ветроэнергетики и биоэнергетики в мире

1. Малая гидроэнергетика

В последние 20 лет вновь возрос интерес, (особенно за рубежом), к развитию малых, мини- и микро-ГЭС на новом техническом уровне. Эти вопросы рассматривались на 2-й Европейской конференции по малым ГЭС в 1986г., по результатам которой были разработаны рекомендации по применению различных типов гидротурбин для ГЭС мощностью до 100 кВт. Многие зарубежные фирмы, например, австрийские «Элин» и «Кесслер», шведская «Скандия» и другие, выпускают комнатные микро-ГЭС, полностью монтируемые и испытуемые на заводе. Большое количество микро-ГЭС производится в Китае, где из работающих более чем 90 тыс. малых гидроагрегатов 60 тыс. имеют мощность менее 25 тыс. кВт. Оборудование для них стандартизовано и применяется, начиная с мощности 12 кВт.

В балансе выработки гидроэлектроэнергии часть малых ГЭС составляет: в Японии – 23%; в КНР – 18%; Чехии и Словакии – 13%; во Франции – 9%; в Австрии – 7%.

В Украине эта часть составляет на сегодня лишь 2%.

Условно можно выделить четыре этапа развития малой гидроэнергетики в Украине. Первый относится к ХIХ столетию, когда МГЭС строились для электрообеспечения отдельных предприятий и имений. Второй – этап массового строительства – приходится на 40-60 гг. ХХ столетия, когда было построено свыше тысячи МГЭС.

Третий этап (70-80 гг. ХХ столетия) характеризуется спадом малой гидроэнергетики, отсутствием внимания к ней со стороны государства. Сотни МГЭС были выведены из работы. В настоящее время – четвёртый этап, для которого характерны высокий уровень автоматизации работы МГЭС, высокоэффективное технологическое оборудование.

Одной из весомых причин, сдерживающих развитие малой энергетики, являются большие удельные капиталовложения на единицу мощности для МГЭС, выше, чем для ТЭС. Для их снижения в Украине, как и во всём мире, используют следующие мероприятия:

унификация оборудования, что особенно эффективно для нового строительства и достаточно сложно сделать для уже существующих и действующих МГЭС, оборудование которых находится ещё в удовлетворительном состоянии и требует лишь частичного ремонта;

типизация проектных решений, например, проектирование одинаковых МГЭС и размещение их в каскадах;

максимальная автоматизация, что весьма эффективно, так как затраты на содержание персонала станции для МГЭС составляют до 50% всех эксплуатационных затрат. С другой

стороны, приборы системы автоматизации и работы, связанные с их настройкой, пока ещё достаточно дороги.

Технически возможный потенциал малых рек Украины оценивается в 7,0 млрд. кВт• ч,

а экономически оправданный – 2,0 млрд кВт • ч.

В Украине вырабатывается сегодня около 250 млн. кВт • ч, а за счёт лишь реконструкции и технического переоснащения действующих МГЭС и восстановления недействующих этот показатель может достичь 472 млн. кВт • ч., (т.е. 24% от заявленного экономически оправданного потенциала). Общее количество сохранённых в Украине МГЭС, имеющих установленную мощность 100 кВт и более составляет (на май 2001 г.) 115, из них действующих – 47. Суммарная их мощность оценивается в 112 МВт.

По предварительным оценкам, потенциал новых МГЭС лишь в диапазоне 600 – 2000 кВт (как первая очередь), может составить 450-550 млн кВт • ч, а капитальные затраты на их строительство – 1400-1500 млн грн.

2. Ветроэнергетика

К началу 2000 г. суммарная установленная мощность ветровых электрических установок (ВЭУ) составила: в мире - 13250 МВт, в странах Европейского Содружества – 8959 МВт. (табл.). Среднегодовой темп роста мощностей превысил 40%

Таблица

Как видно из таблицы, темпы роста установленной мощности в ветроэнергетике в последние годы ХХ века составили около 40% и на порядок превышают темпы роста в традиционных областях энергетики ( ГЭС – на 1,6%; ТЭС – на 1,5%; АЭС – на 0,6% ). До 2020 г. мировой объём генерирования электроэнергии на ВЭС достигнет 10% и превысит при этом составляющую АЭС в мировом балансе генерирования электроэнергии, что даст возможность сократить выбросы СО₂ в атмосферу на 10 млрд.т. Лидером мирового производства и использования ВЭУ в Европе, где изготавливается приблизительно 75% и устанавливается приблизительно 70% всех ВЭУ, изготавливаемых в мире. Ведущие страны планируют до 2020 г. довести в национальных энергобалансах составляющую производства электроэнергии, полученной на ВЭС: Дания – до 50%; Германия – до 30%; США – до 24%; Китай – до 15%. При этом Дания ещё в 67 годах ХХ века приняла решение строить ВЭС вместо АЭС, а Германия планирует закрыть АЭС за счёт ВЭС до 2030 г.

Развитие ветроэнергетики характеризуется постоянным увеличением установленной мощности ВЭУ. Если на начало 80 годов ХХ века основу парка составляли машины мощностью 20-30 кВт, то уже в 1995 г. их мощность увеличилась до 500 – 6000 кВт. Сегодня ведущие фирмы мира ( “Vestas”, “Enercon”, “Nordex”, “Iacobs”, “Sudwind” ) изготавливают ВЭУ мегаваттного класса (1 –1,6 МВт). Одновременно с ростом единичной мощности ВЭУ увеличиваются и удельные (на 1 кВт установленной мощности) объёмы генерирования электроэнергии, которые на начало 80-х годов ХХ века для средней скорости ветра 6 м/c не превышали 500 кВт•ч/год, а на начало 2000 г. уже превысили 3000 кВт•ч/год.

Возрастание этого показателя достигнуто за счёт улучшения характеристик ВЭУ и использования высоких башен – до 80 м. С ростом объёмов производства снижается и важнейший технико-экономический показатель – стоимость 1 кВт установленной мощности. Если на начало 90-х годов ХХ века удельная стоимость ВЭУ составляла приблизительно 1200 долл за 1 кВт, то современные ВЭУ мощностью 500-600 кВт имеют удельную стоимость 600-800 долл за 1 кВт.

Комплексным показателем эффективности ветроэнергетики является цена электроэнергии, вырабатываемой ВЭС. За 20 лет этот показатель снизился в пять раз и приблизился к цене на традиционную электроэнергию.

Анализ динамики изменения цены электроэнергии, полученной за счёт использования различных источников энергии, показал, что сама цена электроэнергии, вырабатываемой на ВЭС, имеет стойкую тенденцию к снижению и в 2010 г. снизится до 2,5-3 цент/кВт•ч.

Анализ мировых тенденций развития ветроэнергетики даёт возможность сделать вывод, что этот экологически чистый и возобновляемый вид энергии в ближайшем будущем может стать одним из главных источников удовлетворения энергетических потребностей мирового сообщества.

3. Биомасса – реальный источник коммерческих топлив и энергии

В последние годы в опубликованных многочисленных глобальных энергетических сценариях прогнозируется, что вклад биомассы в производство энергии составит от 59 до 145• 10¹⁸ Дж к 2025 г. и от 94 до 280 •10¹⁸ Дж к 2050 г. Доля энергетической биомассы, которая будет в ХХI в. входить в общую энергетику, зависит от многих факторов, которые трудно предвидеть на данном этапе.

Зарубежный опыт использования биомассы для получения топлива и энергии

Биомасса является важным источником энергии для многих отраслей промышленности как в индустриальных, так и в развивающихся странах. Промышленное применение биомассы в индустриальных странах включает в себя: получение древесного угля, электричества, тепловой энергии в многоквартирных домах, коттеджах, виллах и дачах, малое промышленное применение, децентрализованное получение энергии. Например, во Франции в 1992 г. для этого было использовано около 22 млн м³ дров.

В странах Европейского Союза в среднем применение биомассы для энергетических нужд составляет ежегодно до 3% (180 • 10¹² кДж) общего энергобаланса, но их доля различна: так, в Австрии она равна 12, в Швеции – 18, в Финляндии – 23%

Прогнозируется, что к 2010 г. около 540 • 10 ¹² кДж (8,5%) общей энергии может быть получено из биомассы. В индустриальных странах это направление развивается более интенсивно.

В развивающихся странах биомасса является главным источником энергии для многих ремесленников и малых производств: хлебопечения, пивоварения, текстильной мануфактуры, производства табака, кофе, чая, копчёностей, кирпича и т.п. Например, в Азии около 20% регионов используют дрова в сельскохозяйственном производстве и при переработке сельхозпродуктов. Древесный уголь применяется при производстве железа, стали, цемента и т.д.

В Бразилии для тяжелой промышленности требуется ежегодно свыше 6 млн т древесного угля. Здесь для получения топлива и энергии эффективно используется багасса. Оценка энергетического потенциала остатков багассы после обеспечения всей энергии, необходимой для сахарного производства и получения этанола, составляет 6000 МВт. В 1995 г. имелось 12 заводов мощностью 114,8 МВт по производству спирта, использующих багассу. Несмотря на очевидную выгодность её энергетического использования, в Бразилии имеются проблемы, уменьшающие масштабы применения последней: ограничения на использование частного капитала для развития промышленного производства электроэнергии ; длительные сроки окупаемости оборудования, применяющего багассу; сезонность потребления багассы и трудности её хранения; сложности связывания национальных и региональных энергосетей в большинстве далёких районов; низкие тарифы на электроэнергию и необходимость правительственных субсидий.

В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 г., обеспечила поддержку проектов по производству энергии мощностью от 10 до 15 МВт в малых сельских общинах. Предусматривалось на период 1970-2000 гг. выполнить проекты установок общей мощностью 500 МВт. Проект включал в себя создание около 1600 систем газификации мощностью 16 МВт главным образом для получения электроэнергии в сельской местности. Для Индии потенциальные возможности использования багассы оцениваются в пределах 2800…5100 МВт.

В Китае к 2010 г. планируется создание станции мощностью 300 МВт по газификации багассы, соломы и опилок.

В США реализуются проекты: государственной электростанции на Гавайях (сжигание багассы в псевдоожиженном слое) мощностью 3…5 МВт и электростанции в штате Вермонт мощностью 45 МВт, работающей на древесной щепе.

Страны Европейского Союза (ЕС) также активно размещают системы газификации биомассы. В 1990 г. их мощность составляла 15 МВт, к 2000 г. планировалось довести эти мощности до 20…30 МВт, а к 2005 г. – до 50-80 МВт.

В ЕС активно совершенствуются энергоконвертирующие системы с учётом их экологической безопасности. В Австрии уже имеется около 100 местных временных топливных систем мощностью 1200 МВт. Различные системы газификации и газотурбинных комбинированных циклов мощностью 6 МВт электрических и 9 МВт тепловых уже созданы и создаются в Швеции (местечко Варнамо).Ежегодное использование биотоплива оценивается в 42• 10¹⁵ Дж.

В последние годы вновь повысился интерес к биотопливам, особенно к этиловому спирту. Ведущими странами по его производству и топливному использованию являются Бразилия и США.В меньших объёмах этанол для целей энергетики производят в Аргентине (220 Мл/год), Зимбабве (40), Кении (15…16), Малайзии (6 Мл/год). В ЕС опыты по применению биоэтанола в транспорте были проведены в Германии, Италии, Швеции и Франции.

Как отмечалось ранее, Бразильская программа по использованию этанола – наиболее масштабная в мире – начала действовать с 1975 г. В настоящее время Бразилия ежедневно замещает этанолом до 250 000 баррелей импортируемой нефти.В момент наивысшей реализации этой программы (конец 1980 г.) в Бразилии почти 5 млн автомашин использовали чистый этанол и 9 млн – его смесь (20..22%) с бензином (газохол). Поздгее повышение цен на сахар, высокие требования к чистоте этанола, а также неопределённое отношение правительства к этой программе привели к сокращению применения этанола. Если в 1989 г. количество автомашин, использующих этанол, составляло 7 млн, то к 1997 оно упало до нуля. Начиная с 1976 г., 140 млн м³ бензинового эквивалента было замещено этанолом, что оценивается в 50 млрд долларов.

На фоне резкого снижения использования этанола как топлива в Бразилии заметно растёт интерес к нему в США – втором мировом лидере по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. В 1994 г. его производство оценивалось в 5,3 млрд л (1,4 млрд галлонов США) и дополнительно строились новые предприятия по выпуску этанола в объёме 908 млн л (240 млн галлонов). Предусматривается дальнейшая экспансия, так как этанол входит в октановый рынок и как «чистое» топливо производится теперь в 21 штате; этанол-бензиновая смесь (газохол) составляет 10% топливного рынка США и используется более чем в 100 млн двигателей. Сотрудники General Energetic Council (GEC) полагают, что к 2005 г. около 5 млн автомобилей будут использовать нефтяное топливо.

Департамент энергетики США планирует изготовлять этанол из биогидролизатов (ферментное расщепление целлюлозы) древесины при стоимости 0,79 долл. за галлон (0,2 долл. за 1 л) в 2005 г. и 0,56 долл. за галлон (0,14 долл. за 1 л) в 2030 г., а также к 2005 г. увеличить его производство методом ферментативного гидролиза до 9 млрд л и к 2030г. довести его до 85 млрд л.

К другой группе жидких биотоплив, вызывающих коммерческий интерес в США. Канаде и ЕС, относится биодизельное топливо. В соответствии с изложенным используются четыре главные технические альтернативы:

создание смесей растительных масел с дизельным топливом для отопления;

очистка растительных масел для специальных дизельных двигателей;

трансэфиризация растительных масел для нормальных дизельных двигателей;

трансэфиризация растительных масел, смешанных с растительным топливом, для нормальных дизельных двигателей.

Широкомасштабное коммерческое производство биодизельного топлива из рапса уже начато: в Австрии оно составляет 3% общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс т/год; во Франции эти мощности составляют до 20 тыс /год; в Италии в ближайшие годы планируется создание мощности по производству биодизельного топлива в объёме 60 тыс/т год.

В США этой проблемой занимается специально созданный национальный биодизельный совет по коммерциализации и индустриализации биодизельного топлива. Планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и в малой индустрии.

Несмотря на увеличивающийся интерес к биодизельному топливу, его рынок пока ещё ограничен из-за высоких цен и требований к растительным пищевым маслам. Но этот вид топлива может играть важную роль в сельских районах развитых стран.

Среди биотехнологий, применяемых для производства топлив и энергии, важное место занимают биогазовые. Интенсивное их внедрение в развитых и развивающихся странах, повышение эффективности и рентабельности внесли значительные изменения в переориентировку этих технологий от только энергетических к экологическим и агрохимическим (производство удобрений), особенно при переработке разнообразных органических отходов. Очевидно, это является решающей альтернативой для получения биогаза.

В последние годы эти технологии были детально оценены в Дании, которая стала первой страной, успешно продемонстрировавшей коммерческие биогазовые заводы по переработке отходов животноводства и других сельскохозяйственных отходов для получения тепловой и электрической энергии.

Большие количества биогаза производятся главным образом при переработке твёрдых бытовых отходов городов: в США – эквивалентно 93• 10 ¹⁵ Дж, в Германии -

14 • 10 ¹⁵, Японии 6 • 10 ¹⁵, Швеции - 5• 10 ¹⁵ дЖ.

В конце 1995 в Китае около 5 млн семейных биогазовых реакторов (ферментеров) ежегодно производили около 1, млрд м³биогаза. Кроме этих систем, имеются 600 больших и средних биогазовых станций, использующих органические отходы от животноводства и птицеводства, винных заводов с общим объёмом 220 000 м³ и 24 000 биогазовых очистительных реакторов для обработки отходов городов; работают также около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3 • 10 ⁹ Вт•ч. Биогазовая продукция в Китае оценивается в 33 • 10 ¹⁵ Дж.

В Индии, как и в Китае, основной упор сделан на семейные и общинные биогазовые установки – в 1993 г. их было около 1 850 тыс. , однако они требуют первоначальных относительно высоких инвестиций и поэтому не всегда доступны индийским крестьянам. Только в тех случаях, когда нет других источников биомассы, биогаз становится важным источником энергии.

Основные положения национальной программы Индии по развитию биогазовых технологий включают в себя: снабжение чистой энергией для приготовления пищи; получение органических удобрений, обогащенных элементами химических удобрений; повышение уровня жизни крестьян; улучшение санитарно-гигиенических условий быта и работы. Политическая тенденция – поддерживать строительство биогазовых станций большой производительности.

Дания – мировой лидер в индустриальном производстве биогаза. Около 8% современного потребления энергии в этой стране приходится на возобновляемые источники энергии, и их доля, как ожидают, к 2035 г. увеличится до 35%. Наряду с другими возобновляемыми источниками энергии правительство Дании представляет налоговые льготы и для производителей биогаза, т.е. около 20% капитальных инвестиций для централизованного биогаза и 30% для индивидуальных станций или установок.

В течение последних 20 лет наибольшее внимание в этой стране уделялось строительству больших централизованных биогазовых заводов, которые занимаются переработкой отходов животноводства и птицеводства, создающих серьёзные экологические проблемы в некоторых районах. В 1996 г. в эксплуатации находилось 18 централизованных биогазовых заводов, способных ежегодно обрабабатывать 1,2 млн т биомассы (75% отходов животноводства и 25% других органических отходов), давая о 40 до 45 млн м³ биогаза, что эквивалентно 24 млн м³ природного газа (в среднем 37,5 м³ биогаза на 1 т отходов). Суммарная годовая энергетическая мощность биогаза Дании, получаемого из всех источников, в настоящее время составляет 2 • 10 ¹⁵ Дж; к 2000 го планируется дальнейшее увеличение его производства до 4 • 10¹⁵ Дж, а к 2005 г. – до 6• 10 ¹⁵ Дж.