К основным недостаткам, ограничивающим применение ВИЗ следует отнести относительно низкую энергетическую плотность и крайнюю изменчивость. Низкая удельная мощность потока энергоносителя приводит к увеличению массогабаритных показателей энергоустановок. а изменчивость первичного энергоресурса, вплоть до периодов его полного отсутствия, вызывает необходимость в устройствах аккумулирования энергии или резервных энергоисточников. В результате, стоимость производимой энергии оказывается высока даже при отсутствии топливной составляющей в совокупной цене энергии.
Повышение энергетической эффективности установок, использующих ВИЗ. является весьма актуальной проблемой, которая решается различными путями, предусматривающими как улучшение технико- экономических характеристик собственно энергетического оборудова- ния. так и оптимизацию его энергетических балансов и режимов с уче- том изменяющейся нагрузки и энергии возобновляемого источника. С точки зрения процесса энергопреобразования первичного энергоносите- ля в электроэнергию и ее потребления, возобновляемую энергетику следует разделять на автономную и связанную с электроэнергетической системой относительно большой мощности. В первом случае энергоба- ланс децентрализованной системы электроснабжения определяется соотношением графика электрических нагрузок системы и изменением энергетического потенциала возобновляемого энергоресурса.
Указанные обстоятельства вызывают необходимость согласования энергоустановок возобновляемой энергетики с потребителем.
В процессе согласования должны решаться следующие задачи.
- 1. Обеспечение максимально эффективного использования возоб-новляемого энергоресурса.
- 2. Согласование вырабатываемой и потребляемой электроэнергии, что. в большинстве случаев, требует включения в энергосистему нако- пителей энергии.
- 3. Управление режимами работы преобразователей энергии, регу- лирование параметров генерируемой электроэнергии. Для решения указанных задач используются различные схемные решения энергоустановок.
Система со сбросом излишков энергии (рис. 1)
Данный способ согласования мощностей возобновляемых энергоисточников и потреби- телей отличается максимальной простотой и заключается в использова- нии части потенциала первичного энергоносителя, необходимой для энергообеспечения текущего значения нагрузки потребителя. Остав- шаяся энергия возобновляемого источника не используется. Системы энергообеспечения такого типа широко применяются в конструкциях гидроэлектростанций, ветроэлектростанций с изменяемым шагом вет- ротурбин. в системах солнечного обогрева с управляемыми заслонками и др. 2. Системы с накопителями энергии. Излишки энергии первично- го энергоносителя, по отношению к текущему значению полезной на- грузки. могут аккумулироваться и. в свою очередь, питать нагрузку в периоды недостатка потенциала возобновляемого энергоресурса. В качестве накопителей энергии могут использоваться различные устройст- ва: гндроаккумулируюшие системы, маховики, аккумуляторные батареи и др. Данные системы более эффективно используют первичный энер- горесурс и широко применяются практически во всех типах энергоустановок возобновляемой энергетики. 3. Системы с регулированием нагрузки. 1акне системы ооеспечн- вают полное использование первичного энергоресурса за счет управле- ния текущей мощностью нагрузки. Регулирование нагрузок обычно осуществляется автоматически с помощью полупроводниковых авто- балластных систем. В качестве балластных нагрузок низкого приорите- та применяются нагревательные устройства. Следует отметить, что кроме максимального использования пер- вичного энергоресурса подобные системы позволяют эффективно управлять режимом первичного преобразователя энергии и. в ряде слу- чаев. параметрами выходного напряжения.
Сетевые электростанции, использующие возобновленные энерго- ресурсы, не требуют устройств аккумулирования и резервирования электроэнергии. Мощная электрическая система способна полностью принять всю энергию, вырабатываемую электростанцией. Кроме того, энергосистема способна эффективно влиять на режим станции, рабо- тающей синхронно с сетью. Отмеченные особенности несколько упрощают и удешевляют конструкцию сетевых установок возобновляемой энергетики по сравнению с автономными электростанциями. Увеличение суммарной мощности установок возобновляемой энергетики по отношению к мощности энергосистемы приводит к необходимости решения некоторых проблем, характерных для энергобалансов автономных систем. В частности, приходится решать проблему перераспределения мощностей между топливными электростанциями и электростанциями на ВНЭ с целью энергообеспечения потребителей при минимальном расходе топлива. Такие проблемы успешно решаются в некоторых странах — лидерах в практическом использовании возобновляемой энергетики. например в Германии.
Интенсивные работы по совершенствованию технико- экономических характеристик энергоустановок и комплексов на основе возобновляемых источников энергии, проводимые во многих странах, определили впечатляющую динамику снижения затрат на производство «зеленой» электроэнергии.
Динамика стоимости электроэнергии, получаемой от традиционных и возобновляемых энергоресурсов, а также удельные капиталовло- жения в традиционные и нетрадиционные электростанции (1980/2000 гг.) пока заны в таблице. В частности: с 1980 г. по 1990 г. удельные стоимости за 1 кВт ус- тановленной мощности и 1 кВт-ч вырабатываемой энергии снизились с 50000$ до 20000$ и с 1,5$ до 0.35$ на солнечных электростанциях и с 3000$ до 1750$ и с 0.25$ до 0.07$ на ветровых электростанциях . что определило их конкурентоспособность с традиционной энергети- кой. Основные причины выявленной тенденции многочисленны. Среди них. в первую очередь, следует отметить: непрерывный рост стоимости ископаемого топлива, при реальных ощутимых объемах его исчерпания, и стремительный рост значимости социально-экологических факторов на Земле. Другой весомой причиной является снижение стоимости обо- рудования ВИЗ с развитием научно-технического прогресса. Экологически чистые возобновляемые источники энергии и уста- новки на их основе могут сократить объемы вредных выбросов в атмо- сферу. В качестве примера в таблице 3 приведены статистические дан- ные. показывающие, насколько могут уменьшаться вредные выбросы в атмосферу при уменьшении выработки энергии на традиционных видах электростанций на 1 кВт-ч и на 10б кВт ч. Перевод энергетики на широкое использование атомной энергии позволяет решить проблемы выбросов твердых веществ и углекислого газа, однако массовое строительство АЭС поставило не решенную пока проблему использования или захоронения радиоактивных отходов. Кроме того, остается проблема теплового загрязнения, поскольку ядер- ное топливо в естественном состоянии практически не влияет на тепло- вой баланс планеты.
Таким образом, ясна необходимость перехода от ископаемых, невозобновляемых источников энергии — нефти, газа, угля и в определенной степени радиоактивного топлива, к источникам более высокого экологического качества. Такими являются возобновляемые источники энергии. Как отмечалось ранее, их важнейшей особенностью является то. что они в своем естественном состоянии в полной мере принимают участие в энергетическом (тепловом) балансе планеты, и поэтому их использование человеком не приведет к изменению этого баланса, что позволит поднять уровень потребления энергии до любого разумного, требуемого соответствующим этапом развития индустриального обще- ства. значения. Действующая энергетическая политика представляет собой без- жалостную. недальновидную эксплуатацию природы и ископаемых ре- сурсов. что может привести к глобальным изменениям на нашей плане- те с последствиями, которые даже трудно представить. Выработка электроэнергии за счет возобновляемых источников, конечно, не представляет собой абсолютно экологически «чистый» ва- риант. Эти источники энергии обладают принципиально иным спектром воздействия на окружающую среду. но не имеющим глобально- го характера по сравнению с традиционными энергоустановками на ор- ганическом и минеральном топливе.
Расчеты экологического ущерба от электростанций, использую- щих возобновляемые источники энергии. показывают, что заметное воздействие на окружающую среду могут оказывать объекты большой мощности.
Однако, установки средней и малой мощности можно считать практически безвредными в отношении окружающей среды, эколо- гический эффект от их эксплуатации будет неизмеримо выше их возможного экологического ущерба. Вклад нетрадиционных возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс в перспективе оценивается от 1-2% до 10%. хотя уже сегодня есть страны, где доля этих источников превыша- ет половину национального энергетического баланса. Доля возобнов- ляемых источников энергии в топливо-энергетическом комплексе раз- ных стран мира постоянно возрастает. Это касается как развитых стран (США. Германия. Япония. Франция. Италия и др.). так и. особенно, раз- вивающихся. Например, в 2000 г. доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии составила: Норвегия — 99.7%. Исландия — 99.9%. Новая Зеландия — 72%. Австрия — 72.3%, Канада — 60.5%, Швеция — 57.1%. Швейцария — 57.2%. Финляндия — 33,3%. Пор- тугалия — 30.3%. Последнее десятилетие прошлого века для мира в це- лом характеризовалось неуклонным ростом доли возобновляемых ис- точников энергии в общем энергобалансе большинства стран мира. На- пример. Великобритания — с 2.1% до 2,7%: Германия — с 3.7% до 6.3%; Франция — с 13.3% до 14.6%: Италия — с 16.4% до 18.9% и т.д. [9.29]. По различным экспертным оценкам общая установленная мощ- ность в мире энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии, составлявшая на конец 2000 г. около 123 ГВт по электроэнер- гии и 230 ГВт по тепловой энергии, должна увеличиться к 2010 г. при- мерно в три раза по электрической (380-390 ГВт) и в два раза (400-420 ГВт) по тепловой мощности. Наибольшими темпами в последние годы развивается мировая ветровая и солнечная энергетика (до 30% прироста мощности ежегодно) [8.26.27]. По данным IEA. использование мировых первичных возобновляемых источников энергии эквивалентно сегодня 13.8% общей добычи всех первичных энергетических ресурсов, распределяющихся следующим образом: биомасса (11%), гидроэнергия (2.3%), солнечная энергия (0.039%). энергия ветра (0.026%). геотермальная (0.442%). энергия морских приливов (0.004%). Использование этого потенциала зависит от государственной политики каждой страны, и в настоящее время достигает 17.5% от общего количества ресурсов. Из них 58% идет на жилой сектор, 18% на потребности промышленности. 21% преобразуется в электроэнергию и 3% идет на другие виды деятельности . Из возобновляемых источников энергии, преобразуемых в электрическую энергию, наибольшее распространение имеет гидроэнергия, на которую приходится 19%, на биомассу — 1.5%, а на остальные источники. такие как ветровая, солнечная, геотермальная энергии — около 0,5% [28]. Экономический потенциал ВИЭ России и его распределение по регионам представлены в таблице 4. По другим оценкам, экономический потенциал ВИЭ на террито- рии России составляет 270 млн. т.у.т., в том числе по видам энергоис- точников: солнечная энергия — 12.5. ветровая — 10. геотермальная — 115. энергия биомассы — 35. энергия малых рек — 65. энергия низкопотенциальных источников тепла — 31.5 млн. т.у.т.