Реалии возобновляемой энергетики

За последние несколько десятилетий возобновляемая энергетика получила широкое применение в мире. Импульсом послужил очередной ближневосточный кризис, когда одна из сторон резко подняла цену на нефть. Ответом послужило принятие администрацией США, как основного импортера нефти, специального решения по энергетической безопасности, где основополагающим является энергосбережение в совокупности с распределенной генерацией, законодательной, административной, финансовой поддержкой и максимальным использованием возобновляемых источников энергии. Это стало руководством к действию по обеспечению, в первую очередь, энергетической безопасности, что свелось к перестройке всей энергетической политики. Анализируя выполнение плана, можно уверенно говорить, что было принято политическое решение, вылившееся в ежегодные субсидии в разработку и поддержку новых технологий и решений в области возобновляемой энергетики, появление новых рабочих мест.

Возобновляемая энергетика стала доминирующей в развитых странах, этому уделяется большое внимание. Обеспечение энергетической безопасности страны и решение проблем, связанных с загрязнением окружающей среды возможно только в совокупности с рассмотрением вопросов использования источников возобновляемой энергии и энергосбережением. Каждая из 20-ти промышленно развитых стран разработала свою стратегию, опираясь на тот или иной преимущественный возобновляемый энергоресурс.

Так, в южных штатах США развивается солнечная энергетика, в северных — ветроэнергетика, в восточных — переработка древесных отходов. Для Великобритании характерно развитие ветроэнергетики с большой долей прибрежной акватории, что вполне объяснимо ввиду отсутствия больших свободных территорий. В Испании в приоритете солнечная энергетика. Германия, лидер Европы по освоению возобновляемой энергии, активно использует в больших объемах ветро-, гелиои биоэнергию. Страны Скандинавии приняли и успешно исполняют план, именуемый «зеленая деревня Европы». В рамках широкомасштабного развития возобновляемой энергетики комиссия Евросоюза приняла «План 20 : 20 : 20», который ставит задачу снизить выбросы углекислого газа на 20 % и довести долю возобновляемых энергоресурсов до 20 % к 2020 году. Подобные задачи решают и другие страны, среди которых выделяется Китай, вышедший на первое место в мире по количеству установленных мощностей ветроэнергетики и производству солнечных панелей.

Успеху внедрения возобновляемой энергетики служит также научно-технический прогресс в данной области. Налажен серийный выпуск ветрогенераторов мощностью 6 МВт с высотой башни 100 м, диаметром ротора 150 м, безредукторными установками с постоянными магнитами. Общий вес ветроэнергетической установки составляет 1000 тонн, гондолы — 300 и лопасти — 35 тонн. Группой европейских ученых университета города Делфт создана пилотная ветроустановка мощностью 10 МВт, разрабатывается проект ветрогенератора мощностью 20 МВт. Основной проблемой здесь является разработка новых материалов для лопастей ротора.

В области солнечной энергетики основные научно-технические проблемы связаны с использованием высокотемпературных концентраторов и солнечных электростанций башенного типа с центральным ресивером, где рабочим телом служат расплавы солей. На основе указанных технологий строятся солнечные электростанции в Испании мощностью 20 и 50 МВт, в штате Невада комплекс суммарной мощностью 1 ГВт, но наиболее впечатляющим является проект Desert, в рамках которого консорциум европейских энергетических компаний работает над созданием системы солнечных электростанций на территории государств Северной Африки и Ближнего Востока, откуда электроэнергия будет передаваться в Европу, что позволит обеспечить 15 % потребности континента в электроэнергии. Строительство первой станции мощностью 2 ГВт планируется начать на территории Туниса в 2014 году с завершением в 2016 году [1].

Не менее значительны планы в области биоэнергетики, в развитии которой сформировались направления, связанные с производством биотоплива, пеллет и биогаза. Первое связано с замещением моторного топлива для автомобильных двигателей с целью сокращения выбросов вредных веществ с выхлопными газами, вторые — с замещением ископаемого топлива в установках генерации энергии. Это направление активно развивается в США и Бразилии, которая планирует к 2020 году произвести 35 млрд литров биотоплива из сахарного тростника. Производство пеллет и биогаза на основе биомассы также поддерживают и другие страны, включая Германию. Технология производства пеллет из древесных отходов и 10 %-й ежегодный прирост потребности обеспечивает пеллетам, как сырью для совместного сжигания с основным топливом на угольных ТЭС, широкий рынок сбыта в энергетической отрасли, при одновременном сокращении выбросов парниковых газов и утилизации древесных отходов.

Отмечая позитивные стороны широкомасштабного вовлечения возобновляемых энергоресурсов в топливно-энергетический баланс, в первую очередь снижение выбросов вредных веществ, обращает внимание тот факт, что без государственной поддержки возобновляемая энергетика не в состоянии самостоятельно функционировать. Особенно это стало очевидным в условиях кризиса — ведущие страны пересматривают свою позицию. Так, в Германии только в 2012 году на производство электроэнергии с использованием ВИЭ выплачивалось € 17,6 млрд, при этом отдача оценивается в € 4,9 млрд, что противоречит рыночным принципам [2], а в соответствии с новыми положениями закона о возобновляемой энергетике отменяется компенсация для блочных ТЭЦ в 0,3 евроцента за кВт⋅ч, работающих на биогазе, что делает его неконкурентоспособным по отношению к природному газу [3]. Как отмечалось на конференции союза Bioenergy Decentral, 2012 год был неудачным для производства биогаза, количество строящихся и планируемых к строительству установок снизилось с 400 до 268. По сравнению с 2011 годом общая мощность строящихся установок составила 70 %, а новых — пущенных в эксплуатацию — 80 %. Прогноз на предстоящие годы неутешительный [4].

Отмечается новый подход к использованию биомассы в Германии. Так, Академия естествознания Leopoldina опубликовала исследования под заглавием «Биоэнергия — возможности и пределы», где призывает отказаться от выращивания растений для получения жидкого топлива и биогаза [5]. Также отмечается сокращение дотаций на 10 % для гелиоэнергетических установок, вырабатывающих электроэнергию, а на 16 % — для установок, сооружаемых на крышах [6].

В области тепловых насосов произошло четкое изменение инструмента широкого содействия на узкий, прикладной. Для присоединенных к сети ветрогенераторов малой мощности выплачивается субсидия 9 евроцентов за кВт⋅ч в первые пять лет эксплуатации с понижением в последующие годы 5 евроцентов за кВт⋅ч [7].

Правительство Испании постановило, что только крупные коммерческие производители солнечной электроэнергии получат субсидии в размере от 25 до 45 % от имевших место [8]. Итальянское правительство временно прекратило субсидирование использования возобновляемой энергии [9].

В Великобритании финансовый кризис привел к тому, что английские парламентарии обратились с открытым письмом к правительству, где требуют сокращения государственных субсидий для поддержки ветроэнергетики. Доля субсидий в этой отрасли составляет половину, на которой и существует ветроэнергетика. Анализируя эффект от ввода крупного ветропарка Thanet мощностью 300 МВт, Центр энергетических исследований (UK ERC) подчеркивает, что капиталовложения в парк составили $ 1,6 млрд, себестоимость производства электроэнергии за весь период эксплуатации составит £ 149 за МВт⋅ч по сравнению с £ 80 за МВт⋅ч для угольной ТЭС и £ 97 за МВт⋅ч для АЭС. Только при стоимости электроэнергии £ 88 ветропарк может быть конкурентоспособен с ТЭС на органическом топливе [10].

О несоответствии цели и затрат в снижение выбросов углекислого газа за счет ветроэнергетики сообщает Центр энергетической политики Манхэттенского института (штат Нью-Йорк, США), где отмечается, что снижение выбросов углекислого газа является неэффективным и слишком дорогим мероприятием. Так, выработка электроэнергии в объеме 20 % от суммарного в 2030 году будет стоить налогоплательщикам $ 850 млрд при установленной мощности ветрогенераторов 320 ГВт, при этом снижение выбросов углекислого газа составит всего 2 %. При этом до 2030 года потребуется ежегодно вкладывать $ 45 млрд. Потребитель электроэнергии будет облагаться налогом $ 54 за каждую тонну снижения выброса углекислого газа [11].

В части биоэтанола, его производство из кукурузы привело к росту цен на нее, а переход на древесное сырье привело к незначительному снижению уровня углекислого газа, при том, что азотистые соединения не уменьшились при росте водопотребления. Производство 36 млрд галлонов биоэтанола в 2022 году потребует ежегодно субсидий в $ 60 млрд, а при производстве $ 60 млрд в 2030 году потребуется уже $ 125 млрд субсидий ежегодно. За период с 2008 по 2030 годы суммарные субсидии составят $ 1 трлн [12].

Субсидирование возобновляемой энергетики приводит к тому, что себестоимость производства электроэнергии превышает значения для традиционной энергетики. Так, по данным Международного энергетического агентства (МЭА) усредненные значения себестоимости [$/МВт⋅ч] производства электроэнергии составляет при использовании: угля — 62; газа — 57; АЭС — 59; ветроэнергетики оншорной — 97, оффшорной — 243; гелиоэнергетики фотоэлектрической — 211, термоэлектрической — 312, а с учетом платежа за выброс углекислого газа 25 $/т себестоимость для угольных ТЭС составит — 86, а для газовых — 67 $ /МВт⋅ч [13].

Вышеприведенное показывает, что возобновляемая энергетика высокозатратная отрасль, несет в себе инфляционную составляющую. Это вызвано рядом факторов, одним из которых является необходимость наличия систем аккумулирования энергии для обеспечения требования к энергоснабжению — нужное количество энергии нужного качества, в нужное время, в нужном месте. Это приводит к необходимости присутствия дополнительного элемента в системе энергоснабжения, соответственно затрат. Наличие аккумуляторных батарей, которые имеют небольшой срок эксплуатации (четыре-пять лет) порождает проблему утилизации, а это опять же затраты.

Необходимость наличия системы аккумулирования связано с природой самого возобновляемого энергоресурса — малая плотность энергии и нестабильность. Для ветра это непостоянство направления и скорости, для солнца — зависимость инсоляции от состояния атмосферы и угла падения солнечных лучей. Вырабатываемая ветрогенераторами энергия зависит от куба скорости ветра и ометаемой площади, что требует увеличения размера лопасти и больших высот размещения, но при этом возникают вопросы, связанные с прочностными характеристиками лопастей и конструкции башни. Рост габаритов ветрогенератора приводит к необходимости решения задач подавления шумов, логистики и электромагнитного экранирования. Последнее решается с применением технологии «стелс», когда в состав материала при изготовлении лопастей вводят специальные вещества. Увеличение высоты башни приводит к росту расхода металла и бетона. Так, в Германии ветроэнергетика стала по объему потребления металла второй после судостроения. Уменьшения влияния этого фактора видится в применении деревянных опор. Уже в текущем году планируют установить под городом Ниенбургом деревянную опору высотой 140 м для ветрогенератора на 2,5 МВт [14].

Примером другого решения может служить крестообразная деревянная конструкция высотой 18 м и шириной 25 м, на которой размещены три генератора по 300 кВт. Учитывая, что в структуре затрат на долю опоры приходится до 30 %, массовый переход от железобетонных опор к деревянным позволит не только улучшить экономические, но и экологические показатели, так как уменьшается потребность в металле и бетоне. Безредукторные конструкции ветрогенераторов также способствуют повышению технико-экономических показателей, учитывая, что на долю редуктора в структуре затрат приходится до 15 %. Наличие в конструкции ветрогенератора системы, повышающей эффективность использования энергии ветра, именуемой «питч-система», позволяет обеспечить максимальную выработку энергии за счет изменения шага лопасти. Надежность работы «питч-системы» и лопастей, которые испытывают сильные аэродинамические нагрузки, имеет важное значение, так как простой ветрогенератора в сутки обходится в € 4000 [15].

Для гелиоэнергетики эффективность работы установки связана с сокращением тепловых потерь. Эта задача решается путем использования более эффективных рабочих тел, оптимизации тепловых процессов и разработки новых конструкций гелиоприемников. Наряду с этим эффективность гелиоустановки связана с поддержанием чистоты ее поверхности и обеспечением устойчивого охлаждения. Необходимо учитывать большое количество размещаемых на территории панелей. Изымаемые площади должны быть непригодны для жилья и хозяйственной деятельности, что заставляет размещать солнечные электростанции на отдаленных территориях, подводить к ним коммуникации, что увеличивает затраты, а учитывая необходимость охлаждения гелиоприемника, потребуется значительное количество воды, что при условии широкомасштабного внедрения гелиоэнергетики может быть сдерживающим фактором.

Наряду с этим, используемые технологии производства фотоэлектрических преобразователей сопровождаются выделением токсичных отходов. Современная фторидно-гидридная технология приводит к накоплению 4 т промежуточных отходов на тонну произведенного кремния. Готовые фотоэлементы содержат токсичные вещества, требующие как правильной эксплуатации, так и утилизации. Создание многослойных пленок, использующих почти весь спектр солнечного излучения, позволит повысить энергоэффективность и уменьшить негативное экологическое влияние.

В биоэнергетике, как отмечалось выше, сложилось энергетическое направление — использование биогаза и пеллет для сжигания в энергетических котлах. Оба энергоресурса, получаемые в результате переработки биомассы, отличаются низкой теплотворной способностью. Так, для древесных отходов она оставляет 1700–2200 ккал/кг. За счет процесса торрификации этот показатель можно поднять до 3500 ккал/кг, для биогаза — 5000–6000 ккал/кг. Сами процессы производства пеллет и биогаза энергоемкие, для получения большого значения теплотворной способности затрачивается энергия. Сжигание пеллет требует перестройки системы топливоподачи на ТЭС, примером тому может служить проект перевода угольной станции в Великобритании, когда необходимо было построить собственный причал для приема крупнотоннажных судов с пеллетами из Канады и США. Рост потребности в пеллетах привело к росту цен, средняя из которых в 2011 году составила 283 €/т. Сжигание пеллет на ТЭС выявило ряд технологических проблем: низкая теплотворная способность; высокая влажность; высокое содержание поташа, кальция, фосфора и хлора; высокая волатильность реакций, что влияет на процесс сжигания и парообразования; повышенная коррозионность. Указанные недостатки приводят к снижению КПД на 2 %, что влечет за собой рост собственных нужд и финансовые потери.

Что касается биотоплива, основным доводом использования которого служит снижение вредных выбросов автомобиля, то выясняется следующее: согласно результатам исследования, проведенного комиссией ЕС в 2011 году, в сравнении с обычным топливом выбросы углекислого газа увеличиваются при изготовлении биодизеля из рапса примерно на 4,5 %, а при изготовлении из сои — примерно на 11,7 %. При сравнении биотоплив и нефтяных топлив по экологическим свойствам выяснено, что биотопливо не имеет значительных преимуществ перед нефтяным [16].

Развитие возобновляемой энергетики в России заключается в определении места и масштаба использования возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом хозяйстве. При этом необходимо учитывать особенности страны — ее масштабы, наличие ископаемого топлива, сложившуюся схему энергоснабжения, картину размещения возобновляемых источников. Так, максимальным потенциалом солнечной энергии обладают Краснодарский край, центр Якутии, а ветроэнергии — побережье Северного Ледовитого океана, Чукотки, горные и предгорные районы. Центры энергопотребления отстоят далеко от указанных зон. Очевидно никто не будет строить крупные ветрои солнечные станции вдали от узлов энергопотребления. Для России возобновляемая энергетика носит локальный характер и призвана обеспечить энергией автономных, удаленных потребителей. Исходя из природы возобновляемого энергоресурса, для устойчивого энергоснабжения используются гибридные схемы, с обязательным резервом. Для холодных, северных районов таковыми могут быть дизельные станции и аккумуляторы. Для последних надо учитывать, что срок их службы невелик. Это приводит к росту издержек, которое сравнивается с затратами на топливо для дизельных станций.

С позиций стабильности энергоресурса привлекательными являются петротермальные источники, которые, являясь низкотемпературными, могут быть привлечены для целей теплоснабжения. Для систем теплоснабжения необходимо иметь на поверхности 150 °C. Эта температура достигается на глубине 3 км при градиенте температуры породы в 5 °C/100 м. Сооружение такой скважины стоит не менее $ 4 млн. При градиенте температур в два раза меньше потребуется скважина 6 км, стоимость сооружения составит $ 10 млн, что делает данную систему теплоснабжения неконкурентоспособной. Поэтому задача заключается в создании новых способов бурения. В России разработан буровой снаряд (БС-01), скорость бурения которого составляет до 30 м/ч, что на порядок выше механического бурения. Снаряд прошел заводские испытания. Разработка является отечественным «ноу-хау», а его успешное внедрение позволит стране стать экспортером технологии, соответствуя цели — перевод экономики страны на инновационные рельсы. Предварительные расчеты показали, что сооружение петротермальной станции (ПТС) тепловой мощностью 83,3 Гкал/ч позволяет полностью удовлетворить потребности в энергии города с населением 35 тыс. жителей. Удельные капитальные вложения в электрическую часть составят 1240 $/кВт, а в тепловую — 180 $/Гкал/ч. Себестоимость отпущенной электроэнергии будет в пределах 0,5–0,7 руб/кВт⋅ч, а тепла — 70–90 руб/Гкал [19]. Представленные данные предварительные, но привлекательность данного энергоресурса заключается в его повсеместном наличии и стабильности. Этим же характеризуются древесные ресурсы, которые оцениваются в 23 % от общемировых, что ставит Россию в привилегированное положение. Из 550 млн м3 древесины в дело идет лишь 185 млн, остальное попадает в отброс. Наряду с этим в стране ежегодно собирается 30 млн тонн соломы озимых культур, 2 млн тонн лузги подсолнечника, по 300 тыс. тонн лузги проса, гречихи и прочих культур. В ряде регионов, где развита лесная и деревообрабатывающая промышленность, разработаны планы и осуществляются мероприятия по использованию котельными древесных отходов. Совместное сжигание пеллет с основным топливом на ТЭС не применяется, хотя в стране производится до 600 тыс. тонн пеллет, большая часть которой экспортируется в ЕС. При этом отечественные производители ориентируются на немецкие стандарты, ввиду отсутствия собственного.

Учитывая ограниченный ресурс древесины и рост потребности в пеллетах в Европе, Россия со своим потенциалом может стать основным поставщиком пеллет, выстроив экспортно-ориентированную отрасль [20].

В части производства биотоплива по технологиям второго и третьего поколения, отходов АПК достаточно для производства 75 млрд м3 биогаза. Технологии пиролиза и анаэробной конверсии известны и разработаны, но при переработке навоза (за исключением свиного) необходимо учитывать последствия, связанные с изменением баланса органических удобрений [21].

Сравнивая уровни развития возобновляемой энергетики в развитых стран и России, в последней еще не сложилась система, что позволяет при ее формировании учесть возможные проблемы и избежать их.

1. Elektrizitvatswirt. 111, №4/2012.
2. Elektrizitvatswirt. 111, №19/2012.
3. Sonne Wind und Warme. 36, №13/2012.
4. Sonne Wind und Warme. 36, №17–18/2012.
5. Sonne Wind und Warme. 36, №15/2012.
6. GFF.Z. Glass, Fenster, Fassade. №4/2012,
7. Sonne Wind und Warme. 36, №2/2012.
8. Solar International. 34, №8/2011.
9. Elektrizitvatswirt. 111, №4/2012.
10. Power (USA). 154, №11/2010.
11. Turbomch. Int. 52, №7/2011.
12. Issues Sci. AndTechol. 27, №1/2010.
13. Environment. 54, №1/2012.
14. Sonne und Warme. 36, №15/2012.
15. Schiff und Hafen. 63, №5/2011.
16. Актуальные проблемы развития нефтегазохимического комплекса и альтернативных источников энергии. V Межд. научн.-практ. конф. — СПб: СПбГИЭУ, 2011.
17. Конкурентоспособность экономики России в XXI веке: вызовы для национальной безопасности. Сб. — М: РИСИ, 2013.
18. Elektrizitvatzwirt. 111, №25/2012.
19. Некрасов А.С. Анализ и прогнозы развития отраслей топливно-энергетического комплекса. — М.: ИНП РАН, 2013.
20. Перспективы развития «зеленой» экономики: вызовы для России. Сб. — М: РИСИ, 2011.
21. Тарханов О.В. Биогаз: благо или экономическая ловушка? // Главный энергетик, №10/2012.