Предпосылки и ограничения развития энергетики возобновляемых источников энергии

Осадчий Г.Б., инженер

За последние 200 лет энергопотребление цивилизации возросло в 5 раз. Это привело к увеличению средней продолжительности жизни вдвое. В два раза сократилась рабочая неделя. И это позволило обеспечить продуктами питания возросшее в шесть раз население планеты [1].

Это стало возможным только потому, что ежегодно мир потребляет столько углерода (органического топлива, добытого из-под земли), сколько Природа накапливала там — 8 млн лет [2].

Такое огромное потребление топлива не случайно, а вызвано все возрастающим оплаченным спросом.

Для анализа проблем энергетики (добычи, производства и поставок энергоносителей), разрабатываются различные имитационные модели.

Так, имитационная модель, предназначенная для характеристики положения с первичными энергоресурсами (ПЭР) в мире, разработана М. Роткопфом, сотрудником компании «Шелл» [3]. Модель состоит из двух блоков (рисунок 1).

Рисунок 1 – Блок-схема имитационной модели по спросу и производству первичных энергоресурсов

В первом блоке рисунка 1 формируется спрос на энергию. Для этого используется производная функции типа

где E  – общий агрегатный спрос на энергию в году t ; N численность населения;  J– индекс жизненного уровня (предполагается, что ежегодный прирост жизненного уровня равен 3 %);  C– усредненная стоимость энергии; A, b,c   y – параметры.

ЗначенияN  и J  задаются вне модели. Переменная C  определяется во втором блоке, который предназначен для оценки долей и уровней ПЭР, добываемых в каждом году прогнозного периода. Эта задача решается исходя из гипотезы о том, что доля каждого вида ПЭР в суммарном объеме находится в зависимости от затрат на их получение. При этом М. Роткопф исходит из того, что рост масштабов производства ПЭР сокращает издержки. Для угля, нефти и газа удвоение производства сокращает издержки на 10 %, для ядерного топлива — на 5 %. Что касается гидроэнергетики и дров, то увеличение масштабов производства, по предположению автора модели, приводит не к падению, а к росту издержек: при удвоении масштабов производства этих видов ПЭР издержки возрастают на 60 %.

Принимаемый рост издержек (замыкающих затрат) на гидроэнергетику и дрова свидетельствует, что их использование давно достигло критического предела. Ведь замыкающие затраты учитывают цепочку хозяйственных последствий, возникающих при малом, не говоря уже о большом, уменьшении ресурсов данной продукции и являются в конечном счете количественной характеристикой хозяйственных последствий малого изменения данного ресурса с позиций народного хозяйства как единого целого.

Изменения в энергетической политике были всегда, проявляя себя в зависимости от ситуации. Так в начале 70-х годов XX века в период энергетического кризиса были реализованы давно назревшие изменения в энергетике, что вызвало в странах Запада многократное удорожание высококачественных энергоресурсов (нефти и природного газа), составляющих до 80 % топливно-энергетического баланса этих стран. Болезненность этих изменений лучше всего характеризует даже не столько введение временных ограничений на потребление энергии, сколько 3 – 4 летняя пауза в их экономическом развитии. Энергетический кризис, последовавший за ним экономический застой и чрезмерные траты на развитие энергетики — естественные следствия отсутствия долгосрочного планирования и прогнозирования производства [4].

В развитии энергетики не все так однозначно.

Так анализ, проведенный ещё в 80^х годах ХХ века советскими учеными [4] показал, что у нас при чрезмерном увеличении добычи угля экономическая эффективность его использования падает до недопустимых пределов.

Повсеместное использование в огромных масштабах органического топлива позволяет с одной стороны обеспечивать человечество необходимыми видами энергии, как на Крайнем Севере, так и в тропиках, а с другой — приводит к ряду негативных факторов, наблюдающихся у современных энергетических комплексов и систем мирового и российского ТЭК и потребителей энергии.

К характерным признакам сегодняшних угроз безопасности, например, для населения Сибири можно отнести: дефицит инвестиционных ресурсов, низкую эффективность ресурсо- и энергосберегающей деятельности; нарушение поставок оборудования, материалов, топлива; недостаточную развитость транспорта энергии; сниженные объемы комбинированной выработки тепловой и электрической энергии; монопольную топливную зависимость ТЭК региона от поставок топлива и др.

Особенно тревожное положение в Сибирском федеральном округе сложилось с отрицательным балансом по природному газу (таблица 1) [5]. Таблица 1 – Производство и потребление газа в Сибирском федеральном округе в начале 21 века, млн м³

Как следует из таблицы 1, Сибирский федеральный округ находится по газу практически в полной зависимости от поставок.

У малых поселений, в отличие от города есть свои трудности по освоению комбинированной выработки энергии. Стоимость малой системы когенерации на основе газа, в настоящее время превышает 5000 $/кВт.

Есть в России также и проблемы у электроэнергетики, являющейся основой любой производственной деятельности и комфортного быта.

Из-за невозможности охватить централизованным электроснабжением всю страну, 70 городов, 360 поселков городского типа, 1400 мелких населенных пунктов вынуждены использовать 49,5 тысяч дизель-электрических станций (ДЭС), вырабатывающих 50 млдр кВт∙ч электроэнергии в год. Расход топлива при этом составляет 6 млн т у.т./год [6].

Стоимость оплаченной населением и производством такой электроэнергии при средней цене 1 кВт∙ч равной 10 рублей составляет 500 млрд рублей !!! При этом даже такая плата не решает многие проблемы. Сейчас в стране стремительно развивается использование интернета, электронной почты, мобильных телефонов. Но как ими пользоваться, если электроэнергия в ряде мест генерируется ДЭС не более 6 – 10 часов в сутки.

По оценкам специалистов Института проблем рынка РАН, прямой годовой экономический ущерб, вследствие, негативных антропогенных воздействий на окружающую среду в России в середине 90-х годов составлял порядка 10 % от величины ВВП.

И в тоже время на государственном уровне годовой экономический результат  от энергетики возобновляемых источников энергии (ВИЭ) может проявиться в стоимости сохраненных для будущих поколений природных ресурсов  (нефти, угля, газа), в возможном увеличении прибыли от продажи экспортно-ориентированных видов природных ресурсов , а также в выручке от продажи квот на выброс парниковых газов (СО, СО₂) в соответствии с Киотским протоколом () [7]:

;

На сегодняшнем этапе из ВИЭ и вторичных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) автором предлагается использовать, солнечную энергию с теплотой неиспользованной в термодинамических циклах и геотермальную энергию.

Возможность самого широкого использования солнечной энергии (радиации) летом в средней полосе России не вызывает сомнения, исходя из её значений, приведенных в таблицах 1, 2 и 3 [8].

Таблица 1 – Суммарная радиация на горизонтальную поверхность при безоблачном небе (ккал/мес.∙см²) (возможные суммы)

Азиатская территория СНГ

Европейская территория СНГ

Таблица 2 – Месячные суммы суммарной радиации (в % возможной суммы)

Наибольший процент от возможной суммарной радиации составляет в Средней Азии летом (95 %) и на Дальнем Востоке зимой (88 %).

Таблица 3 – Доля прямой радиации в суммарной при действительных условиях облачности (%)

Число дней в год с отрицательным радиационным балансом.

Омск — 120; Архангельск — 160; Братск — 130; Чита — 115; Семипалатинск — 105; Пинкс, Южно-Сахалинск — 95; Дзесказган — 70; Кишенев — 60.

Исходя из величин поступающей в пределах средней полосы России солнечной радиации (таблицы 1, 2 и 3), автором предлагаются технические решения (технологии) солнечной энергетики, которые могут стать гарантом локальной экологической и энергетической безопасности. Они призваны обеспечить эффективную выработку энергии пяти видов: теплоты, потока жидкости, механической и электрической энергии и холода (рисунок 2) [8].

Рисунок 2 – Составные элементы предлагаемой для средней полосы России солнечной энергетики на базе солнечного соляного пруда

Разработанные в КБАЭ «ВоДОмёт» (г. Омск) для малых конечных потребителей энергии (рис. 2) технологии использования возобновляемых и вторичных ТЭР, призваны:

• обеспечить в любое время года, в любую погоду, для города, села, предприятия: сохранность зданий и сооружений, технологического оборудования, животных и птицы, выращенного урожая, сырья и готовых изделий (продуктов), а также проведение посевной и уборочной;

• обеспечивать удовлетворение физиологических потребностей человека в микроклимате жилища и в санитарно-медицинском минимуме;

• поддерживать транспортное сообщение в минимально допустимом объеме за счет выработки для транспортных средств топлива (биометана).

По экологическим показателям, в сравнении с другими энергоисточниками солнечные прудовые установки и системы предпочтительнее, поскольку фактически не имеют никаких выбросов, а слабый нагрев грунта под прудом, при хорошей теплоизоляции, не будет намного превышать сезонных температурных колебаний от солнечной радиации.

Малая энергетика на базе солнечного соляного пруда месте с другими устройствами и системами солнечной энергетики (плоские солнечные коллектора, солнечные электрические станции, фотоэлектрические преобразователи и т.д.) может и должна обеспечить энергией летнюю производственную деятельность малых поселений практически любых территорий средней полосы России.

Конечно, в летний период, когда повышается выработка электрической энергии на ГЭС, необходима координация работы этих производителей энергии. А зимой дополнительное обеспечение малых поселений возросшим сезонным спросом на тепло и электроэнергию можно возложить на геотермальную энергетику

Однако сегодня говорить об однозначном эффективном использовании геотермальной энергии по всей территории России не приходится, по следующим причинам.

Качество (температура) геотермальной энергии как видно из рисунок 3 различных источников отличается на порядок.

Рисунок 3 – Распределение мировых запасов геотермальной энергии в зависимости от температуры источников [9].

Это и предопределяет использование геотермальных месторождений в России в основном на Камчатке и на прилегающих к Северному Кавказу территориях.

Так как все геотермальные станции мира являются наземными, то этим обусловлен их существенный недостаток: поступая к турбинам по скважинам, пар или горячая вода за время транспортировки теряют до 30 % температуры и давления.

Поэтому для увеличения срока эксплуатации скважин, практика использования геотермальных источников в России иногда включает в себя накапливание гидротеплопотенциала в летний период, когда для целей теплоснабжения используется солнечная энергия.

Обоснование, хотя и не однозначное, такого перерыва в использовании геотермального тепла можно проиллюстрировать графиками рисунков 4 и 5 [10].

Рисунок 4 – Характер изменения температуры теплоносителя (флюида, подземных вод) в нагнетательной (а) и в эксплуатационной скважине (б) с увеличением времени циркуляции (t)

На рисунке 4 мы имеем пример графического изображения изменения температуры теплоносителя в скважинах и тепловом коллекторе, расположенном на глубине нескольких километров.

t₁ (а₀ – а₁) и t_2,3 (а₀ – а_2,3) — это линии (графики) изменения температуры теплоносителя при его движении в нагнетательной скважине вниз в различные периоды эксплуатации. t₁ (б_1,2 – в₁), t₂ (б_1,2 – в₂) и t₃ (б₃ – в₃) — это линии изменения температуры теплоносителя при его движении в эксплуатационной скважине вверх в различные периоды эксплуатации. t₀ — это график естественного изменения температуры недр по глубине, для рассматриваемого геотермального месторождения. Линия а_2,3 – б₃(б_1,2) характеризует изменение температуры теплоносителя при его движении в коллекторе от нагнетательной к эксплуатационной скважине.

В начальный период эксплуатации скважин, изменение температуры теплоносителя будет соответствовать циклу а₀ – а₁ – б_1,2 – в₁ – а₀. В этот период времени массив грунта вокруг средней и нижней частей нагнетательной скважины имеет достаточно высокую температуру, и поэтому теплоноситель будет значительно нагреваться на пути к коллектору. Точка а₁ смещена вправо. В то же время поскольку средний и приповерхностный массив грунта вокруг эксплуатационной скважины имеет низкую температуру, особенно у поверхности, то точка в₁ смещена влево (средние и приповерхностные слои грунта охлаждая теплоноситель аккумулируют теплоту, чтобы часть её отдать потом, по мере истощения термального ресурса коллектора, теплоносителю в конце срока эксплуатации)

В процессе эксплуатации скважин и выработки геотермального тепла цикл изменения температуры постепенно смещается и начинает переходить через точки а₀ – а_2,3 – б_1,2 – в₂ – а₀. В этот период температура на выходе из эксплуатационного коллектора максимальна, а значит эффективность работы самая высокая (если конечно дебит скважин не изменился и расход энергии на прокачку теплоносителя через коллектор резко не возрос).

При завершении эксплуатационного периода цикл изменения температуры проходит по точкам а₀ – а_2,3 – б₃ – в₃ – а₀. Это период быстрого расходования запасов тепла не столько коллектора, сколько тепла аккумулированного массивом грунта, охватывающего эксплуатационную скважину.

Удается ли восстанавливать (пополнять) и насколько геотермальные ресурсы при перерывах в работе скважин в летний период однозначного ответа мы можем и не получить, т.к. глубинный массив грунта вокруг нагнетательной скважины однозначно будет прогреваться, а верхний остывать. В то же время нижний массив грунта вокруг эксплуатационной скважины может или повысить или вероятнее всего понизить температуру, а верхний понизить за счет рассеивания тепла в удаленные от скважины области. Здесь большое значение имеет наличие артезианских вод на глубинах 1 – 1,5 км, их температура и подвижность. Кроме того, сам коллектор отделенный от нижнего и верхнего горизонтов теплоизоляционными слоями глины может не получить ожидаемого (требуемого) количества тепла.

Рисунок 5 – Распределение температуры недр: 1 – на момент окончания эксплуатации; 2, 3 – соответственно через 8 и 32 года после окончания эксплуатации.

Приведенное на рисунке 5 распределение температур получено [10] решением уравнения теплопроводности по неявной схеме для следующих исходных данных: глубина нейтрального слоя 25 м, температура нейтрального слоя 3 ⁰С, глубина залегания эксплуатируемого коллектора 3 км, мощность коллектора 300 м, начальная температура пород 250 ⁰С, минимальная температура ПТК (в окрестности нагнетательной скважины) 65 ⁰С, период установления минимальной температуры 1 год, продолжительность эксплуатации ПТК 10 лет, максимальная глубина расчета температур 6 км.

Результаты расчета (рис. 5) показывают что, если в период эксплуатации зона температурного возмущения  распространяется на сравнительно небольшое расстояние от коллектора, то в период восстановления она довольно быстро охватывает значительную толщу вмещающих пород. Однако изменения температуры приповерхностных слоев невелики и вряд ли могут представлять какую-либо опасность для окружающей среды. Очевидно, они могут заметно влиять на температуру нейтрального слоя только при сравнительно небольшой глубине залегания эксплуатируемого горизонта, что встречается редко на практике.

Как видно из рисунков 4 и 5 геотермальное месторождение только условно можно считать возобновляемым источником энергии из-за того, что при его полной или частичной выработке восстановление ресурса тепла идет очень медленно, дольше жизни одного поколения, когда наиболее дорогая часть работ (пробуренные скважины) практически не имеют ликвидной стоимости.

Несмотря на это использование геотермальной энергии в России может быть весьма существенно, поскольку Россия обладает высоким потенциалом геотермальной энергии, а Западная Сибирь является самым богатым регионом страны по её запасам. Считается, что если температура геотермальных источников, при низкой плотности проживания, превышает 100 ⁰С, то выгодна генерация электрической энергии на геотермальных электростанциях (ГеоЭС). Если температура немного меньше 100 ⁰С, то горячая вода может быть использована для теплоснабжения, а при пониженных температурах необходимо использование тепловых насосов (ТН).

Температура геотермальных источников в Новосибирской области достигает 39 ⁰С, а в Томской области — 85. В Омской области 72 % территории имеют под собой геотермальные воды, особенно в юго-восточных районах, где температура воды достигает 65 ^оС [11].

Запасы большинства геотермальных месторождений на Камчатке также имеют низкие и средние температуры, что не позволяет обеспечить их конкурентоспособность с традиционными энергоносителями. Это на протяжении десятков лет тормозило развитие геотермальной энергетики.

Выход из тупика был найден в Институте Проблем Геотермии ДНЦ РАН, где выяснили, что на многих эксплуатируемых геотермальных месторождениях устьевые избыточные давления превышают 5 – 10 МПа (50 – 100 кгс/см²) и более, и такие воды содержат значительное количество растворенных газов органического происхождения, доходящее до 4 – 5 м³/м³ и более. Ученые выяснили, что содержание метана в этих водах превышает более 90 %. И до сих пор при эксплуатации месторождений эти виды энергий не утилизировались должным образом.

Ученые Института, исходя из конкретных параметров геотермальных источников, разработали технологию оптимальной утилизации энергии термальных вод и повысили термодинамическую эффективность процесса.

Эта цель ими была достигнута путем передачи через промежуточные теплообменники тепловой энергии геотермальной воды вторичному теплоносителю с использованием в качестве дополнительного источника энергии химической энергии растворенных газов.

Передача осуществляется посредством использования первичного и вторичного сепараторов. Отличительной особенностью их технологии является то, что в качестве дополнительного источника энергии используется сопутствующая потенциальная энергия геотермальной воды. В качестве преобразователей потенциальной энергии используется детандер и компрессор на одном валу, а для использования энергии растворенных газов используется газгольдер и газораспределительный пункт.

Таким образом, на основе данной технологии появилась возможность эффективно развивать геотермальную энергетику низких и средних температур, которая будет конкурентоспособна с энергетикой, использующей топливо на основе углеводородов [12].

Также существенным минусом геотермальных станций, использующих месторождения с низким температурным потенциалом — станций теплоснабжения является то, что для циркуляции теплоносителей (горячих рассола и воды) требуется сторонний источник электроснабжения.

И в то же время климатические условия для ГеоЭС в средней полосе России уникальны, из-за аномально низких температур. Это позволяет снизить температуры конденсации, особенно зимой, что может дать прирост (на 20 – 40 %) в выработке электроэнергии по сравнению с ГеоЭС, которые расположены в районах жаркого и умеренного климата.

Использование геотермального тепла зимой могло бы обеспечить выработку разнообразных видов энергии для организации различной производственной деятельности. Но для этого геотермальной энергетике, чтобы стать эффективной на территории России требуется решить ряд сложных задач.

Как видно из изложенного, солнечное излучение и геотермальное тепло могут стать источниками энергии для систем энергоснабжения в России, круглогодично обеспечивая децентрализованные территории энергией соответствующего вида и потенциала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Никонов А. «Прощай, немытая Россия!» / А. Никонов // Огонек. 1996. № 8. С 58 – 61.

2 Пантелейкин Е. Владимир Кирилин: «Первый шаг к глубокой переработки мягколиственных пород древесины» / Е. Пантелейкин // Промышленные страницы Сибири. 2008. № 2. С 22 – 24.

3 Новые явления в энергетике капиталистического мира / Ред. коллегия Е.М.Примаков, Л.М.Громов, Л.Л. Любимов. М.: Мысль. 1979. 279 с.

4 Макаров А.А. Топливно-энергетический комплекс / А.А. Макаров, А.Б. Вигдорчик М.: Наука, 1979. 279 с.

5 Мастепанов А.М. Экономика и энергетика регионов Российской Федерации / А.М. Мастепанов, В.В. Саенко, В.А. Рыльский и др. М.: Экономика, 2001. 476 с.

6 Изобретатель и рационализатор. 2007. № 5. С 10.

7 Лебедь Д.В. Использование биотоплива. Методические подходы к определению экономической эффективности инвестиций / Д.В. Лебедь // Промышленная энергетика. 2007. № 7. С. 45 – 47.

8 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

9 Всемирный геотермальный конгресс WGC-2005 // Теплоэнергетика. 2006. №3. С 78 – 80.

10 Дядькин Ю.Д., Парийский Ю.М. Извлечение и использование тепла Земли. Л.: 1997.

11 Лебедев В. М. Теплоэнергетика региона.– Омск, 1998. – 102 с

12 Обзор новостей Новое применение энергии геотермальных вод готовят российские ученые // Новая энергетика. 2003. № 2. С. 52.

Автор: Осадчий Геннадий Борисович, инженер, автор 140 изобретений СССР.

Тел дом. (3812) 60-50-84, моб. 8(962)0434819

E-mail: genboosad@mail.ru

Для писем: 644053, Омск-53, ул. Магистральная, 60, кв. 17.