Исполнительный директор Исследовательского центра устойчивого развития Казахского национального технического университета им. , к. э.н.
Перспективы модели комбинированной энергетической системы возобновляемых источников энергии в условиях Казахстана
В соответствии со Стратегией «Казахстан -2050» и Концепцией перехода РК к «зеленой» экономике прогнозируется достаточно оптимистичный сценарий развития альтернативных источников энергии – доведение их доли до 50% от вырабатываемой энергии [1,2]. Однако, этот важный показатель, несмотря на предпринимаемые за последние годы усилия, остается незначительным и не превышает 1 %. Более углубленное рассмотрение причин такого положения показывает: причина столь низкого уровня внедрения ВИЭ лежит не столько в институтциальной, экономической и инвестиционной областях, сколько в технико-технологической, а точнее в технической связи энергии ветра, солнца, воды и биомассы с естественными природно-климатическими и географическими условиями, которые имеют значительные различия не только в пределах одной страны, но и отдельных регионов и точечных территорий.
На обширной территории Казахстана расположены несколько природно-климатических зон, где 58 % территории занимают пустыни и полупустыни, 10 % - горные массивы. Каждая зона отличается свойственными ей климатом, почвенными и природными ресурсами. В равнинной части, с севера на юг последовательно, сменяются лесостепь, степь, полупустыня и пустыня. Вместе с тем, в этих зонах, с запада на восток, изменяется почвенный и растительный покров. Это объясняется усилением в этом направлении континентальности климата. В высокогорных районах республики смена зон происходит в зависимости от высоты. На севере республики преобладают степные и лесостепные зоны. В результате очевидно, эффективное использование энергетических ресурсов воды, ветра, солнца и биомассы определяется от связанных между собой факторов географической широты, рельефа, почвы, тепла и влаги, которые и определяют суммарную величину солнечной активности, силы и постоянства ветра, объемы и направлений водных потоков, качества биоресурсов.
Ограничения и преграды использования ВИЭ
В большинстве случаев при существующих научно-аналитических оценках указываются параметры характеризующие абсолютные показатели потенциала того или иного вида возобновляемой энергии при их идеальных условиях использования. При этом не учитываются природно-климатические факторы не позволяющие получать максимальный технический эффект от этих природных энергетических ресурсов.
Солнечная энергетика. Расположение республики Казахстан (между 40° и 55°22" с. ш.), представляет республику экономически выгодной для использования солнечной энергии. В Казахстане суммарный потенциал оценивается примерно в 1300 – 1800кВтч\ мІ год. Продолжительность солнечного сияния составляет в течение года более 2600 часов при средней мощности излучения в сутки 554 - 677 Вт/ м. 
Рис.1. Карта солнечной активности Казахстана
(рис.1). Однако наиболее благоприятные климатические условия для использования солнечной энергии сосредоточены только в южных районах. Лучшие показатели приходятся на летний период, например, в наиболее солнечном месяце - июле - количество энергии, приходящейся на 1 кв. м. горизонтальной поверхности составляет в среднем от 6,4 до 7,5 кВт/ч в день. Кроме того, поступление солнечной энергии ограничивается длительностью светового дня. Другим сдерживающим фактором является низкий коэффициент полезного действия (КПД) и высокая стоимость фотоэлектрических приборов (ФЭП) при существенных преимуществах солнечных генераторов по сравнению с другими источниками энергии. Крупным недостатком существующих преобразователей солнечной энергии в электрическую является не способность переработки тепловых излучений, что снижает коэффициент полезного действия, ухудшает условия их работы, уменьшает срок службы и, в конечном счете, препятствует развитию гелиоэнергетики.
Ветровая энергетика. Потенциал ветровой энергии Казахстана по оценкам составляет около 1820 млрд. кВтч в год и распространен на значительной территории страны. Однако, анализ природно-климатических условий РК показывает, что только на 2 - 3% территории среднегодовая скорость ветра составляет более 5 м/с (рис.2). Следовательно, на большей части Казахстана (90 - 95 % территории) невыгодно использование ВЭУ, для которых необходима рабочая скорость ветра 12 - 15 м/с.
Рис. 2. Ветровой Атлас РК.
Кроме того, ни существующий ветровой Атлас, ни другие источники не предоставляют данных, показывающие изменчивость направлений ветра в зависимости от местоположения и территории. Детальные ветровые измерения полученные с помощью метеомачт высотой 30-50 метров в рамках проекта ПРООН были выполнены в Джунгарских воротах и Шелекском коридоре, где среднегодовая скорость ветра составляет порядка 7,5м/с и 5,8 м/с на высоте 10м с потенциалами 525 Вт/м2 и 240 Вт/м2, соответственно, а в последствии еще на восьми площадках на территории Казахстана.
На наиболее распространенных современных ветростанциях с горизонтальной осью вращения преобразование кинетической энергии ветра варьируется в пределах от 10 до 30 %, а механическая энергия пропеллерных станций преобразуется в электрическую с КПД 50-69%. Более инновационные ветроэлектростанции (ВРТБ) с вертикально расположенным валом генератора, демонстрирует КПД на уровне 90-94 %. Однако какими бы ни были высокоэффективными сами ВЭУ в техническом отношении, итоговая эффективность зависит от природных параметров энергии: силы, постоянства и направления ветра и др., которые как раз имеют непредсказуемо дискретный характер. Таким образом, для большей части нашей страны (80 - 85 % территории) целесообразно и эффективно использование ВЭУ в комбинации с другими источниками ВИЭ.
Гидроэнергетика. Суммарный гидропотенциал Казахстана теоретически составляет порядка 170 млрд. кВт/ч в год, из которых экономически эффективно может вырабатываться 23,5 млрд. кВт/ч. Однако в силу особенностей технологии производства гидроэнергии пригодными для применения остаются водные ресурсы, расположенные в горных и возвышенных рельефах. Основные гидроэнергетические ресурсы сосредоточены в Восточном и Юго-Восточном регионах республики. Из общей величины экономического гидропотенциала на малые ГЭС приходится около 7,5 млрд. кВт/ч, из них используется на действующих ГЭС - 0,36 млрд. кВт/ч, что составляет около 5 %. К числу негативных факторов гидроресурсов относятся масштабные экологические последствия, связанные с затоплением огромных территорий, а также деградация экосистем в руслах рек, связанных с зарегулированием попусков водных потоков плотин ГЭС. В свою очередь уровень водотоков в водохранилищах ГЭС напрямую связна с климатическими процессами таяния ледников и формирования водоистоков, большая часть расположены на территориях сопредельных государств.
Биоэнергетика. В Казахстане стабильным источником биомассы для производства энергии могут являться наиболее распространенные отходы сельскохозяйственного производства, а также отходы производства и потребления. По примерным оценкам, годовой выход животноводческих и птицеводческих отходов по сухому весу составляет 22,1 млн. тонн, или 8,6 млрд. куб. м газа, растительных остатков – 17,7 млн. тонн (пшеница – 12 млн. тонн, ячмень – 6 млн. тонн или 8,9 млрд. куб. м), что эквивалентно 14-15 млн. тонн условного топлива, или 12,4 млн. тонн мазута. За счет их переработки может быть получено около 2 млн. тонн условного топлива в год биогаза. Теоретически переработка такого объема газа в электрогазогенераторах позволит получать ежегодно до 35 млрд. кВт/ч электрической энергии (половину всего энергопотребления, при потребности для сельского хозяйства 19 млрд. кВт/ч) и одновременно 44 млн. Гкал тепловой энергии.
Реальное использование твердых бытовых отходов в качестве получения биогаза ограничено тем, что в массивах бытовых отходов населенных пунктов в настоящее время не налажена современная технология сбора, сортировки и переработки отходов. По этой технической причине нет возможностей масштабного применения биогаза на основе ТБО для энергетических целей. Однако получение биомассы за счет сельскохозяйственных продуктов и ТБО может иметь, куда большее распространение в территориальном плане, поскольку эти источники биотоплива распространены практических во всех регионах и насланных пунктах республики. Поэтому, мы сочли целесообразным биогазовый генератор включить в состав предлагаемых комбинированных источников энергии как одного из основных агрегатов ВИЭ.
Проблема аккумулирования энергии от ВИЭ. Другой реальной проблемой в использовании ВИЭ является система аккумулирования, позволяющая перераспределение получаемой от них энергии во времени, накопление излишков энергии в периоды максимума прихода ВИЭ и отдача в периоды минимумов. Аккумулирующая система (АС) является частью системы энергоснабжения, она должна работать как в нормальных режимах - заряда, хранения, разряда, так и аварийных, т. е. при резких колебаниях нагрузки, качаниях и отключениях генерирующих мощностей и т. д. В аварийных режимах АС должна достаточно быстро выдавать или потреблять требуемое количество энергии и обладать достаточной маневренностью и аварийной емкостью для демпфирования колебаний нагрузки. Как вытекает отсюда, эффективность КЭС ВИЭ напрямую зависит от выбора типа и эффективности АС для обеспечения согласования производства и потребления энергии от ВИЭ, то есть использования накопителей энергии. Наиболее распространенными в настоящий период на практике признаны аккумуляторные батареи. Современные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы имеют удельные характеристики на уровне 30-50 Втч/кг, их саморазряд составляет 0.01-0.02% в сутки, ресурс достигает 1000 - 1500 циклов. Основными производителями герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов являются зарубежные фирмы: VARTA (Германия), YUASA (Япония), CSB Battery (США) и др.
Существует второй вариант - АС на основе использования электрохимических устройств с накоплением энергии в водороде. Водородное накопление энергии, напротив, целесообразно использовать, когда потребитель расположен в местах с наиболее высоким фактором сезонной неравномерности по приходу солнечной радиационного питания нагрузки. Кроме того, водород может быть использован потребителем для покрытия тепловой нагрузки (водородные каталитический обогреватель и плита).
- топлива.
Рассматриваемая нами комплексная энергетическая система (КЭС) ВИЭ (рис.3) включает следующи
Модуль комбинированной энергетической системы
В условиях Казахстана, где в результате перехода к рыночной экономической системе подавляющее большинство крупных производств в различных отраслях были подвергнуты либерализации и разукрупнению. В результате, сформировалось огромное количество средних и мелких объектов в производстве, бизнесе и сфере услуг, домохозяйствах, социальном секторе и т. д. Например, в сельском хозяйстве вместо 2 000 крупных сельскохозяйственных предприятий организованы более 60 000 мелких фермерских хозяйств, что привело к разрушению системы централизованного электроснабжения и в сельской местности, где проживает 43% всего населения страны. Для существующих централизованных поставщиков электроэнергии экономически не выгодно снабжать электроэнергией отдаленные хозяйства, полустанки и разъезды железных дорог, населенные пункты, расположенные в труднодоступных местах, небольшие фермы, стоянки чабанов, кэмпинги и т. д. Конечная цена электроэнергии, которая складывающаяся из цены электроэнергии на оптовом рынке, стоимости транспортированию электричества и технических потерь в сетях, а также маржи энергоснабжающих организаций, оказываются недоступными для отдаленных энергопотребителей.
Таким образом, высокая потребность в КЭС ВЭУ в условиях Казахстана обуславливают следующие предпосылки:
- острейший дефицит и дороговизна электроэнергии, особенно для сельской части общества, составляющей более 50 % [6]; большая территория и низкая плотность населения вызывает необходимость создания локальных источников энергии, поскольку зачастую экономически неоправданно строительство линий электропередачи; автономность и мобильность использования, небольшая стоимость, доступная мелким фермерским хозяйствам, отдельным объектам бизнеса, домохозяйства; универсальность применения КЭС, заключающаяся в комбинировании различных видов энергии (солнечной, ветряной, биогазовой) для выработки электрической и тепловой энергии;
снижение и ликвидация выбросов в окружающую среду, свойственных углеводородным видам энергетического е функциональные элементы:
- Ветрогенератор (ВЭС); Солнечную фотоэлектрическую установку для генерация электрической энергии (СФС); Гидроэлектростанция (ГЭС); Комбинированный генератор для выработки электроэнергии из биогаза (метан) и дизельного топлива (БГДС); Аккумуляторные батареи для хранения выработанной энергии и обеспечения потребителя электроэнергией; Блок автоматического системы управления обеспечения функционирования станции, контроля заряда, автоматики; Инвертор - прибор для преобразования постоянного тока, вырабатываемого КЭС, в переменный с возможностью выдачи электроэнергии в сеть.
В нашем случае, выбранный состав оборудования КЭС ВИЭ предусмотрен как для функционирования в системе централизованной электросети, так и в режиме полной автономной выработки электрической и тепловой энергии. В рассматриваемой структурной схеме солнечная фотоэлектрическая и ветровая энергоустановки в качестве основных производителей энергии совместно подключены к контроллеру заряда
Рис. 3. Структурная схема системы автономного электроснабжения
аккумуляторных батарей. Конструкция контроллера позволяет передавать вырабатываемые СФЭУ и ВЭУ мощности непосредственно на инвертор, минуя АКБ. В случае избытка или недостатка в системе вырабатываемой мощности контроллер осуществляет заряд или разряд аккумуляторных батарей. Обеспечение потребителя электроэнергией заданного качества осуществляется с помощью инвертора. Так как в рассматриваемой системе основными источниками электроэнергии являются солнечная и ветровая электроустановки, характер вырабатываемой ими мощности отличается значительной неравномерностью, которая в большинстве случаев
сглаживается наличием в системе аккумуляторных батарей. Избыток энергии контролируется блоком автоматики, который от инвертора автоматически подключает внешнюю сеть для компенсации потерь во внешней слабой сети. Третий дополнительный генератор на биогазе и дизельном топливе предусмотрен как резервный источник электроэнергии 220 v для подзарядки аккумуляторов, а также выработки дополнительной электроэнергии в режиме газогенератора. В совокупности предлагаемая компоновка КЭС ВИЭ предназначена для бесперебойного электро- и теплоснабжения потребителей с учетом погодно-климатических, географических и суточных пиковых колебаний возобновляемых источников энергии. При этом дифференцированное использование солнечных, ветровых и биологических источников энергии в процессе эксплуатации даст возможность оптимизировать затраты и достичь минимальной стоимости кВт/ч электроэнергии на конкретном объекте.
КЭС ВИЭ может работать синхронно с местными источниками электрической энергии (внешняя сеть, дизель-генератор). Система автоматики позволяет добиться полностью бесперебойного питания потребителя при продолжительном отсутствии источников энергии (ветер, солнце). Если дом, ферма или хозяйство подключены к общей системе энергообеспечения, то в ветреные дни излишек энергии можно продавать электросетям. В случаях отсутствия и незначительной солнечной активности (электроэнергии от КЭС недостаточно для полного обеспечения электричеством потребителя), питание потребителя будет осуществляться от резервного биогазового генератора, если и этого недостаточно, то от дизель-генератора, переключение режимов осуществляется автоматически (АВР). Окончательный набор установок и оборудования может варьироваться в зависимости от географического расположения и потребляемой мощности объекта, а также от параметров солнечной, ветровой и гидроэнергии на месте. Рекомендуемая мощность одного КЭС ВИЭ для автономного электроснабжения удаленных объектов до 10 кВт.
В качестве перспективной модели в условиях Казахстана можно рассматривать комплексную энергетическую систему, построенную на основе ветровой роторной турбины Болотова (ВРТБ) в комбинации с солнечной фотоэлектрической энергоустановкой совместно подключенных к контроллеру заряда аккумуляторных батарей [5]. В результате использования уникального решения системы ротор-статор, а также эффективного решения электрической схемы и генератора стало возможным достижение КПД на уровне 39-42 %. Эксперты отмечают высокую работоспособность конструкции windrotor ВРТБ при порывистых и неоднородных по скорости ветровых потоках характерных для многих регионов Казахстана, Средней Азии и России.
Расчет стоимости электрической энергии КЭС ВИЭ
В нашем случае при комбинированной системе с применением различных источников ВИЭ стоимость электроэнергии также является определяющим фактором. В результате потребления энергии от КЭС ВИЭ суммарный уровень стоимости единицы электроэнергии и тепло энергии должно быть равна, либо ниже, чем при использовании только одного из видов ВИЭ. Именно в этом заключается одно из преимуществ (экономических) предлагаемой комбинированной энергетической системы.
Для расчета стоимости генерируемой электрической энергии рекомендуется использовать методику расчета приведенной стоимости энергии - LCOE. Значение приведенной стоимости энергии – это минимальная цена, за которую энергия, генерируемая в рамках проекта, должна быть продана для достижения точки безубыточности, т. е. чистый дисконтированный доход будет равен нулю.
Приведенная стоимость энергии рассчитывается как:
| ( 1) |
где 
- капитальные затраты в год, тенге; 
- расходы на техническое обслуживание в год, тенге; 
- затраты на топливо в год, тенге; 
- электрическая энергия, полученная за год, кВт; 
- ставка дисконтирования, %; 
- срок эксплуатации схемы энергоснабжения, лет.
Для расчета приведенной стоимости электроэнергии были использованы данные по четырем схемам комбинации энергетических систем. Схема1- СФС + ВЭС; Схема 2 – СФС + БГДС; Схема 3 – ВЭС + БГДС; Схема 4 - БГДС; Оценочные расчеты приведенной стоимости электроэнергии, вырабатываемой за с использованием рассмотренных схем энергоснабжения в сравнении с другими источниками показывают значения в пределах 0,727 - 1,053 $/кВтч (132 – 187 тенге/кВтч) [3]. Очевидно, что такой уровень стоимости электроэнергии для массового внедрения ВИЭ в условиях Казахстан является неприемлемым. Поэтому для устранения этого барьера в республике должны быть созданы соответствующие институциональные и экономические стимулирующие механизмы. В частности в Казахстане уже принят закон "Об энергосбережении и повышении энергоэффективности", в соответствии с которым в порядке меры поддержки правительством одобрены тарифы на электроэнергию, вырабатываемую ВИЭ: вырабатываемую ветровыми электростанциями - 22,68 тенге за кВтч, для солнечных электростанций - 34, 61 тенге за кВтч, для малых гидроэлектростанций - 16,71 тенге за кВтч и для биогазовых установок - 32,23 тенге [4]. Кроме того, в целях поддержки отечественного производителя фиксированный тариф на электроэнергию, вырабатываемую солнечными электростанциями, использующими фотоэлектрические модули на основе казахстанского кремния, определен в размере 70 тенге за кВтч. Кроме того, физическим лицам, подключенным к энергосистеме, предоставляются финансовая поддержка в виде выплаты 50% от стоимости установки ВИЭ мощностью до 5 кВт. В перспективе будет расширяться практика использования энергетического оборудования на основе возобновляемых источников отечественного производства, которые по стоимости будут значительно выгоднее зарубежных аналогов. Впервые в Казахстане в 2013 году введён в эксплуатацию завод по производству солнечных панелей «Astana Solar», проектная мощность завода - 217 тыс. панелей или 50 мегаватт ежегодно.
Литература:
Стратегия «Казахстан-2050» Новый политический курс состоявшегося государства. Астана. 2013. О Концепции по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике». – Астана, 13 мая 2013 мая № 000. Кпау Зондже Раймонд. Исследование эффективности схем энергоснабжения автономных потребителей на основе солнечной фотоэлектрической станции и электрохимических накопителей энергии. Автореферат диссертации. «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Москва – 2014. Закона Республики Казахстан от 01.01.01 года "Об энергосбережении и повышении энергоэффективности". Нетрадиционные и возобновляемые источники электроэнергии: Учебное пособие АУЭС. Алматы, 2011.– 35 с. Концепция развития топливно-энергетического комплекса Республики Казахстан до 2030 года //Постановление Правительства Республики Казахстан от 01.01.01 года № 000. Устойчивое экономическое развитие и социальная модернизация в Казахстане (опыт и перспективы). М.: Экономика, 2012.