Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

 

ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИКЕ

МАСЛИКОВ В.И., ФЕДОРОВ М.П.
Известия Академии Наук


 

 

Рассмотрена роль возобновляемых энергетических ресурсов в обеспечении устойчивого развития электроэнергетики России. Выделено, как наиболее значимое направление, использование гидроэнергетических ресурсов и энергетического потенциала отходов при обязательном энергосбережении. Рассмотрены принципы формирования энергоэффективных природно-технических систем с энергетическими объектами, использующими возобновляемые энергетические ресурсы.

Результатами перечисленных выше процессов стало снижение темпов роста суммарных затрат на ремонт (в 2004—2005 гг. они составляли ориентировочно 6...8 %/год, что существенно ниже темпов инфляции), а также рост числа участников рынка ремонтных услуг и, как следствие, ужесточение конкурентной борьбы и ценовой конкуренции.

К началу XXI века значение энергетики как фактора первостепенной важности почти во всех секторах народного хозяйства и жизнеобеспечения не вызывает сомнений. Развитие энергетики должно идти в направлении рационального удовлетворения потребностей в пределах возможностей природно-ресурсного потенциала при сохранении благоприятной окружающей среды, что соответствует концепции устойчивого развития современного общества.

При этом основными задачами энергетики являются стабильность энергообеспечения, доступность энергии, надежность и безопасность функционирования для окружающей среды. Все это относится и к электроэнергетике - важнейшей составной части энергетики.

Общее мировое производство электроэнергии в 2001 г. составило 15476 млрд. кВтч, из них на тепловых электростанциях на угольном топливе было выработано 38,7%, на жидком топливе - 7,5%, на природном газе - 18,3%. Доля гидроэлектростанций в мировом производстве электроэнергии составила 16,6%, атомных электростанций -17,1%, нетрадиционных возобновляемых источников энергии - 1,8%. Темпы спроса на электроэнергию оцениваются в 3% в год. В мировом производстве электроэнергии доля России составляет 5,6%. В нашей стране ~66% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, 14,6% - на атомных и 18,8% - на гидроэлектростанциях .

Сложности топливообеспечения мировой экономики в перспективе, загрязнение окружающей среды в настоящее время, возможность осложнения ситуации в будущем и опасность возникновения техногенных катастроф - основные препятствия для развития традиционной энергетики. Мировое сообщество принимает меры для снижения загрязнений путем введения всевозможных ограничений. Для теплоэнергетики на органическом топливе, обеспечивающей основную часть мирового производства электроэнергии (64,5% от общего), наиболее ощутимыми являются количественные ограничения на выбросы парниковых газов. Это может замедлить развитие тепловой энергетики.

Задачу удовлетворения растущих потребностей придется решать за счет увеличения доли возобновляемых энергетических ресурсов. Их использование не вызывает глобального загрязнения окружающей среды, а возникающие экологические задачи могут быть решены на основе новых технологий и современных принципов природосбережения.

По происхождению возобновляемые энергетические ресурсы, структура которых приведена на рис. 1, можно разделить на естественные и искусственные. К естественным относятся энергия солнца, ветра, приливов, биомассы, геотермальная, гидроэнергия и низкопотенциальная тепловая энергия воздуха, поверхностных грунтов, водоемов. К искусственным относятся потери энергии и отходы, образующиеся в технологических процессах, использующих возобновляемые энергетические ресурсы, и в процессе жизнедеятельности.

Рис. 1 Структура энергетических возобновляемых ресурсов.

В настоящее время во всем мире используется незначительная часть огромного технического потенциала возобновляемых энергетических ресурсов: энергии солнца-0,006%, ветра - 0,005%, геотермальной энергии - 0,012%. Исключение составляют энергия биомассы (18%) и гидроэнергия (20%).

В России использование возобновляемых энергетических ресурсов находится на начальном этапе. Ежегодное замещение органического топлива оценивается в 1,5 млн. т. у.т. при экономическом потенциале ~270 млн. т.у.т. .

Несмотря на огромное количество солнечной радиации, поступающей на территорию России, развитие солнечной энергетики в ближайшем будущем проблематично из-за высокой стоимости солнечных установок и сильной зависимости от погодных условий.

Ветровая энергетика имеет перспективы для развития, особенно в районах Крайнего Севера и на отдаленных и труднодоступных территориях. Экономический потенциал энергии ветра в России оценивается в 10 млн. т.у.т./год. Однако экономические условия: необходимость использования дорогостоящих дублирующих мощностей, систем аккумулирования и прочее сдерживают до настоящего времени внедрение ветроэнергетических установок.

Россия имеет значительные запасы геотермальной энергии, их экономический потенциал оценивается как 115 млн. т. у.т. Практическое использование этого потенциала весьма незначительно. Суммарная мощность отечественных ГеоТЭС составляет < 100 МВт.

Приливная энергия в нашей стране, несмотря на ее огромный потенциал, практически не используется, хотя для прибрежных районов Северного Ледовитого и Тихого океанов были подготовлены технические проекты крупных ПЭС, в т.ч. мощностью до 10-15 млн. кВт. Построена небольшая экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью < 1 МВт.

Низкопотенциальная тепловая энергия практически не используется в России. Известно, что, например, использование тепловой энергии грунтов позволило бы сократить более чем на 50% затраты энергии на теплоснабжение децентрализованных потребителей тепла .

На территории России ежегодно продуцируется до 14-15 млрд. т биомассы, что эквивалентно 862 млрд. т у.т. В обозримый период основным источником первичной биомассы для России будут естественные леса. Возможное получение древесного топлива оценивается в размере 37 млн. т у.т/год.

Гидроэнергия среди естественных энергетических ресурсов рассматривается как традиционный и наиболее значимый компонент. Оценивая состояние гидроэнергетики в начале XXI века, можно отметить, что огромный потенциал речного стока нашей планеты (-5500 ГВт) не исчерпан. Освоено не более 25% экономического гидропотенциала. При этом Парагвай, Норвегия, Замбия, Уругвай, Бразилия и другие страны практически полностью обеспечивают свои потребности в электроэнергии за счет работы ГЭС.

Последние 10-15 лет развитие гидроэнергетики мира можно охарактеризовать как период стабилизации и даже некоторого снижения темпов роста установленной мощности. Это связано с тем, что во многих промышленно развитых странах, где высока доля использования экономически целесообразного гидропотенциала (59% в США, 65% в Канаде), предпочтение отдается не строительству новых ГЭС, а реконструкции существующих. Модернизация оборудования действующих ГЭС является высокоэффективным мероприятием, позволяющим с минимальными затратами получить дополнительные мощности.

Высокие темпы наращивания мощности пока еще сохраняются в развивающихся странах с большими запасами гидроэнергии Бразилии, КНР, Индии и др. Ввод новых мощностей в этих странах составляет ~3/4 от мирового. В промышленно развитых странах интенсивный ввод новых мощностей обеспечивается, как правило, строительством ГАЭС.

Перспективное направление развития мировой гидроэнергетики - освоение гидропотенциала малых водотоков. Большое число малых ГЭС построено в США, Западной Европе, Австралии, Азии и Южной Америке. Лидирующая роль в развитии малой гидроэнергетики принадлежит КНР. В ряде стран установленная мощность малых ГЭС превышает 1 млн. кВт (США, Швеция, Испания, Италия, Франция, Канада).

Особое значение малая гидроэнергетика имеет для развивающихся стран, где ~2 млрд. чел. не обеспечены электроэнергией.

Анализируя развитие гидроэнергетики, можно отметить, что она имеет потенциал, позволяющий стабильно обеспечивать потребности в энергии при минимальном загрязнении окружающей среды. Не вызывает сомнений определяющее значение гидроэнергетики для устойчивого функционирования водного хозяйства, особенно в условиях нарастания дефицита и ухудшения качества водных ресурсов во многих странах.

Нельзя не отметить значение гидроэнергетики для снижения неблагоприятных последствий природных и природно-техногенных процессов, в первую очередь, наводнений. Наблюдаемое глобальное изменение климата привело к увеличению частоты крупных наводнений, росту числа пострадавших и экономическому ущербу, соизмермому с приростом валового национального продукта, что препятствует обеспечению устойчивого развития.

Большое значение гидроэнергетики для обеспечения устойчивого развития видно на примере России в сложной экономической ситуации последних лет. Россия относится к лидирующей группе стран по своему гидроэнергетическому потенциалу. Валовой теоретический гидроэнергетический потенциал России определен как 2900 млрд. кВтч выработки электроэнергии в год. Технически достигаемый уровень использования этого потенциала оценивается в 1670 млрд. кВтч. Представляющий наибольший интерес экономический потенциал гидроресурсов определен в размере 850 млрд. кВтч, что в топливном эквиваленте составляет 300 млн. т. у.т./год. Примерно 86% этого потенциала сосредоточено в Азиатской и 14% - в европейской части России. В настоящее время установленная мощность ГЭС России составляет 44,3 млн. кВт или 20,6% суммарной мощности всех электростанций. В текущем десятилетии ежегодная выработка электроэнергии на ГЭС достигала 170 млрд. кВтч. Гидроэнергетика ежегодно сберегает народному хозяйству ~60 млн. т у.т., что способствует снижению выбросов в атмосферу твердых частиц оксидов серы, азота и углекислого газа.

В "Энергетической стратегии России на период до 2020 года" приоритет отдается атомной и тепловой электроэнергетике и существенно снижается доля гидроэнергетики. В перспективе можно выделить два основных направления. Первое - скорейшее завершение начатого строительства ГЭС, что позволит получить дополнительную мощность, выработку электроэнергии, прежде всего, в энергодефицитных регионах, и прибыль от ранее вложенного капитала. На Дальнем Востоке завершается строительство Бурейской ГЭС и строится Усть-Среднеканская ГЭС, что позволит существенно уменьшить напряженность топливно-энергетического баланса в регионе. Завершение строительства обеспечит ввод ~10 млн. кВт мощностей и получение 35 млрд. кВтч электроэнергии.

Другое направление - реконструкция и модернизация действующих ГЭС, проработавших более 30-40 лет. Неудовлетворительное состояние оборудования и сооружений достигло значительных масштабов и требует принятия неотложных мер по предотвращению массовых аварийных ситуаций. Самым перспективным и приемлемым по затратам для большинства ГЭС признано проведение расширенных капитальных ремонтов с заменой и реконструкцией отдельных узлов.

Актуален вопрос управления паводками, требующий поиска новых, более эффективных подходов с участием ГЭС в организации борьбы с наводнениями. Перспективно также развитие малой гидроэнергетики. Энергетический потенциал малых рек страны, использование которого возможно доступными средствами, составляет 493 млрд. кВтч, в т.ч. >100 млрд. кВтч в Европейской части. Очевидно значение малых ГЭС в энергоснабжении труднодоступных энергодефицитных регионов России с населением более 10 млн. чел., занимающих -60% ее территории.

Одним из факторов, способствующих более интенсивному развитию отечественной гидроэнергетики, может стать освоение богатейшего природно-ресурсного потенциала Дальнего Востока, а также растущий спрос на дешевую электроэнергию в соседних странах азиатского региона - Китае, Японии, Южной Корее и др. Проектными разработками определено, что использование гидропотенциала Дальневосточного региона позволит ежегодно получать -500 млрд. кВтч электроэнергии. И в мировой энергетике, и в России рассмотренные тенденции находятся во взаимодействии с экологическими проблемами, которые тормозят одни, стимулируют другие направления и становятся приоритетными в развитии гидроэнергетики.

Необходимо отметить, что использование возобновляемых энергетических ресурсов экономически будет оправдано тогда, когда будут сведены к минимуму потери энергии. Известно, что удельная энергоемкость экономики России в два-три раза превышает удельную энергоемкость экономики развитых стран. Из-за неудовлетворительного состояния тепловых сетей потери в них составляют 15% теплоты, вырабатываемой источниками. Существенным резервом экономии электроэнергии является снижение потерь в электрических сетях и расходов электроэнергии на собственные нужды, которые оцениваются в 18,8% от общей выработки. Энергосбережение можно рассматривать как самостоятельный источник энергоснабжения страны. Проведение разумных энергосберегающих мер позволит сократить энергопотребление стра¬ны на 45%.

Другим крупным искусственным возобновляемым энергетическим ресурсом являются отходы. В настоящее время особое внимание придается более полному использованию различных видов органических отходов, образующихся в сельском хозяйстве, промышленности, коммунальном бытовом хозяйстве и др. Ежегодно в России накапливается 320 млн. т отходов по сухому веществу, из них 250 млн. т - в сельском хозяйстве, 30 млн. т - в виде городских твердых бытовых отходов, 10 млн. т - осадков сточных вод и пр..

Много публикаций по энергетическому использованию отходов различного происхождения (лесопереработки, сельского хозяйства и др.). Менее изучены возможности использования в качестве источника энергии твердых бытовых отходов (ТБО) - отходов потребления, образующихся в бытовых условиях в результате жизнедеятельности населения. Норма накопления ТБО в современном городе составляет 250-700 кг/чел. в год. В развитых странах эта величина ежегодно возрастает на 4—6%, что в три раза превышает темпы прироста населения.

Ежегодный объем образования ТБО в мире составляет от 0,5 до 2 млрд. т, что опасно для окружающей среды.

В России ежегодно образуется -30 млн. т ТБО (~210 кг/чел.). Твердые бытовые отходы имеют разный морфологический состав в различных странах, меняющийся в зависимости от климатических зон, уровня жизни, времени года и др. Основными компонентами бытовых отходов (в процентах по массе) являются: бумага (20-37%), пищевые отходы (20-59%), текстиль (2-4%), пластик (1,5-17%), металл (1-9%), стекло (1-16%) и др. В среднем доля органического вещества на сухую массу отходов - 68-80%. Со временем морфологический состав отходов может изменяться в сторону увеличения содержания бумаги, пластмасс и снижения доли пищевых отходов.

Наибольшее распространение получили следующие технологии обезвреживания ТБО: термические - сжигание, биологические - захоронение на полигонах, компостирование. Обезвреживание бытовых отходов осуществляется в различных странах технологиями в соответствии с их возможностями и законодательством. В странах ЕС в среднем сжигается 18,2% ТБО, компостируется - 9,0%, вывозится на полигоны - 66,9%. Доля ТБО, вывозимых на полигоны, для европейских стран изменяется от 80,8% в Великобритании до 6,0% в Швейцарии. В США сжигается 14,8% ТБО, компостируется 5,7%, захоранивается 57,4%. В Японии сжигается большая часть образующихся отходов - 72,3% . Удельные капиталовложения в различные технологии со¬ставляют (долл./т): сжигание с утилизацией тепла - 400-500; компостирование - 150— 200; захоронение на полигонах - 10-50.

Тепловую и электрическую энергию из ТБО получают в основном при их сжигании и захоронении на полигонах.Для целей энергетики представляет интерес пиролиз ТБО, переработка в гранулированное топливо и получение тепловой энергии активным компостированием (микробным окислением). По теплоте сгорания ТБО приближаются к низкокалорийным углям и могут рассматриваться как весьма распространенное, доступное, низкокалорийное, постоянно возобновляемое местное топливо, не требующее затрат на добычу. Низшая теплота сгорания ТБО в зависимости от времени года и региона в России изменяется от 4180 до 10450 кДж/кг.

Методы термической переработки ТБО, как правило, используются в промышленно развитых странах с небольшой территорией и высоким уровнем технологий. Существуют различные методы мусоросжигания: в кипящем слое, на колосниковых решетках, во вращающихся барабанных печах и др. Недостаток большинства термических методов переработки ТБО - низкие температуры (600-900°С), при которых интенсивно образуются высокотоксичные соединения типа диоксинов, фуранов и др. Кроме того, образуется до 25-30% твердых отходов (зола, шлак), загрязненных токсичными веществами.

Использование технологии пиролиза - термохимического разложения сырья без доступа воздуха для получения генераторного газа пока ограничивается переработкой древесины и сельскохозяйственных отходов.

В России перерабатывается незначительная часть (~7%) образующихся бытовых отходов. Общий энергетический потенциал ежегодно образующихся ТБО (30 млн. т), оцененный по их теплоте сгорания, составляет 5,1-8,2 млн. т у.т. Использование его незначительно. Сжигание отходов (~3% от общего объема) осуществляется в городах: Москве, Мурманске, Владивостоке, Владимире и др. Имеется много интересных отечественных разработок по получению энергии из ТБО термическими методами, но они не реализованы.

Полигонное захоронение бытовых отходов практикуется во всем мире. Основное достоинство технологии захоронения - простота, малые капитальные и эксплуатационные затраты, относительная безопасность. При разложении бытовых отходов выделяется биогаз - ценное углеводородное топливо (содержащее метан до 60%), которое можно использовать для производства тепловой и электрической энергии. Ежегодная эмиссия метана с поверхности свалок земного шара оценивается как 30-70 млн. т (~7,4% от общего потока поступления метана в атмосферу), что сопоставимо с мощностью основных естественных биогенных источников метана. Сегодня актуальна задача стабилизации концентрации в атмосфере этого газа, одного из основных планетарных источников парникового эффекта. Поэтому утилизация биогаза бытовых отходов приобретает важнейшее значение для снижения антропогенной эмиссии метана.

Получение биогаза весьма перспективно для России, так как -97% образующихся ТБО захоранивается на полигонах и организованных свалках. Ежегодная эмиссия метана со свалок России оценивается в размере 1,1 млрд. м3 (1,35 млн. т у.т.).

Масштабы и стабильность образования, расположение на урбанизированных территориях и низкая стоимость добычи делают биогаз, получаемый на полигонах ТБО, одним из перспективных источников энергии для местных нужд. В России эксплуатируется более 1300 полигонов, на многих десятках из них могут быть осуществлены экономически выгодные проекты использования биогаза.

Основным препятствием использования естественных возобновляемых энергетических ресурсов является малая плотность энергетических потоков, неравномерность их поступления, что требует создания дорогостоящих систем аккумулирования энергии. Определенное и существенное преимущество имеет гидроэнергия, так как водохранилища, создаваемые при ее использовании, являются простыми и надежными аккумуляторами. Отходы - также естественный аккумулятор энергии, не требующий дополнительных затрат на их создание.

Можно предположить, что для России в ближайшем будущем наиболее эффективным и значимым направлением развития возобновляемой энергетики будет использование гидроэнергетических ресурсов и энергетического потенциала отходов при непременном обеспечении энергосбережения.

 
 
Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  Энергетика.
Материал размещен на www.transform.ru 30.11.2006 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????