеза высокотемпературных сверх чистых материалов в особенности композиционных материалов в составе которых имеются элементы с различными режимами температуры плавления, изучения воздействия лучистых потоков различной плотности и мощности на материалы и изделия новой техники [10]. Создание солнечных установок соизмеримых по мощности с традиционными промышленными установками например, ГЭС или ТЭС связано с неизбежностью увеличения размеров зеркальных поверхностей концентрирующих систем. Однако создание параболоидного зеркала диаметром более 3-4 метров на пример астрономического или прожекторного типа это трудоемкая работа, длительный и дорогой процесс и для массового применения в гелиотехнике экономический не выгоден. В гелиотехнике пошли по пути создания составных много зеркальных фацетных отражающих поверхностей [11]. Солнечные печи во Франции Мон-луи, Японии Сендае 2 и США Нейтик оснащены составными зеркалами - фацетами [12]. На этом же принципе построена и Большая Солнечная Печь (БСП) тепловой мощностью 1000 кВт в Паркенте [13]. Представляет интерес сравнительная таблица параметров солнечных печей Узбекистана и Франции [14 Акбаров сравн.]. Таблица 1 Сравнительные параметры БСП Узбекистана и Франции Table 1 Comparative parameters of BSF of Uzbekistan and France Узбекистан Франция Фокальная концентрация 11000 10000 Площадь, м2 2000 1923 Эффективный диаметр, м 50,46 49,5 Эффективность концентрации 0,197 0,179 Коэффициент отражения 0,7 0,7 Оптические системы солнечных электростанций башенного типа представляют собой зеркальные поля образованные десятками тысяч единичных отражателей -гелиостатов. Экспериментальные СЭС башенного типа построены в США и в Испании. Рис. 1. Солнечная башенная электростанция. Выходная мощность по электричеству 10 МВт (США, Калифорния) Fig.1. Solar power station. Power Output 10 MW (USA, California) 3 Рис. 2. В мире уже построены и эксплуатируются мощные десятки солнечных установок энергетического назначения. Fig. 2. Dozens of powerful solar power plants have already been built and are in operation in the world. Рис. 3. Параболоцилиндрическая электрическая станция мощностью 80 МВт (США, Калифорния). Fig. 3. Parabolic-cylindrical power station with a capacity of 80 MW (USA, California). Рис. 4. В мире в настоящее время до сих пор эксплуатируются уникальные только две установки меговатной мощности технологического назначения (БСП Франции и Узбекистана) Fig. 4. Currently, only two unique units of megawatt capacity for technological purposes (BSF of France and Uzbekistan) are still in operation in the world. 4 Рис. 5. Общий вид уникальной БСП меговатной мощности в Паркенте (Узбекистан) Fig. 5. General view of the unique BSF of megawatt capacity in Parkent (Uzbekistan) Созданы СЭС и на основе параболоцилиндрических зеркал, а также модульные. Однако все эти установки являются экспериментальными и уникальными. Производимая на них продукция - электроэнергия и например тугоплавкие материалы не рентабельны. Если говорить об электроэнергии то ее стоимость в несколько раз превышает энергию самой дорогой энергии -АЭС. В условиях Узбекистана стимулирование использования солнечной энергии с помощью дотаций или законов бессмысленно если централизованно поставляемая энергия будет дешевле, потребитель будет покупать ее. Министерство энергетики Узбекистана уже переходит к практическим шагам планируется установить 150 тыс. фото электрических установок по 2 кВт мощности в 33 сельских районах по целевому обеспечению электроэнергией [15]. Однако, это решение не является оптимальным. В рамках разработки и освоения инновационных технологий институт Материаловедения НПО «Физика-Солнце» АН РУз подготовил ряд проектов по возобновляемым источника энергии. Наиболее готовым к массовому внедрению является автономный энергокомплекс для сельских районов. Комплекс включает в себя солнечную фотоэлектрическую установку на 1 – 2 кВт и ветроэнергоустановку такой же мощности, систему солнечного горячего водоснабжения на базе плоских солнечных коллекторов. Кроме того, в комплекс входит микроГЭС на 1 – 2 кВт. Включение микроГЭС тем более важно, что сельские поселения располагаются вблизи каналов, арыков и водоемов. По данным экспертов ООН такие поселения находятся не далее от 16 км от источников воды. Отметим, что фотоэлектрические установки малой мощности выпускались в ФТИ АН РУз по целевым заказам. Системы горячего водоснабжения на базе плоских солнечных коллекторов производятся в республике и есть на рынке. МикроГЭС – это генераторы малой мощности производятся в Российской федерации и могут быть освоены в Узбекистане. Другими словами все системы такого энергокомплекса не требуют разработки и готовы к внедрению. Таким образом, мы имеем гарантированный независящий от климатических и погодных условий энергоснабжения отдельного сельского поселения или фермерского хозяйства. При этом отпадает необходимость централизованного энергообеспечения и кроме того экономится электроэнергия и другие топливные ресурсы – газ, уголь, дрова. Заключение. Результаты исследований показывают, что Узбекистан энергетически самодостаточен, кроме нефтепродуктов [16]. Это позволяет не только покрывать внутренние потребности в энергоресурсах, но и экспортировать значительные объемы газа и электроэнергии. Кроме того, продолжается модернизация топливных ТЭС и ГЭС с переходом на новые эффективные технологии. Строится атомная электростанция. Масштабное освоение солнечной энергии 5 возможно только при достижении конкурентности с традиционными энергоисточниками. В этом плане необходимо перейти к широкому освоению солнечных систем горячего водоснабжения и отопления. При строительстве производственных и жилых зданий следует предусмотреть системы солнечного горячего водоснабжения и отопления не только в сельской местности, но и в городах. Сооруженная в Паркенте БСП должна рассматриваться как исследовательская. На ней необходимо отрабатывать новые технологии использования солнечной энергии, например производство водорода, а также гибридные, где производятся не только водород, а также тепловая и электрическая энергия [17]. Кроме того, печь представляет собой инструмент для испытания материалов на лучевую стойкость и высокие температуры. Литература 1. В.И. Ляшков, С. Н. Кузьмин Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие для студентов теплоэнергетических специальностей ВУЗов. Тамбов издательство ТГТУ 2003 г. 2. Н.Р. Авезова, А.У. Вохидов, А.А. Фармонов, Н.Н. Далмурадова. Возобновляемая энергетика: вызовы и решения. // Гелиотехника 2019, том 55, № 1, С. 98 – 103 3. https://pv.uz/ru/news/oqmas-suvda-elektrostansiya 4. http://uaport.net/news/un/t/2004/22/25936055 5. К.Р. Аллаев. Перспективы развития энергобаланса мира и Узбекистана. // Проблемы энерго- и ресурсосбережения. 2018 г. №3-4. С.13-19. 6. Р.А. Захидов и др. Экологические, энергоресурсные аспекты устойчивого энергообеспечения в Узбекистане. Проблемы энерго- и ресурсосбережения. 2019 г. №3-4. С.265-272. 7. Sh.A. Fayziev and Yu.B. Sobirov. Measurements of Solar Resources in Uzbekistan. Applied Solar Energy, 2017, Vol. 1, pp. 57-60. 8. Shavkat Fayziev, Yuldash Sobirov, Sirojiddin Makhmudov. Measurement of the Direct Flux of Solar Radiation During Operation of a Big Solar Furnace // International Journal of Sustainable and Green Energy. 2018; 7(4): pp.21-28. DOI: 10.11648/j.ijrse.20180704.11. 9. Р.А. Захидов и др. Теория и расчет зеркальных концентрирующих систем. Ташкен: Фан, 1977. -С.144. 10. В.А. Баум. Солнечные высокотемпературные печи. Сборник переводов. Иностранная литература. 1960. -450 с. 11. Р.А.Захидов, А.Ш.Ходжаев. Анализ фацетных концентрирующих систем. Гелиотехника, 1977, № 2, С. 37-42 12. R.Yu.Akbarov, Sh.R. Nurmatov, Nicolas Beraud. Comparative analiz of the main characteristics of big solar furnaces in Parkent (Uzbekistan) and Odeillo (France). International Conference Solar Energy: Trends of Researchs and Developments. 20-21 December 2019. Tashkent, Uzbekistan. p.8. 13. А.А. Абдурахманов, Р.Х. Рахимов, М.А. Маматкосимов. Основные этапы разработки, создания зеркально-концентрирующих систем на примере Большой Солнечной Печи. // Computational nanotechnology. Т. 6, № 2, 2019 г. ISSN 2313-223X. DOI: 10.33693/2313-223y2019-6-2-151-156. С. 151-156. 14. Т.Т. Рискиев, А. Абдурахманов, М.А. Маматкосимов, Р.А. Ходжаев, Р.Ю. Акбаров, А.Ш. Ходжаев, А. В. Базаров Перспективы производства технического водорода на Большой солнечной печи. // Гелиотехника, № 4, 2003, - С. 54-61. 15. Р.А. Захидов, У.А. Таджиев, Е.И. Киселева. Тенденции развития сектора энергетики Узбекистана и проблемы энергетической, экологической безопасности. Сборник статей Международной научно-практической конференции «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность-2019». г. Севастополь, 2019. С.677-179. 6 16. Р.Х. Рахимов. Большая Солнечная Печь. // Computational nanotechnology. Т. 6, № 2, 2019 г. ISSN 2313-223X. DOI: 10.33693/2313-223y-2019-6-2-141-150. С. 141-150. 17. 7
