НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра «Электроснабжения промышленных предприятий»

В.Н. Мукажанов

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Учебное пособие

Алматы 2010

УДК 658.26

ББК 31.25я73

Д21 Возобновляемые источники энергии

Учебное пособие/ В.Н. Мукажанов

АУЭС. Алматы, 2010. – 80 с.

ISBN 9965-850-28-3

Возобновляемые источники энергии - учебная дисциплина в практике отечественного образования, определяющая комплекс правовых, организационных, научных, производственных, технических, информационных и экономических мер, реализация которых направлена на эффективное использование энергетических ресурсов и вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.

На основе обобщения работ отечественных и зарубежных ученных и специалистов в учебном пособии изложены основы о возобновляемых источниках энергии, в рамках учебной дисциплины.

Учебное пособие предназначено для студентов обучающимся по специальностям 5В071800 - «Электроэнергетика».

Ил. 18, табл. 11, библиограф. - 22 назв

ББК 31.25я73

РЕЦЕНЗЕНТЫ: КазАТК , канд.техн. наук, доц. М.С. Жармагамбетова

АУЭС, канд.техн. наук, доцент Бакенов К.Е.

Печатается по плану издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2010 год

ISBN 9965-850-28-3

Содержание

	Введение	4
1	Анализ современного состояния и международный опыт эффективного использования энергии и возобновляемых ресурсов	6
1.1	Возобновляемые ресурсы	8
1.2	Энергосбережение и возобновляемые источники энергии	15
2	Солнце – как источник возобновляемой энергии	21
2.1	Мировой опыт развития гелиоэнергетики	22
2.2	Солнечная энергетика	25
2.3	Фотоэлектрическая энергия	28
2.4	Солнечное теплоснабжение	29
2.5	Гелиоэнергетика	31
3	Ветроэнергетика	34
3.1	Развитие ветроэнергетики в мире	34
3.2	Перспективы развития ветроэнергетики в Казахстане	38
3,3	Ветровые электрические станции	40
4	Биоэнергетика	50
4.1	Биотопливо	50
4.2	Биоэтанол	52
4.3	Биомасса	53
4.4	Биогаз	55
5	Теплонасосные установки – как нетрадиционный источник энергии	57
6	Геотермальная энергетика	62
6.1	Современное состояние геотермальной энергетики в мире	62
6.2	О современной классификации геотермальных полей и месторождений	63
6.3	Получение электроэнергии из геотермальных месторождений	64
6.4	Затраты на производство электроэнергии	66
6.5	Прямое использование геотермальной энергии	66
6.6	Использование неглубокозалегающих низкотемпературных источников геотермальной энергии	69
6.7	Технология освоения геотермальных ресурсов	71
6.8	Основные направления и сферы использования геотермальных ресурсов	71
6.9	Использования геотермальных ресурсов Казахстана	73
7	Гидроэнергетика	74
7.1	МикроГЭС и малые ГЭС	75
7.2	Потенциал гидроэнергетики	76
8	Энергосбережение и возобновляемые источники энергии	76
	Заключение	79
	Список литературы	80

Введение

В современных развитых странах на первый план выдвигаются параметры качества жизни. Здоровье населения и состояние окружающей среды рассматриваются в ряду основных критериев конкурентоспособности государства. Растет спрос на экологически чистые продукты питания. Прогнозируется повышение спроса на натуральные волокна и материалы, которые при утилизации разлагаются, не загрязняя окружающую среду. Бурно развивается производство биотоплива, которое не нарушает экологического равновесия. Особо актуальными становятся экологически безопасные гидро-, ветро- и гелиоэнергетика, геотермальная энергетика (теплота грунта, грунтовых и геотермальных вод).

Возобновляемые ресурсы и альтернативные источники энергии – важнейший аспект развития казахстанской экономики и фактор обеспечения энергетической безопасности страны на длительную перспективу. При этом Казахстан обладает значительными возможностями поэтапной переориентации экономики на использование возобновляемых ресурсов.

К возобновляемым ресурсам в условиях Республики Казахстан относятся земельные, водные и биологические (биосферные) ресурсы, к возобновляемым источникам энергии – солнечная, ветровая, гидроэнергетика, биоэнергетика, теплота грунта, грунтовых и термальных вод. Потенциальные резервы использования этих ресурсов в Казахстане оцениваются в 12 миллиардов долларов в год.

Эффективное использование энергии и возобновляемых ресурсов является необходимым условием устойчивого развития Республики Казахстан в XXI веке.

В Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы, одобренной Указом Президента Республики Казахстан от 14 ноября 2006 года № 216, в Республике Казахстан необходимо принятие мер по эффективному и рациональному использованию возобновляемых ресурсов и альтернативных источников энергии путем внедрения более современных технологий использования земельных, водных, лесных, рыбных, растениеводческих и животноводческих ресурсов и возобновляемых источников энергии; стимулирования рационального использования гидроэнергетических ресурсов, объектов солнечной и ветровой энергетики и других возобновляемых ресурсов и альтернативных источников энергии.

Проект Закона «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» базирующийся на выдаче сертификатов ВИЭ вероятно будет стимулировать внедрение ВИЭ в энергетику, но слабо стимулирует их использование населением.

В то же время, в условиях рынка электроэнергии, возобновляемые источники энергии практически не осваиваются, за исключением крупных гидроэлектростанций. Основной причиной является неконкурентность возобновляемых источников энергии в условиях существующего рынка электроэнергии. К примеру, с учетом возврата инвестиций стоимость электроэнергии от малых ГЭС может составлять порядка 7-9 тенге/кВтч, стоимость электроэнергии от ветроэлектростанций – 8-10 тенге/кВтч. Сегодня стоимость электроэнергии на оптовом рынке электроэнергии составляет порядка 2,5 тенге/кВтч, с учетом транспорта электроэнергии по национальной электросети - порядка 3-3,5 тенге/кВтч. В то же время, после возврата инвестиций, стоимость электроэнергии от возобновляемых источников энергии является вполне конкурентной стоимости электроэнергии на рынке, демонстрируя стабильность и независимость от колебаний стоимости топлива на рынке.

Запасы невозобновляемых природных ресурсов в Республике Казахстан могут быть исчерпаны в течение ограниченного исторического периода. При экстенсивной эксплуатации, по оценкам экспертов, сегодняшних запасов нефти в Казахстане хватит на 70 лет, природного газа – на 85 лет. Горно-металлургическая промышленность находится на грани исчерпания разведанных эффективных месторождений, база геологических исследований не расширяется. Железной руды осталось немногим более чем на 80 лет, алюминия – на 90 лет, медь исчерпается уже через 20 лет. Свинцово-цинковая отрасль обеспечена на 25 лет, хромоворудная – на 50 с небольшим лет, по никелю залежи полностью освоены.

Таким образом, для использования возобновляемых источников энергии в условиях рынка электроэнергии необходимы механизмы поддержки для привлечения инвестиций в возобновляемую энергетику.

1 Анализ современного состояния и международный опыт эффективного использования энергии и возобновляемых ресурсов

Природные ресурсы, используемые в народно-хозяйственной деятельности, подразделяются на невозобновляемые и возобновляемые. Невозобновляемые ресурсы используются гораздо быстрее, чем могут быть восполнены, либо не могут быть восполнены вообще. Это в первую очередь полезные ископаемые, срок формирования которых исчисляется длительными геологическими периодами. Невозобновляемыми могут стать и возобновляемые ресурсы в случае их нерационального использования.

Главной мировой тенденцией в условиях надвигающегося дисбаланса между возобновляемыми и невозобновляемыми ресурсами и неизбежного исчерпания ряда полезных ископаемых, становится внедрение технологий максимально эффективного использования возобновляемых ресурсов.

Общим для всех стран, с динамично развивающейся экономикой на основе возобновляемых ресурсов, является целенаправленная политика, стимулирующая развитие соответствующих отраслей, через научные, образовательные программы, поддержку инвестиций, создание благоприятных таможенного и налогового режимов, предоставление льгот при внедрении наиболее эффективных технологий, поощрение экспорта и другие меры.

Необходимость государственной поддержки обусловлена тем, что инвестиции в возобновляемые ресурсы не окупаются так быстро, как инвестиции в эксплуатацию минерально-сырьевых ресурсов. Скорость выработки минерально-сырьевых ресурсов зависит лишь от технических возможностей и потребности рынка, в то время как скорость использования возобновляемых ресурсов всегда ограничена скоростью их восполнения.

Международный опыт свидетельствует, что жизненный цикл формирования конкурентоспособных отраслей на основе возобновляемых ресурсов составляет ориентировочно 20-25 лет.

За это время отрасль проходит через следующие стадии развития:

Стадия 1. Создание государством законодательных, научных, образовательных, финансовых предпосылок и стимулов для развития отрасли, обучение специалистов, создание научно-технологических центров, проведение исследований и подготовка программ, в т.ч. с привлечением экспертов-консультантов из стран-лидеров – ориентировочно 1-3 года. В последующем государство вносит необходимые корректировки.

Стадия 2. Первоначальные инвестиции в развитие компаний, становящихся пионерами во внедрении эффективных технологий. Занимает ориентировочно 5-7 лет, зачастую происходит параллельно с 1-м этапом и сопровождается участием государства для разделения рисков. На этом этапе происходит постепенный рост отрасли.

Стадия 3. Широкое распространение позитивного опыта, массовые инвестиции в отрасль, расширение и достижение критической массы, формирование узнаваемых брендов, выдвижение конкурентоспособной продукции на международный рынок – еще 5-7 лет, сопровождается стремительным ростом производственных и экспортных показателей.

Стадия 4. Окончательное формирование отрасли и закрепление позиций на мировом рынке, стабилизация показателей – в среднем 5-7 лет.

Все стадии развития отображены на рисунке 1.

создание предпосылок	1-3 года

начало роста (компании-пионеры)		5-7 лет

накопление критической массы, выход на внешние рынки			5-7 лет

формирование реальных кластеров, закрепление на мировых рынках				5-7 лет

20-25 лет

Рисунок 1.1 - Цикл формирования отрасли на основе возобновляемых ресурсов

Сравнение с некоторыми странами евразийского региона говорит о том, что Казахстан мог бы использовать имеющийся потенциал во много раз эффективнее (см. таблицу 1.1).

Таблица 1.1 - Казахстан и близлежащие страны в разрезе экономического потенциала отраслей на основе возобновляемых ресурсов

	Казахстан	Россия	Китай	Индия
Общий земельный фонд, млн. га	272,5	1 709,8	959,7	328,8
Используемые сельскохозяйственные угодья, млн. га	82,5	192	530,0	177,5
Пастбища, млн. га	189,0	68,0	400,0	13,1
Пашни, млн. га	23,4	122,1	130,0	141,0
Лесной фонд, млн. га	26,8	1 104,8	175,0	63,5
Водный фонд, млн. га	3,8	27,9	26,8	31,2
Поголовье КРС, млн. голов	5,7	23,4	133,8	289,0
Поголовье мелкого рогатого скота, млн. голов	14,3	18,4	299,0	57,9
Доля сельского хозяйства в ВВП, %	5,5	5,0	14,4	20,6
ВВП, млрд. долл. США	5705	53076	1 790,0	720,3
Продукция сельского хозяйства, $/га	243,8	434,7	486	835

1.1 Возобновляемые ресурсы

Возобновляемые источники энергии – источники энергии, непрерывно возобновляемые за счет естественно протекающих природных процессов. Активно используется энергия Солнца, воды, рек, ветра, теплота грунта, грунтовых и геотермальных вод, а также биологического топлива.

В Казахстане имеется значительный потенциал развития отраслей экономики, базирующихся на возобновляемых ресурсах: сельское хозяйство и переработка сельскохозяйственной продукции; водное хозяйство; рыбное хозяйство и рыбная промышленность; лесное хозяйство и лесоперерабатывающая промышленность; топливно-энергетическая промышленность на основе возобновляемых источников: биогорючее (биогаз, биоэтанол, биодизель); гидроэнергетика; ветроэнергетика; гелиоэнергетика, геотермальная энергетика.

Возобновляемые ресурсы расходуются со скоростью меньшей или равной скорости их восстановления. Это земельные, водные и биологические ресурсы.

Земельные ресурсы – земная поверхность, пригодная для проживания человека и для любых видов хозяйственной деятельности. Земельные ресурсы характеризуются величиной территории и ее качеством: рельефом, почвенным покровом и комплексом других природных условий.

Водные ресурсы (ресурсы гидросферы) – пригодные для использования в национальной экономике запасы вод суши, Мирового океана, подземных вод, почвенной влаги, льдов, снежного покрова.

Биологические ресурсы (ресурсы биосферы) – источники и предпосылки получения необходимых людям материальных и духовных благ, заключенные в объектах живой природы: промысловые объекты, культурные растения, домашние животные и т.п. К биоресурсам относятся ресурсы животноводства, растениеводства, лесного и рыбного хозяйства.

Земельные ресурсы. Общий земельный фонд Республики Казахстан составляет 272,5 млн. га. (9 место в мире). Земельные ресурсы представляют ценность в первую очередь для сельского и лесного хозяйства. В сочетании с ресурсами гидро- и биосферы, земля является также важным рекреационным ресурсом, который в виде национальных парков и памятников природы может являться источником стабильных доходов.

Сельскохозяйственные угодья занимают 82% территории или 222,6 млн. га, из них на долю пастбищ приходится 84,8% или 189 млн. га, на долю пашни– 9,8% или 21,9 млн. га, на долю сенокосов и залежи по 2,3%.

Для сельскохозяйственного использования особую важность представляет качество почвенного покрова, который в Казахстане располагается в виде широтно вытянутых зон, чередующихся с севера на юг. На севере наиболее плодородные черноземы занимают 9,5% (26 млн. га) всей земельный площади страны. Более трети площади страны (33,2% или 91 млн. га) приходится на каштановые почвы сухостепной и части полупустынной зон. Еще южнее в пустынной природной зоне на площади 119 млн. га (43,6% территории) преобладают бурые и серо-бурые пустынные почвы, которые во многих регионах чередуются с массивами пустынных песчаных и глинистых почв. Помимо широтного чередования, наблюдается высотно-поясное чередование: от черноземов и лугово-степных на горных лугах до светло-каштановых и сероземов у подножия гор. На долю горных почв приходится 13,7% (37 млн. га) территории республики.

Более 60% территории страны находится в засушливой зоне и подвержено опустыниванию под воздействием климатических факторов и хозяйственной деятельности.

Около 30 млн. га пастбищных угодий (1/6 часть) подвержены дефляции и эрозии, третья часть деградирована. Распашка малопродуктивных земель степной зоны привела к сокращению естественных пастбищ, на которых могло выпасаться до 10 млн. голов скота. Продуктивность этих земель снизилась в 2-3 раза, сейчас они отнесены к категории «залежь».

В структуре пахотных земель 26% орошаемых и 13% неорошаемых засолены, 76% подвержены дефляции, 5% – водной эрозии. В Кызылординской области ежегодно из-за засоления выводится из оборота 10-15% орошаемых земель, в южной части Приаралья пришли в негодность более 20% пастбищ. В составе сельхозугодий Южно-Казахстанской области около 3,4 млн. га подвержено ветровой эрозии, более 0,5 млн. га – водной эрозии.

Со времени освоения целины экстенсивное землепользование и отсутствие почвозащитных технологий привели к потере 1,2 млрд. т гумуса на 25% освоенных территорий. В результате ветровой эрозии урожайность целинных земель снизилась на 20%. Средняя урожайность пшеницы в Казахстане (10 ц/га) в 2,6 раза ниже, чем в аналогичной по качеству почв Канаде.

Большую проблему представляет техногенное загрязнение почв вследствие безответственной хозяйственной деятельности промышленных предприятий. В Прикаспийском нефтедобывающем регионе более 4,3 млн. га нарушенных земель, в т.ч. 1,5 млн. га техногенных зон, 1,9 млн. га деградированных пастбищ, 0,6 млн. га загрязненных нефтепродуктами и 0,3 млн. га земель с радиоактивным загрязнением. На предприятиях цветной металлургии накоплено более 5,2 млрд. т промышленных твердых отходов.

Изношенность и недостаточное финансирование гидромелиоративных систем привело к выбытию значительных площадей орошаемых земель из сельскохозяйственного оборота. За период с 1990 г. по 2005 г. общая площадь орошаемых земель сократилась с 2,3 млн. га до 2,1 млн. га, из которых используется только 68%, или 0,6% от общей площади сельскохозяйственных угодий.

Казахстан имеет возможность вернуть в сельскохозяйственный оборот около 800 тыс. га не используемых ныне орошаемых земель. В то же время, при рациональном использовании имеющихся водных ресурсов, с применением водосберегающих технологий, можно будет без особых затрат ввести в оборот дополнительно еще около 1 млн. гектаров орошаемых земель. В целом за счет мелиоративных, в том числе агролесомелиоративных, мероприятий можно повысить качество более 8 млн. га (34%) пашни, осложненной отрицательными признаками (защебнение, засоление, дефляция, водная и ветровая эрозия, заболоченность и пр.).

В Казахстане более 5,1 млн. га залежных земель могут быть возвращены в сельскохозяйственный оборот путем создания окультуренных пастбищ на основе специально подобранных составов трав. Это позволит нарастить объемы производства в животноводстве при одновременном предотвращении дальнейшей эрозии почв и улучшении их качества.

Водные ресурсы. Возобновляемые ресурсы пресной воды страны составляют 540 км³. Удельная водообеспеченность Казахстана равна 6,0 тыс. м³ на одного человека в год. Располагаемый объем водных ресурсов, возможных к использованию в экономике республики, в зависимости от водности года колеблется от 25 до 43 км³. Водообеспечение отраслей экономики осуществляется более чем на 90% за счет поверхностных водных ресурсов. В секторе коммунально-бытового обеспечения в основном используются подземные воды. Уровень использования подземных водных ресурсов в 2005г. составил 1,0 км³.

Структура водных ресурсов Казахстана представлена на рисунке 2.

Рисунок 1.2 - Структура водных ресурсов Казахстана

Казахстан относится к одному из засушливых регионов Евразии, с дефицитом водных ресурсов. Одна из главных особенностей гидрографии страны, вызванная разнообразием ее рельефа и климата, состоит в том, что поверхностные водные ресурсы на ее территории распространены неравномерно. В связи с этим, на большей части территории страны имеет место напряженная водохозяйственная обстановка.

Качество воды по большинству водных источников республики остается неудовлетворительным. Основные загрязнения в водные источники поступают при сбросах вод предприятий химической, нефтеперерабатывающей, машиностроительной промышленности и цветной металлургии. В пределах республики выявлено более 700 потенциальных источников загрязнения подземных вод, из них 241 оказывают непосредственное влияние на гидрогеохимическое состояние подземных вод.

При всей относительной скудости водных ресурсов, для Казахстана характерно неэкономное использование воды. В 2005 г. потребление на нужды экономики составило 21,8 км³, а потери воды при транспортировке – около 4,5 км³ или 20,6% от общего водопотребления. Несмотря на сокращение водопотребления промышленным сектором, расход свежей воды на единицу продукции остается высоким из-за низкого коэффициента полезного действия систем водоподачи. В орошаемом земледелии применяются водозатратные технологии поливов, которые ведут к сверхнормативным потерям воды (до 50% оросительной воды).

Водное хозяйство – одна из базовых отраслей, от успешного действия которой зависит стабильность экономики, жизнеобеспечение населения и устойчивость окружающей природной среды, которые за последнее десятилетие переживает острейший кризис. Неравномерное распределение водных ресурсов, нарастающий дефицит воды в Центральном, Северном и Западном Казахстане, полное исчерпание стока р. Сырдарья на юге республики, обострение положения в водообеспечении в бассейнах трансграничных рек, ухудшение качества питьевой воды, продолжающееся загрязнение поверхностных и подземных вод, катастрофическое ухудшение технического состояния плотин, гидроузлов, водопроводов, утрата контроля за водопользованием в орошаемом земледелии – требуют безотлагательного решения.

Положение в водном хозяйстве усугубляется тем, что организации-водопользователи и население, вследствие отсутствия механизма в заинтересованности водосбережения по-прежнему продолжают расточительство и, как следствие, в республике накопилось множество субъективных проблем, в числе которых:

1) экстенсивное водопользование;

2) непроизводительные расходы и потери воды при хозяйственной деятельности;

3) изношенность сооружений, отсталые технологии подготовки питьевой воды;

4) загрязнение водных объектов различными источниками на водосборе.

Мировой опыт показывает, что для стабильного социально-экономического, а в последнее время и экологического развития, необходимо восстановить и сохранить природные водные источники. Вода, забранная из источника и доставленная до потребителя в определенном количестве и качестве не природный ресурс, а сырье, на добычу и транспортировку которого затрачено значительное количество материальных, трудовых и финансовых ресурсов. Объем воды ограничен и как природный ресурс уязвим к внешним воздействиям, использование воды должно базироваться на жестком и целенаправленном ресурсосбережении, обеспечивающем ее постоянное воспроизводство.

Водное хозяйство республики развивается в условиях дефицита водных ресурсов, резко обостряющихся в периоды естественного маловодья.

Водопотребление социально-экономического комплекса страны за 2004 год составило порядка 25.30 куб. км в год, причем, около 19,83 куб. км покрывается за счет отбора из природных источников и всего лишь – 5,47 куб. км, за счет инженерного воспроизводства (достигнутый мировой уровень более 50%) в системе оборотного и повторно-последовательного использования воды. На производственные нужды расходуется до 20,0% свежей воды, на хозяйственно-питьевые цели до 5,0%, орошение и сельскохозяйственное водоснабжение до 73,0%.

Несмотря на спад производства и снижения объемов использования пресной воды, проблема расточительного водопользования не теряет своей остроты, так ежегодный объем потерь свежей воды только при транспортировке составляет 4,94 куб. км, при этом безвозвратное водопотребление, относительно природных водных объектов составляет 15,28 куб. км. Такое нерациональное использование вод на орошаемых массивах привело к засолению и заболачиванию, в городах потери воды в сетях водоснабжения и канализации вызвали самоподтопление, и создали устойчивый очаг негативного воздействия на подвалы, фундаменты и коммуникации.

Крайне неблагоприятная обстановка сложилась с обеспечением населения питьевой водой нормативного качества. В целом по республике более 50% населения употребляет воду, несоответствующую стандартам. Практически прекращено освоение подземных вод, защищенных от загрязнений.

Объем водоотведения составляет в среднем 22,0% от объема забора воды из природных источников. Мощности очистных сооружений покрывают потребность в очистке на 100% и более, тем не менее, в водные объекты сбрасывается загрязненных вод 155,0 млн. м³, до нормального уровня очищается только 5,0% сточных вод, что указывает – очистка осуществляется по старым схемам и на устаревшем технологическом оборудовании, методы очистки не соответствуют категории сбрасываемых вод и пр.

В местах активной хозяйственной деятельности водные объекты загрязнены отходами потребления и производства. В результате качество поверхностных вод повсеместно не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям. Ширятся очаги загрязнения подземных вод.

В жилищно-коммунальном секторе утечки воды при транспортировке составляют до 35% от объема забранной воды, утечки и неэкономное использование в квартирах, удельное водопотребление составляет 240-420 л/сут на человека.

Крайняя изношенность сетей водопровода является источником вторичного загрязнения питьевой воды и обесценивает водоподготовку. По данным агентства и здравоохранению до 50% населения пользуется некачественной питьевой водой, распространение тифа, гепатита связывается с употреблением загрязненной питьевой воды.

Количество аварий на 100 км водопроводных сетей в республике составляет более 70 аварий, показатель надежности среднеевропейского уровня – 3 аварии.

В настоящее время водоснабжение всех городов превратилось в слабо управляемое хозяйство, подающее огромные объемы воды, которые практически невозможно довести до питьевого качества.

В последние годы, в связи с низкой платежеспособностью населения, остановлены основные групповые водопроводы на Севере, Центре, Западе республики, население вынуждено изыскивать различные источники питьевой воды.

В снабжении населения питьевой водой объективные трудности переходного периода усугубляются субъективными факторами:

1) неумение и нежелание населения рационально использовать питьевую воду;

2) несовершенство санитарно-технических приборов;

3) плохое качество труб и монтажных работ;

4) завышенные удельные нормы и как результат строительство мощных станций водоподготовки;

5) подача питьевой воды промышленным предприятиям;

6) прием загрязненных вод в сети канализации;

7) низкая плата за воду, не соответствующая затратам на ее подготовку и подачу потребителю;

8) несовершенство существующих организационно-экономических и нормативно-правовых основ, побуждающих предприятия и население к ресурсосбережению на основе простого и надежного механизма – экономической заинтересованности.

Расчеты показывают, что при полном удовлетворении нужд в коммунальном секторе, можно говорить о 35-55% сокращении отбора воды из водных объектов.

Сельское хозяйство является основным водопотребителем, в котором до 80% расходуется на орошение.

В последнее десятилетие площади регулярного орошения с 2,3 млн. га сократились до 1,1 млн. га, объем водозабора с 22,0 куб.км упал до 12,0 куб.км, при этом удельное водопотребление увеличилось с 9,0 до 10,0 тыс. куб. на 1 га, потери при транспортировке воды до точек выдела составляют в среднем 4,0 куб. км. Стоимость ежегодно недополучаемой валовой продукции с неполитых земель составляет около 60,0 млрд. тенге. Значительно снизилось состояние оросительных систем, повсеместно произошел переход на примитивные способы поверхностного полива, урожайность культур упала в 1,5-2,0 раза.

Исследованиями установлено, что в сельском хозяйстве и в, первую очередь, орошаемом земледелии, мерами по водосбережению возможно:

1) увеличить КПД каналов и систем на 25-40%;

2) с учетом уровня грунтовых вод и степени засоления почв, возможно снизить оросительные нормы;

3) мерами по рационализации сэкономить оросительную воду до 40%, повысить продуктивность воды.

В конечном итоге это приведет к улучшению мелиоративного состояния земель и значительной прибавке урожая.

Водопотребление промышленного сектора сократилось до 4,0 куб. км в год. Расход свежей воды на единицу продукции остается высоким из-за недостаточного уровня использования оборотного и повторного водоснабжения, неудовлетворенного состояния систем водоподачи и низкого КПД, сегодня до 40% воды, очищенной до питьевых требований, расходуется на промышленные нужды.

Несмотря на дефицит ресурсов пресной воды, Израиль орошает 55% (250 тыс. га) своих обрабатываемых земель, площадь которых равна 455,0 тыс. га. При этом водопотребление на 1 га орошаемой земли в Израиле составляет 4 800 м³/год – в 1,65 раз меньше, чем в Казахстане. Две трети потребности в воде в Израиле покрывается за счет природных источников и одна треть за счет использования солоноватых грунтовых и очищенных сточных вод.

Столь впечатляющие успехи Израиля по эффективному использованию водных ресурсов обусловлены тем, что в этой стране успешно внедрены принципы Интегрированного управления водными ресурсами, рекомендованные Директивой Всемирного Саммита по устойчивому развитию (Йоханнесбург, 2002 год).

Биологические ресурсы. Лесные ресурсы. Общая площадь лесного фонда Республики Казахстан составляет 26,8 млн. га, из них площадь земель, покрытых лесом, занимает порядка 12 млн. га, что составляет 4,5% от территории республики – третье место среди стран Центральной и Восточной Европы после России и Турции.

Рисунок 1.3 - Структура лесов Казахстана

Для лесов Казахстана характерно их крайне неравномерное распределение. Примерно 80% запасов древесины приходится на северную и северо-восточную часть страны, при этом половина запасов – хвойные леса Восточно-Казахстанской области (Восточно-Казахстанская – 47%, Северо-Казахстанская – 18,6%, Акмолинская– 11%).

После 1991 года официальный объем лесозаготовок снизился с 2,5 млн. куб. м до 0,9-1,2 млн. куб. м в год, при этом большая часть рубки производится в бытовых целях (77% – заготовка дров, 23% – пиловочник). В настоящее время общий запас древесины на корню составляет 375,8 млн. куб. м, в т.ч. более 78 млн. куб. м спелой и перестойной древесины. Большой объем спелой и перестойной древесины (до 20%) образовался из-за низких объемов лесозаготовки, которые в развитых странах составляют 2% от общего объема запаса древесины на корню.

Вклад деревообрабатывающей отрасли в экономику Казахстана в 1990 г. составлял 2,7% ВВП, что в несколько раз превышает современные показатели и свидетельствует о низком уровне развития отрасли в настоящее время. Недостаточно эффективные мероприятия по защите и эксплуатации лесов требуют формирования новых современных подходов к возобновляемости леса.

1.2 Энергосбережение и возобновляемые источники энергии

Рисунок 1.4 - Производство электроэнергии в Казахстане

(1990-2005 гг.), млрд. квт/ч

В 2005 году выработка электроэнергии в Казахстане составила 67,6 млрд. кВт/ч. Это в 1,3 раза ниже уровня 1990 г., однако в настоящее время в связи с ростом экономики наблюдается увеличение потребления и производства электроэнергии.

Основным источником электроэнергии в Казахстане является угольная энергетика, базирующаяся на дешевых экибастузских углях. В обозримой перспективе уголь будет по прежнему играть значительную роль в энергетике страны. Сегодня угольная отрасль республики обеспечивает выработку в Казахстане 80% электроэнергии. По подтвержденным запасам угля Казахстан занимает 8 место в мире и содержит в недрах 4% от общемирового объема запасов.

Угольная электроэнергетика имеет наибольшее отрицательное воздействие на окружающую среду. Казахстан является самым крупным источником выбросов парниковых газов в Центральной Азии.

Концентрация генерирующих мощностей вблизи угольных месторождений при больших размерах территории приводит к необходимости иметь протяженные электрические сети (около 450 тыс. км), что приводит к значительным потерям электроэнергии при транспортировке. Общие потери электроэнергии составляют примерно 15-30% от ее потребления. Содержание протяженных электросетей при небольших нагрузках становится экономически нерентабельным. Это создает проблему с энергоснабжением отдаленных небольших населенных пунктов.

Предполагается, что уровень производства электроэнергии 1990 года в Казахстане будет достигнут к 2010 году, что потребует строительства новых генерирующих мощностей, так как основное оборудование существующих электростанций характеризуется значительным износом.

Возобновляемая энергия - это внутренний ресурс любой страны, имеющий потенциал, достаточный для производства энергии, необходимой для полного или частичного обеспечения страны энергией.

Таблица 1.2 - Оценка глобального потенциала возобновляемой энергии

Наименование ресурса	Ресурсная база, ТВт	Экономически эффективны, ТВт
Солнечное излучение	90 000	1 000
Ветер	1200	10
Волны	3	0,5
Приливы	30	0,1
Геотермальные потоки	30	-
Биомасса на корню, ТВт/год	450	-
Геотермальное тепло	1 011	> 50

Возобновляемые источники энергии - практически неисчерпаемы и всегда доступны благодаря быстрому распространению современных технологий. Их использование соответствует стратегии использования различных энергетических источников. Возобновляемые ресурсы являются общепризнанным способом защиты экономики от ценовых колебаний и будущих расходов по защите окружающей среды. Технологии, основанные на использовании возобновляемых источников энергии, являются экологически чистыми из-за отсутствия выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Их применение практически не вызывает образование парникового эффекта и, соответственно, связанных с ним климатических изменений. Кроме того, их использование не приводит к образованию радиоактивных отходов. Возобновляемые источники энергии соответствуют, таким образом, политике защиты окружающей среды, а их использование формирует лучшую окружающую среду и обеспечивает устойчивое развитие.

Величина возобновляемых источников энергии значительно превосходит объём потребления энергии всем населением Земли как сейчас, так и в будущем.

По поверхности Земли эти ресурсы распространены значительно равномернее и доступнее, чем залежи угля, нефтяные и газовые месторождения или уран. В настоящее время доля возобновляемых ресурсов в производстве всех видов энергии в мире занимает порядка 13,5%, доля возобновляемых ресурсов в производстве электроэнергии – 18%. Прогнозируется дальнейший рост доли возобновляемых источников энергии.

Рисунок 1.5 -Распределение выработки энергии по источникам

В силу больших экономических возможностей и информированности правительств, возобновляемая энергетика получила наибольшее развитие в развитых странах, особенно с ограниченными природными энергоресурсами, в первую очередь в Японии и Западной Европе. Евросоюз имеет общую политику в области ВЭ. Определены три ключевые цели энергетической политики - повышение конкурентоспособности, надежность снабжения и защита окружающей среды. Содействие государства возобновляемой энергетике определяется как ключевой фактор достижения этих целей.

С целью развития ВЭ в развитых странах вносятся предложения по законодательству и поправки в существующие правила, включая освобождение энергетической продукции ВЭ от налогов или их сокращение, обеспечивающие гибкую амортизацию капиталовложений в ВЭ; налоговые льготы по инвестициям, субсидии для новых электростанций, для создания новых рабочих мест и для малых предприятий; финансовое стимулирование потребителей для покупки оборудования и услуг ВЭ, гарантирование покупки электроэнергии от частных производителей по специальным тарифам (в Германии «feed in tariff»), другие финансовые меры по стимулированию развития ВЭ.

Таблица 1.3 - Энергосбережение с использованием возобновляемых ресурсов

Источник эл. Энергии	Удельные кап.вложе- ния дол/кВт	Удельная стои-ть обсл-я и экспл-и цент/кВтч	Коэф-т испол-я	Цена цент/кВтч	Стоимость эл.энергии цент/кВтч	Страны с наилучшими тарифами
	Возобновляемые источники
Ветер	1200 - 1600	1,0 – 2,0	20 – 40	0	4,5 – 4,7	США Дания Германия Англия
Гидравлическая	900 - 3000	0,5 и выше	20 – 50	0	3,0 и выше	Норвегия Швейцария США
Фотоэлектрон	6000-10000	1,5	10-20	0	20 и выше	США
Геотермальная	2400 и выше	1,0-1,6	70-85	0	5,0 и выше	Италия, Новая Зеландия
Газификация и биомассы	1100-1800	0,9-1,5	70-85	0,5-1,5	88	Англия-NFFO США
Газ свалок	550-1400	1,5-3,0	70-90	0	4,5-8,0	Англия-NFFO
Городские отходы	3000-5600	5,0-8,0	70-80	-(4,0-6,0)	4,5-7,0	Англия-NFFO США
Энергия приливов	около 3500 и выше	ниже	18-25	0	Около 1,0	Франция, Канада
Энергия волн	Число реальных данных нет коммерческих использования				16,0 и выше	Проекты Англии, Японии

Казахстан имеет огромный потенциал возобновляемой энергии (ВЭ) и благоприятные административно-территориальные факторы его использования:

- большая часть субрегиона Центральной Азии, занимает территорию свыше 2.7 млн.км² с благоприятными географическими и климатическими условиями для развития возобновляемых источников энергии, таких как солнечная, гидро и ветроэнергетика;

- количество солнечных дней составляет до 300 дней в году при интенсивности солнечного излучения 1300-1800 кВт/м² в год;

- потребители отдельных районов Казахстана испытывают дефицит электроэнергии или её полное отсутствие;

- размеры территории страны и ее географические особенности (пустынные земли отделяют северные территории от южных) вкупе с концентрацией угольных месторождений на севере, требуют крупных капиталовложений в систему линий электропередач со свойственными им высокими потерями и износом.

Основные мотивы разработки возобновляемых ресурсов в Казахстане заключаются в следующем:

- замещение импорта электроэнергии, особенно, в южных регионах, экологически чистыми и конкурентоспособными возобновляемыми энергетическими ресурсами;

- расширение доступа к электроэнергии для населения отдаленных населенных пунктов и кочевий;

- защита экосистемы страны путем уменьшения зависимости энергосистемы от выработки электроэнергии на основе угля (составляющей в настоящее время около 85 процентов), которая оказывает серьезное воздействие на окружающую среду;

- снижение потерь на линиях электропередач и усовершенствование стабильности и надежности через монтаж распределительных и терминальных станций, генерирующих электроэнергию с использованием возобновляемых энергетических ресурсов;

- снижение выбросов СО₂ при энергетической деятельности путем распространения установок ВИЭ.

Разработка, исследование и применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в РК.

1) РК обладает высоким потенциалом возобновляемой энергии и преступно её не использовать.

2) В тоже время в РК большой запас органического и ядерного топлива.

3) Поэтому возобновляемая энергетика с экономической точки зрения не конкурентаа для внедрения в РК.

4) Учитывая большие площади Республики, применение ВЭИ не является необходимым даже с экологической стороны.

5) Уникальные районы с ветровым (Джунгарские ворота) и солнечным (Кызылординская область) потенциалом, а также наличие отдаленных от энергоснабжения потребителей (зоны отдыха, пастбища и др.) требуют дальнейшего развития ВИЭ.

6) Несмотря на дотационный путь развития ВИЭ стремительно совершенствуются, и если Республика не будет разрабатывать и внедрять их, то мы, как и в области компьютерных технологий навсегда отстанем от цивилизованного мира.

7) Несмотря на отсутствие поддержки со стороны государства, особенно в области солнечной энергетики, усилиями энтузиастов одиночек, процесс внедрения единичных установок существует.

8) Более того, используя комплектующие, выпускаемые в других странах, и адаптируя его к местным условиям, местные умельцы вносят в процесс внедрения много новых наукоемких идей. Например, система слежения за солнцем или комплексная установка фотовольтаики и тепловых коллекторов и др.

9) В РК отсутствует сертификационная лаборатория по установкам ВИЭ, где можно провести измерение технических характеристик предлагаемого оборудования и сделать его сравнительные параметры. Поэтому внедряемое оборудование не способствует его дальнейшему внедрению, а тормозит популярность среди населения.

10) В Китае налажено серийное производство тепловых коллекторов, что естественно снижает их стоимость и позволяет использовать их как энергосберегающее оборудование в основных системах отопления. В республике подобные работы фактически отсутствуют.

Все сказанное и тенденция развития мировой энергетики требуют принять государственную программу развития возобновляемой энергетики.

Казахстан имеет огромные возможности использования энергии возобновляемых источников:

1) по солнцу: в Казахстане продолжительность солнечного сияния составляет 2200 - 3000 часов в год, а энергия этого сияния достигает 1300 - 1800 кВт/ч. В год суммарная дневная радиация при различных условиях радиации по республике составляет 3,8-5,2 кВт/ч м², это один из лучших показателей в мире;

2) по ветру: энергетический потенциал ветра оценивается на уровне 1,8 трлн. кВт/ч. В год, тогда как годовая выработка электроэнергии, например в 2005 г составила 68 млрд. кВт/ч. Только в районе Джунгарских ворот и Шелекского коридора, где средние годовые скорости ветра составляют 7,9 м/с и 5-9 м/с, соответственно. Здесь возможная выработка электроэнергии измеряется в меру кВт/ч, в году. Как видно, при разумном использовании энергии ветра, мы можем не только обеспечить потребности страны в электроэнергии, но и экспортировать ее за рубеж;

3) гидропотенциал Республики оценивается в 170 ТВ в год. На сегодня из них вырабатываются лишь 78 ТВ в год. Большие перспективы принадлежат малым гидроэлектростанциям общей мощностью 1380 МВт. Казахстанскими учеными установлено большое преимущество безплотинных микроГЭС, ими же разработаны, изготовлены и испытаны опытные образцы и показано их высокая эффективность и конкурентоспособность на внутреннем и международном рынках.

2 Солнце – как источник возобновляемой энергии

Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

Системы, построенные на использовании возобновляемых источников энергии, используют ресурсы, которые постоянно воспроизводятся и которые являются менее загрязняющими. Все возобновляемые источники энергии - солнечная энергия, гидроэнергия, биомасса и энергия ветра существуют благодаря деятельности Солнца. Только геотермальная энергия, которая также считается возобновляемой, представляет собой тепло Земли.

Солнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в мировой энергетике. Привлекательность солнечной энергетики обусловлена рядом обстоятельств:

1) солнечная энергетика доступна в каждой точке нашей планеты, различаясь по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому она привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости;

2) солнечная энергия - это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду;

3) солнечная энергия – это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет;

4) основными направлениями использования солнечной энергии считаются:

а) прямое превращение солнечной энергии в электрическую энергию;

б) получение тепла путем абсорбции солнечного излучения.

Для оценки возможностей солнечной энергетики округленно считают, что плотность потока солнечной радиации вне атмосферы Земли равна 1.4 кВт/м² , а на уровне океана на экваторе в полдень 1 кВт/м²[2].

В ближайший 10 лет ожидается увеличение выработки электроэнергии фотоэлектрическими установками более чем на 25%, причем капитальные затраты на их сооружение снизится примерно в 2 раза.

Сейчас на солнечную энергию цены не много больше чем на другие виды энергии, но в будущем она будет самой доступной и дешевой.

2.1 Мировой опыт развития гелиоэнергетики

Первая международная программа ЮНЕСКО по использованию солнечной энергии была начата в 1973 году [3. Реализация подобных программ с 1973 года по 2000 год привели к глобальнымным изменениям в энергетическом балансе развитых стран Европы. Как видно из рисунка 2.1, с 1990 года по 1997 год максимальные темпы прироста имеет производство энергии за счет использования ветроэнергетики (25.7%) и фотоэлектричества (16.8%) [5].

Описание: http://users.kpi.kharkov.ua/fmeg/gelioinukraine/6.gif

Рисунок 2.1 - Тенденции развития энергетики с 1990 года по 1997 год

Описание: http://users.kpi.kharkov.ua/fmeg/gelioinukraine/7.gif Начавшееся в 1975 году практическое использование фотоэлектрических преобразователей в последнее время стремительно возрастает.

Рисунок 2.2 - Стоимость ФЭП ($/Wp) в 1976-1996 гг.

Основным фактором, ограничивающим в настоящее время широкомасштабное применение в наземных условиях фотоэлектрических преобразователей, является стоимость ФЭП. Тем не менее с 1976 года по 1996 год стоимость ФЭП в US $, обладающих мощностью 1Вт при интенсивности солнечного излучения 1000Вт/м2 ($/Wp), снизилась на 80% . По прогнозам [5] к концу 2010 года стоимость ФЭП при их массовом производстве может быть снижена почти в два раза по сравнению с 1997 году (см. таблицу 2.1). Снижение стоимости тонкопленочных ФЭП до 1$/Wp, которое прогнозируется к 2010 году сделает фотоэлектричество конкурентно-способным с электроэнергией, производимой на тепловых электростанциях.

Таблица 2.1- Стоимость ФЭП ($/Wp) : состояние и прогноз *

Материал ФЭП	1997 г.	2000г.	2010 г.
Поликристаллический кремний	3.9 – 4.25	1.50 - 2.50	1.20 - 2.00
CdTe	-	1.20 - 2.00	0.75 - 1.25
a-Si	2.50 - 4.50	1.20 - 2.00	0.75 - 1.25
Cu(InGa)Se 2	-	1.20 - 2.00	0.75 - 1.25

* Прогноз стоимости ФЭП на 2010 год представляет минимальный предел стоимости при существующих технологиях.

Снижению себестоимости должно способствовать и увеличение эффективности фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии (см. таблицу 2.2) [5]. Над этой проблемой работают ведущие ученые стран Европы в рамках международных проектов. Начиная с 1994 года, ученые кафедры ФМЭГ ХГПУ участвуют в реализации таких международных проектов.

Таблица 2.2 -К.п.д. (%) солнечных модулей: состояние и прогноз

Материал ФЭП	1998	2000	2010
Поликристаллический кремний	13-15	16	20
a-Si	6-8	10	14
CdTe	7-8	12	14
Cu(InGa)Se 2	7-8	12	14

Рекордные в 1998 году значения эффективности для лабораторных образцов единичных ФЭП на основе пленочных слоев CdTe составляли 15%, на основе Cu(InGa)Se 2 - 18% [6].

Правительства экономически развитых стран всемерно содействуют развитию фотоэлектрического получения электроэнергии. 25 февраля 2000 года в Германии был принят закон, согласно которому правительство приобретает электроэнергию, вырабатываемую ФЭП в дневное время, по цене 0.99DМ за 1кВт*ч. у собственников фотоэлектрических солнечных модулей, подключенных через инверторы со счетчиками в государственную электрическую сеть, а вечером и ночью отдает своим гражданам необходимое им количество электроэнергии по цене 0.2 DМ за кВт*ч [7]. Этот закон в сочетании с существующей в Германии программой 100 000 солнечных крыш привел к тому, что только в два последние дня поступили заявки на ФЭП модули общей мощностью 20 MВт – это пятая часть общего годового производства ФЭП в Европе и в два раза больше, чем предсказывалось ранее для Германии на весь 2000 год. При этом для покупателей ФЭП модулей мощностью до 5kWp предлагается практически беспроцентный кредит на 10 лет [8]. Таким образом, правительство стимулирует немцев приобретать фотоэлектрические солнечные модули. В Японии при активной поддержке правительства развивается программа 25000 домов, энергопотребление которых обеспечивается за счет использования ФЭП. В 1997 году в США и странах Западной Европы были начаты аналогичные программы „Миллион солнечных крыш“(см. рисунок 2.3).

Рисунок 2.3- Фотоэлектрические преобразователи на крышах домов в Германии

Поворотным моментом в развитии солнечной энергетики в мире стала 2 Мировая конференция и выставка по фотовольтаическим преобразователям солнечной энергии с участием более 2000 ученых, в ходе работы которой с четырьмя докладами по разработке тонкопленочных ФЭП выступили сотрудники кафедры физического материаловедения для электроники и гелиоэнергетики Харьковского государственного политехнического университета. Эта конференция, состоявшаяся в 1998 году в Вене, объединила три конференции – Европейскую, Американскую, Азиатско-Тихоокеанскую. Здесь впервые были сформулированы цели Европейского Сообщества в области возобновляемой энергетики до 2010 года. В странах Европы предусматривается общее внедрение фотоэлектрической энергетики в объеме 3000 МВт (1МВт =1000кВт) и производство 1 миллиона фотоэлектрических систем.

2000 год стал переломным в плане широкомасштабного привлечения крупнейших энергетических компаний для автоматизированного крупносерийного производства солнечных модулей наземного применения. В Европе объем промышленного производства ФЭП в 2000 году достигнет 100МВт, из которого 80% будут представлять собой кристаллические кремниевые модули, 10% - солнечные модулями на основе теллурида кадмия и 5% -солнечные модули на основе пленок aSi:H. Это 10 кратное увеличение объема по сравнению с 1996 годом. Наиболее активными Европейскими странами в этом процессе являются Германия, Испания, Франция. В 2000 году в Европе вводится 4 крупнейших автоматизированных завода по производству ФЭП. Один из самых мощных заводов – завод фирмы „Shell“ в Gelsenkirchen (Германия), который будет производить солнечные модули на основе поликристаллического кремния общей мощностью 25МВт в год. В будущем производство на этом заводе будет расширено до 50 МВт в год. Солнечные модули с размерами 60см.*120см. и к.п.д. (7-8) % на основе тонкопленочных ФЭП с базовым слоем теллурида кадмия выпускает завод ANTEC Solar GmbH at Rudisleben (Erfurt, Германия). Объем производства составляет 10 МВт в год. Первый в Европе завод фирмы Wurth Solar в Marbach (Германия) по производству модулей с размерами 60см.*120см. и к.п.д. (10 -12)% на основе пленок соединения Cu(InGa)Se 2 будет запущен летом 2000 года и иметь производительность 1МВт в год [7].

2.2 Солнечная энергетика

Среди развитых стран фотоэнергетическое направление наиболее интенсивно развивается в Японии, где выпуск солнечных модулей за шесть лет увеличился более, чем в 10 раз (с 35 МВт в 1997 г. до 364 МВт в 2003 г.), в то время как в мире за этот же период — в 6 раз (с 125,8 до 760 МВт). По заключению комиссии стратегических исследований при президенте США в XXI веке темпы роста солнечной энергетики будут значительно выше, чем даже в таких бурно развивающихся отраслях, как компьютерные технологии.

Одна из причин феноменального роста фотовольтаики в Японии - действующая правительственная программа «70000 фотоэлектрических крыш», предлагающая налоговые льготы и субсидии производителям солнечных батарей, монтируемых на крышах домов. В 1997 году было установлено 9400 таких систем, в 2000 году их число превысило 70 тыс. В Японии действуют правила, по которым до 20 % стоимости дома, крыша которого оснащена фотоэлектрическими батареями, компенсируется государством.

В Германии были последовательно реализованы проекты по оборудованию фотоэлектрическими установками сначала 1000, а на втором этапе 2250 крыш домов. При реализации этих проектов значительная часть стоимости установок оплачивалось из государственных бюджетов, причем государство выкупает энергию, производимую солнечными батареями, смонтированными в рамках программы, по цене -0,5 $/кВт час, при рыночной цене электроэнергии 0.05$/кВт час. Осуществление этих программ позволило выявить наиболее совершенные фотоэлектрические системы (ФЭС), которые стали прототипами промышленных разработок, а также наиболее успешные схемы государственной помощи как потребителям, так и производителям этих систем. Кроме того, реализация программ позволила проанализировать ошибки, выявить узкие места при эксплуатации ФЭС и выработать единые стандарты по их использованию. Все это привело к тому, что в настоящее время в Германии надежные солнечные батареи могут быть установлены где угодно и в течение нескольких дней. С 2000 года в Германии уже запущена новая программа «Фотовольтаика на 100 тысячах крыш», стоимость которой можно оценить в 2 млрд. долларов США.

Аналогичный проект «5000 солнечных крыш» реализуется в Голландии. В Швейцарии в рамках программы "За энергонезависимую Швейцарию" уже построено более 2600 гелиоустановок на фотопреобразователях мощностью до 1000 кВт. Это позволяет значительно снизить расходы на импорт электричества.

Уместно отметить, что в развитие мировой фотоэнергетики огромный вклад вносят, ведущие нефтяные компании. Гиганты нефтедобычи и нефтепереработки, фирмы мирового уровня имеют в своей структуре подразделения по производству и обслуживанию солнечных фотоэнергетических установок (например, British Petroleum Solar, Agip/Italsolar, Siemence и др.). Интерес нефтяных компаний к фотоэнергетическим установкам не случаен и возникновение его связано с нефтяными кризисами. Самые большие запасы нефти сосредоточены в районе Персидского залива, который неоднократно становился главной причиной масштабных политических конфликтов с семидесятых годов 20-го века. Этой участи могут подвергнуться и другие богатые нефтью регионы планеты, что приведет к появлению новых очагов напряженности и военных конфликтов.

В США в 1997 году была начата пока самая масштабная программа «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 2010 года. Расходы федерального бюджета на ее реализацию составят 6,3 млрд. долларов. Инициатива «Миллион Солнечных Крыш» соединяет возможности Федерального правительства с ключевыми национальными предпринимателями и организациями и фокусирует их на создание устойчивого рынка для использования солнечной энергии на сооружениях. В 2010 году миллион установленных солнечных крыш на сооружениях позволит снизить выделение двуокиси углерода в эквиваленте выделений от850000 автомобилей. Преследуется также цель создания высокотехнологических домов, обеспечивающих себя электричеством за счет солнечных батарей, теплом за счет солнечных коллекторов и оборудованных современными средствами экономии тепла и электричества. В 2010 году приблизительно 70000 новых сооружений будут созданы в результате увеличенного спроса на фотоэлектричество, горячую воду и связанные системы солнечной энергии. Как ожидается, инициатива позволит сохранить конкурентоспособной промышленность солнечной энергии США, стимулирует развитие более широкого внутреннего рынка для солнечной энергии и поможет компаниям США восстановить их конкурентоспособность на мировом рынке.

Ресурсы солнечной энергии в Казахстане являются стабильными и приемлемыми благодаря благоприятным сухим климатическим условиям. Количество солнечных часов составляет 2200-3000 часов в год, а энергия солнечного излучения – 1300-1800 кВт на кв. м в год.

Потенциальный уровень потока энергии на всей территории Казахстана составляет 1 трлн. кВт/ч. На базе фотопреобразователей при возможной суммарной мощности гелиоэлектростанций 2500 МВт потенциально возможная выработка составляет 2,5 млрд. кВт/ч/год. Наиболее предпочтительные районы размещения гелиоэлектростанций в Казахстане – Приаралье, Кзылординская и Южно-Казахстанская области – как раз испытывают дефицит электроэнергии и наименее урбанизированы.

Например, к северу от Кызылорды земля не пригодна для сельского хозяйства, фактически не бывает дождей и по расчетам канадского ученого Элмера Бейса на площади 320 км²можно построить солнечную электростанцию с фотоэлектрическими ячейками, на которой даже при кпд 10% летом можно выработать 10000, а зимой 5000 ГВт ч. Однако чрезмерно высокая стоимость фотоэлектрических панелей и пыльные бури (так называемый «казахстанский дождь») делают создание подобных электростанций проблематичными.

Сейчас в РК, да и в других странах Центральной Азии, нет ни одного предприятия по производству солнечных элементов, модулей и фотоэнергетических установок. В то же время в Казахстане имеется значительный научно-технический потенциал и разработки в области фотоэнергетики. Лаборатория микро- и оптоэлектроники Казахского Национального Университета им. Аль-Фараби более 20-ти лет занималась разработками в области совершенствования технологий изготовления солнечных элементов в рамках важнейших научно-технических программ ГКНТ (бывшего СССР) и известных предприятий: "Квант", ГОИ, ФТИ. Результаты этих работ по аpсенид-галлиевым солнечным элементам (СЭ) и фотоприемникам соответствовали рекордным мировым достижениям того времени. Коллективом лаборатории, опубликовано более 250 научных работ в центральной и зарубежной печати, получено 50 авторских свидетельств и патентов, установлены международные связи.

В Физико-техническом институте МОН РК разработаны уникальные инновационные технологии, которые позволяют осуществить полный цикл производства дешевого и высокочистого кремния солнечного качества, а в перспективе и полупроводникового кремния, на основе собственных сырьевых материалов. В основу положены: алюминотермическая технология получения металлургического кремния повышенной чистоты и силановый метод получения кремния. Предварительные оценки показывают, что себестоимость кремния, полученного новым методом, будет значительно ниже существующего уровня цен на мировом рынке. Это может привлечь частных инвесторов для промышленного внедрения этой инновационной технологии. Разработки запатентованы в Казахстане и в настоящее время проходят процедуру международного патентования.

Несмотря на имеющийся задел в области возобновляемой энергетики, в Казахстане нет соответствующего научного учреждения, которое могло бы обобщить весь опыт и создать фундаментальные основы возобновляемой энергетики в Казахстане. Работы в данной области выполняются в разных организациях отделами и лабораториями по отдельным научным темам, которые, как правило, финансируются за счет хоздоговорных работ, поэтому фундаментальная наука практически не развивается.

При Алматинском университете энергетики и связи (АУЭС), совместно с Ассоциацией ВУЗов Казахстана создан «Центр возобновляемых источников энергии и новых технологий в энергосбережении». Это позволило частично сконцентрировать ученых из отдельных направлений в целенаправленный единый научный коллектив для создания соответствующей современному уровню фундаментальной и опытно-экспериментальной базы, целевого информационного обеспечения, привлечения дополнительного финансирования, организации международного сотрудничества и осуществления координации исследований, выполняющихся в Казахстане.

Дальнейшее развитие возобновляемой энергетики в Казахстане всецело зависит от правительства.

2.3 Фотоэлектрическая энергия

Объем мировой продажи фотоэлектрических модулей возрос с 35 пиковых мегаваттт в год (35 МВт/год) в 1988 году до 83 МВт/год в 1995 году и предполагается, что в 1996 году этот показатель составит 91-93 МВт/год. Пока в большинстве случает эти установки находят применение в различных областях, связанных с бытовой элекроникой и т.д., однако как автономные, так и подключенные к электрической сети области применения становятся все более емкими с точки зрения использования фотоэлектрической технологии. Фотоэлектрическая технология находит успешное применение у небольших, автономных потребителей, расположенных в удаленных от основных сетей районах. В основном для освещения помещений, охлаждения, освещения школ и других сельскохозяйственных целей, позволяет избежать экономической нецелесообразности проведения линий передач централизованной электросети в эти отдаленные районы. Однако автономным фотоэлектрическим системам в богатых биомассой районах придется вступать в конкурентную борьбу с работающими на биомассе общинными электростанциями, обслуживающими домашние хозяйства. На Гавайях и в Индии планируется создать несколько центральных фотоэлектрических станций, которые предлагают ряд возможностей быстрого снижения затрат.

Наряду с централизованным потреблением солнечной энергии используется потребление в сельских районах, особенно в горных местностях для освещения помещений и их отопления.

2.4 Солнечное теплоснабжение

Оно основано на использовании энергии солнца с помощью простейших плоских солнечных коллекторов и сегодня сводится в основном к производству низкопотенциального солнечного тепла для горячего водоснабжения, подогрева воды в плавательных бассейнах и, в меньшей степени, для отопления.

К лидерам использования солнечной тепловой энергии относится Израиль. Согласно существующему в этой стране „Солнечного Закону“, 80% населения страны использует тепловые коллекторы для получения горячей воды. Все новые строящиеся здания в Израиле должны иметь тепловые коллекторы для получения горячей воды. При этом для каждой 2-3 комнатной квартиры количество горячей воды нагретой до 50^о С должно составлять 120 литров. 800 000 солнечных коллекторов по всей стране производят около 15 млн. ГДж энергии и обеспечивают 70 % населения горячей водой. Применение тепловых коллекторов уже сейчас позволяет экономить 5% производимой в Израиле электроэнергии. В южных регионах Казахстана опыт Израиля вполне может оказаться полезным.

Из 46 европейских крупномасштабных тепловых станций Швеция имеет 15 (см. рисунок 2.3). Начиная с 1997 года, в Германии и Австрии было построено 20 подобных теплостанций. Общий объем продаж солнечных тепловых коллекторов в 1998 году в Германии, Австрия, Швеция составил 1млн. м² . К концу 2000 года суммарная площадь тепловых коллекторов в Европе составит 8 миллионов м² , что позволит избежать выброса в атмосферу 1.4 млн. тонн СО 2 , которые вырабатываются при использовании на тепловых электростанциях 450 тыс. тонн нефти [3].

SE- Швеция, DK-Дания, DE- Германия, NL- Голландия, AT -Австрия, CH –Швейцария, FIN-Финляндия

Рисунок 2.3- Общая площадь солнечных коллекторов (м²) на крупных теплостанциях в странах Европы

При имеющемся уровне энергии солнечного излучения солнечные нагреватели воды, весьма эффективны в Казахстане, особенно в южных районах. Имеется хороший опыт работ в области низкопотенциальных источников тепла, опреснителей и осушителей. Например, ТОО «Еркин и К» внедрило в производство серию изобретений по солнечным коллекторам и опреснителям, установило более 160 единиц таких устройств с мощностью от 100 до 20 тыс. литров горячей воды в день. Установки позволяют получать горячую воду с температурой до 100^оС, максимальное давление в установках до 20 атмосфер, срок службы более 10 лет. Установки имеют небольшой вес, надежны в эксплуатации, недороги.

В АИЭС разработана технология изготовления наиболее дешевых солнечных коллекторов из термостойких пластмасс, в том числе из поликарбоната.

Однако отсутствие законодательной базы и механизма внедрения энергосберегающих технологий не способствуют дальнейшему применению солнечных водонагревательных установок. Кроме того, сильное загрязнение воздушных бассейнов наших городов существенно снижает эффективность использования солнечных приборов, так в Алматы, буквально через 2 часа после очистки солнечных батарей, их кпд снижается на 5-15% .

Существует большое количество проектов по преобразованию солнечной энергии в тепловую. В качестве теплоносителя в таком коллекторе используется этиленгликоль или антифриз. Обычно такой солнечный коллектор работает вместе с электронагревателем.

1- гелиоприемник; 2 - бак для слива антифриза; 3- расширенный бак системы отопления; 4- расширенный бак солнечного контура; 5- бак теплоприемник системы отопления; 6- электроводонагреватель; 7- отопительный прибор; 8 - бак аккумулятор горючего водоснабжения; 9- электроводонагреватель горючего водоснабжения; 10- водоразборный кран; 11- бак для этиленгликоля.

Рисунок 2.4 – Солнечный коллектор с электронагревателем

Несмотря на то, что преимущество фотоэлектрического преобразования энергии по сравнению с преобразованием солнечной энергии в тепло не вызывает сомнении, тем не менее на сегодняшний день масштабы применение тепловых коллекторов на порядок превышают масштабы использования ФЭП.

В настоящее время площадь используемых солнечных коллекторов исчисляется миллионами квадратных метров. К 1999 году в Европе было установлено тепловых коллекторов с суммарной площадью 7 миллионов м² , тепловая мощность которых достигает 3500 МВт. В среднем стоимость 1м² составляет менее 250$, и цена солнечного тепла в типичных условиях будет снижена до 0.06 ECU/ кВт*час [7]. Особенностью применения тепловых коллекторов является незначительное количество крупных теплостанций по сравнению с единичными небольшими по площади, которые обеспечивают тепловой энергией индивидуальных потребителей. Общая площадь крупных тепловых станций исчисляется тысячами м² .

Несмотря на свое географическое положение, Швеция является Европейским лидером по использованию тепловых коллекторов.

2.5 Гелиоэнергетика

Гелиоэнергетику можно разбить на два типа: фотоэлектрическая и термодинамическая.

Фотоэлектрическая – преобразование солнечной энергии в электрическую непосредственно с использованием фотоэлементов, выполняемых из кремневых ячеек объем мировой продажи фотоэлектрическая модулей в 1996 году составил 93 МВт/год. Основного производства солнечных батарей мощностью 4-10 МВт в США – B.P.Solar. Пока наибольшее применение фотоэлектронных модулей в бытовой электронике для питания электронной аппаратуры. Однако в последние годы принимаются усилия для создания электрических станций подключаемых к электрическим сетям. Такие работы в основном ведется в Азии, КНР, Индонезии, Малайзии, Филиппины, Таиланде. В 1997 году в городе Шень-Джель на крыше дома была смонтирована фотоэлектрическая система с пиковой мощностью 114 кВт.

Термодинамическое преобразование электрической энергии разделяется на два вида: с использованием фотоэлектрический станций башенного (см. рисунок 2.5) и модульного типа. В обоих этих типах солнечная энергия преобразуется в тепловую энергию пара, и в дальнейшем с использованием парогенератора происходит преобразование в электрическую.

СЭС башенного типа использует набор зеркал или линз 1, с помощью которых происходить фокусировка солнечных лучей в башне 2, где солнечная энергия преобразовывается в рабочую жидкость, приводящую к действию стандартную систему преобразования электрической энергии – турбина, генератор целью повышения эффективности действия СЭС используется аккумулятор тепловой энергии, кроме того обычно эти электрические станции представляют собой гибридные установки в которых сочетаются гелиотермические модули и используются обычные ископаемые виды топлива, чаще всего это парогенераторный цикл.

Рисунок 2.5 -Солнечная электростанция башенного типа

Наиболее крупной СЭС башенного типа является СЭС Solar 1 в Барстоу (Калифорния, США) – 10 МВт. Стоимость станции 141 мил. долларов. Занимаемая плошать 0,51 км², при поле гелиостатов (зеркала) 0,28 м² (1818 шт). Кроме этого башенные станции Тортосон (Франция) – 2,5 МВт, Алмерия (Испания) – 1,2 и 0,5 МВт, Нео (Япония) - 1 МВт, Крым (Украина) – 5 МВт.

Рисунок 2.6- Схема узла панели парогенератора

Тепловая схема парогенератора состоит из 14 труб шириной 1334 мм, с турбиной диаметром 50,5 мм и высотой 7м и шаг между ними 70 мм. В этих трубах получается насыщений пар с Т = 523К.

Трубы соединены между собой последовательно и параллельно, одна сторона направлена приемнику тепло энергии, а вторая теплоизолированная. Каждым движениям гелиостата за солнцем управляют ЭВМ с помощью фотоэлектрических датчиков, устанавливаемых в центре каждого гелиостата.

Рисунок 2.7 - СЭС модельного типа

СЭС модельного типа (см. рисунок 2.7) использует параболические коллекторы, в которых собирается рабочее тело от всех приемников и потребляется на тепловую машину аналогично как на СЭС башенного типа.

Модульные приемники представляют собой параболические концентраторы, в которых в фокусе параболы устанавливается труба. Поскольку световой поток, отраженный от параболы, всегда собирается в фокусе. В настоящее время действует модульная электростанция мощностью 13,8 МВт, и заканчиваются работы по созданию модельной СЭС в США 30 МВт.

Рисунок 2.8 - Ввод в строй новых мощностей солнечной энергетики

Стоимость станции 94 млн долларов с общим циклом модулей 580 шт и поверхностью 72 тыс м². длина модуля 2,5 м, отражающая поверхность параболы образована дисками из металлизированной пленки. Рабочее тело нагревается до 370⁰С. В последние годы солнечные коллектора выполняются вакуумированными для уменьшения конвективных потерь тепла из рабочих труб.

В мире только за 2005 год было установлено 1460 МВт гелиоэнергетических мощностей. Лидером является Германия, установившая 57% от этой мощности.

3 Ветроэнергетика

Ветроэнергетика решает проблемы обеспечения электрической энергией жилых зданий и производственных объектов, а также водоснабжения, орошения, ирригации во многих странах. Только в 2004 г. в мире введены в эксплуатацию ветроэнергетические установки суммарной мощностью 8321 МВт. Европа остается лидирующим континентом по установленной мощности - 34,6 ГВт, что составляет 72,7 % от мировой установленной мощности. Лидерами в области ветроэнергетики являются Германия, Испания, США, Дания, Голландия и Индия. Использование энергии ветра развивается наиболее динамично. В США за 2003-2005 гг. установлено около 4 500 МВт ветроагрегатов, или почти столько же, сколько было установлено за все предыдущие годы. В целом по миру за 2 последних года установленные мощности ветроэнергетики выросли в 1,5 раза.

Таблица 3.1- Динамика развития ветроэнергетики (МВт)

Страна	2003	2004	2005
Германия	14609	16 628	18427
Испания	6202	8263	10027
США	6370	6740	9149
Индия	2110	2985	4430
Китай	567	764	1260
Япония	506	896	1040
Франция	248	386	757
Норвегия	100	276	276
Россия	10	10,8	14
Европа	28730	34616	40932
Весь мир	39293	47617	58982

Ветроэнергетика составляет существенную часть энергетического комплекса более чем в 80 странах мира. Ежегодный прирост установленной мощности ветроэнергетических агрегатов составляет 23 - 30%. Накоплен большой опыт эксплуатации ветроагрегатов малой мощности при электроснабжении автономных объектов и агрегатов мощностью 600 - 1500 кВт, работающих в энергосистемах. При этом используются ставшие традиционными, ветроагрегаты пропеллерного типа. Однако этот класс установок имеет ряд существенных недостатков.

3.1 Развитие ветроэнергетики в мире

Использование энергии ветра развивается наиболее динамично. В США за 2003-2005 гг. установлено около 4 500 МВт ветроагрегатов, или почти столько же, сколько было установлено за все предыдущие годы. В целом по миру за 2 последних года установленные мощности ветроэнергетики выросли в 1,5 раза.

Только в 2005 г. были введены в действие ветроустановки общей мощностью 1289 МВт, в результате чего суммарная мощность таких установок в мире достигло 4900 МВт. Пока лидируют в этой области США (1731 МВт), Индия планирует в течении ближайших 15 лет увеличить мощность своих электростанции на 700-1200 МВт.

Установленная мощность новых ВЭС достигла в 2007 г. рекордного уровня.

По сообщению Американской ветроэнергетической ассоциации (АWЕА, Вашингтон, федеральный округ Колумбия), в 1997г. мировой ветроэнергетикой достигнуты рекордные показатели по вводу новых ветроэлектростанций (ВЭС). В этот период были построены новые ветроагрегаты суммарной мощностью не менее 1412 МВт, и объем их продаж превысил 1,5 млрд. долларов. Тем самым побит прежний рекорд 1995 г., когда были. сооружены ветроагрегаты суммарной мощностью 1291 МВт.

В 1997 г. мировым лидером по установленной мощности ВЭС стала Германия, опередившая к середине года США. Сохранение исключительно высоких темпов развития ветроэнергетики в Европе представляется весьма вероятным, если учесть, что в ноябре 1997 г. Европейский Союз запланировал увеличить к 2010 г. мощность ВЭС на 10 000 МВт. В общей сложности более 75% суммарной мощности ВЭС, сооруженных в 1997 г., приходится на долю стран Северной и Восточной Европы:

В бундестаге Германии действует чрезвычайно влиятельное «экологическое лобби», которое помогло создать в законодательном порядке стимулы для развития ветроэнергетики. Законом об электроснабжении установлены довольно высокие закусочные цены, а отпускаемую ВЭС электроэнергию – около 1 центов/кВт ч, что является одной из основных причин быстрого развития в стране ветроэнергетики. Впрочем, перспективы продления, действия закона неясны, поскольку Германия и остальные страны Европы приступают к реструктуризации отрасли.

Испания в настоящее время изучает возможность принятия соответствующего акта, аналогичного принятому в Германии Закону об электроснабжении, однако, и здесь уже установлены более высокие закупочные цены на электроэнергию ВЭС – около 8 центов/кВт ч. Сооружение ВЭС сосредоточено главным образом в исторических областях Галисия, Наварра и Арагон, где местные власти решительно поддерживают развитие ветроэнергетики.

Дания построила в 1997 г. ВЭС суммарной мощностью свыше 200 МВт, причем успешное развитие ветроэнергетики этой страны дает о себе знать и за рубежом: около 75% ветроагрегатов, проданных во всем мире, изготовлено датскими фирмами. Государство закупает электроэнергии у владельцев ВЭС по 9 центов/кВт ч и разработало плановые показатели дальнейшего увеличения установленной мощности ВЭС.

Великобритания, согласно сообщению АWЕА, обладает самым развитым рынком ветроэнергетического оборудования в Европе, поскольку проводит конкурентные торги на строительство электростанций, использующих возобновляемые источники энергии. В результате закупочные цены на вырабатываемую ВЭС электроэнергию здесь по меньшей мере на 40% ниже, чем в Германии.

Индия, которая еще в 1995 и 1996 гг. развивала национальную ветроэнергетику весьма быстрыми темпами, в 1997г почти полностью свернула программу строительства ВЭС. По "мнению" специалистов АЮЕА, причина заключается в переживаемом страной экономическом спаде, который привел к ужесточению условий кредитования. Кроме того, во многих случаях ветроэлектростанции работали с низкими эксплуатационными характеристиками, что было вызвано, как полагает АWЕА, "завышенной оценкой ветроэнергетических ресурсов в важнейших районах страны, использованием технологий, плохо приспособленных к низкому качеству энергии ветра в Индии, неудовлетворительной конструкцией и эксплуатацией ВЭС, проблемами, связанными с состоянием электрических сетей". В виде ответной меры правительство Индии решило перейти от налоговых льгот при инвестировании в ветроэнергетику к налоговым льготам, основанным на фактической выработке электроэнергии ветроэлектростанциями.

Усиление позиций, возобновляемых источников энергии. США столкнулись с труднейшей задачей снизить выбросы в атмосферу газообразных веществ, вызывающих парниковый эффект, чтобы в 2010 г. их объемы не превышали уровня 1990 г. Такое предложение содержится в Киотском соглашении, еще нератифицированным сенатом США. Агентство энергетической информации (Вашингтон, федеральный округ Колумбия) оценивает связанное с соглашением снижение выбросов более чем в 500 млн. т. В то же время, по данным министерства энергетики, замена пылеугольных блоков на ветровые электростанции мощностью 10 ГВт позволяет снизить выбросы СО² примерно на 33 млн. т. в год. Сторонники ветроэнергетики в стремлении ускорить ее развитие настаивают на продлении на 10 лет срока действия существующего закона о налоговых льготах для этой технологии, которое закончилось в 2009 г., а также на сохранение субсидий для возобновляемых источников энергии в изменяющихся законах страны и штатов, прежде всего в Калифорнии.

Альтернативный лидер. За последние 15 лет себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на ВЭС, удалось снизить на 90% исключительно благодаря внедрению новых технологий. Так, лопасти ветроколес, изготовляемые в настоящее время из стеклопластика или древесины, пропитанной эпоксидной смолой, могут иметь длину до 40 м (по сравнению с 13 м в 80-х гг.), а диаметры ветроколес достигают 52 м. Использование ветроколес с такими параметрами позволяет строить более крупные ВЭУ, что дает экономию, обусловленную ростом масштаба производства.

В начале 90-х гг. средняя единичная мощность ветроагрегатов составляла всего 50 кВт, однако теперь она уже колеблется в диапазоне от 500 до 750 кВт, что эквивалентно повышению их производительности в 8 раз. Впрочем, себестоимость выработки электроэнергии на них снизилась всего лишь втрое.

ВЭУ с переменной частотой вращения Zond Z мощностью 750 кВт, которую в настоящее время компания продвигает на рынок, действительно в меньшей степени подвержена воздействию механических напряжений от порывов ветра. Кроме того, система управления ВЭУ реагирует на изменения скорости ветра, увеличивая частоту вращения ветроколеса, чтобы оно смогло в процессе вращения аккумулировать большей кинетической энергией до тех пор, пока система передачи вращающего момента от ветроколеса к генератору не будет приведена в действие за счет этой энергии.

Формирование рынка. Без предоставления субсидий и создания на федеральном уровне или уровне штата – благоприятных материальных условий для развития ветроэнергетики и, следовательно, улучшения состояния окружающей среды, выход на рынок ВЭС для многих энергокомпаний будет по-прежнему связан с весьма высокой степенью коммерческого риска. Несмотря на то, что производство электроэнергии на ВЭС по-прежнему обходится дороже, чем выработка ее на ТЭС, ветроэнергетика могла бы заложить прочную основу рынка сбыта "чистой" электроэнергии по более высоким ценам.

Обслуживание ВЭС заключается в профилактике щелочных аккумуляторных батарей, срок службы которых может достигать 15 - 20 лет.

Установленная мощность ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем, в мире по данным американской ветроэнергетической ассоциации (AWЕА) на конец 1996 г. превысила 6000 МВт. Цифра эта не так уж велика, чтобы говорить о значительном влиянии ветроэнергетики в мировом энергобалансе, но она достаточна для того, чтобы судить об окончании периода становления ветроэнергетики как самостоятельного энергоисточника наряду с гидравлической, атомной и тепловой энергетикой. В ряд стран – лидеров по ветроэнергетике вошла Индия, оттеснив Данию на четвертое место.

Лидирующая десятка стран по ветроэнергетике выглядит теперь следующим образом: США (1794 МВт), Германия (1576 МВт), Индия (820 МВт), Дания (785 МВт), Нидерланды (305 МВт), Англия (264 МВт), Испания (216 МВт), Швеция (105 МВт), Италия (70 МВт), Китай (57 МВт).

Перечень охватывает разные континенты, самые развитые и развивающиеся страны, малые и большие, богатые и бедные. Значит, существуют веские причины, которые вызвали к жизни и развитию эту отрасль энергетики. Это не есть одна или две причины, например, напряженность с энергоресурсами и экологией. Это, скорее, комплекс причин, охватывающих, кроме названных, и экономическое состояние государств, способность их экономических и политических институтов решать перспективные задачи, понимание опасности потепления климата Земли в связи с ростом эмиссии углекислого газа и еще многое другое, индивидуальное для каждой из стран, входящих в упомянутую десятку.

Этот комплекс причин понуждает законодательную и исполнительную власти выделять государственные субсидии, принимать законы и программы, способствующие привлечению частного капитала, и тем самым обеспечивать бурный рост ветроэнергетики. Меры экономического стимулирования, применяемые в большинстве стран, включенных в табл. 1, позволяют предсказывать дальнейшее ускорение в развитии ветроэнергетики. Так, по данным американской и европейской ветроэнергетических ассоциаций установленная мощность ветроустановок в мире к 2000 г. увеличится в 2 раза, а к 2006 г. почти в 6 раз по сравнению с 1996 г.

3.2 Перспективы развития ветроэнергетики в Казахстане

Казахстан исключительно богат ветровыми ресурсами. Порядка 10% территории Казахстана имеет среднегодовую скорость ветра 6 м/с и выше, 5 м\с среднегодовая скорость ветра на большей площади страны. Это предопределяет хорошие перспективы для развития ветроэнергетики.

Стоимость электроэнергии от ВЭС в таких местах может составлять порядка 4-6 центов/кВт-ч.

Эта цена сопоставима с сегодняшней стоимостью электроэнергии от новой угольной ТЭС и значительно ниже перспективных цен на системную электроэнергию. ВЭС являются экономической альтернативой строительству угольных электростанций, в то же время имеют неоспоримые экологические преимущества.

Области и районы с высокой ветровой активностью являются месторождениями электрической энергии огромных масштабов, эквивалентных месторождениям угля, нефти или газа.

Казахстан относится к III, IV районам по скоростным напорам ветра в среднем на высоте 15м 27-36 м/с. Имеется не менее 10 районов с большим ветропотенциалом, со средней скоростью ветра 8-10 м/с (для сравнения, европейские ветростанции работают при средней скорости 4-5 м/с).

Потенциал ветроэнергетических ресурсов составляет 1820 млрд. кВтч. Казахстан имеет большие ресурсы ветровой энергии, которые в сотни раз превосходят современное электропотребление в стране, и располагает прекрасными возможностями для использования ветровой энергии. Энергетический потенциал ветра на территории Республики Казахстан оценивается на уровне 1,8 трлн. КВт/ч. в год, например, потенциальные ресурсы по южному Казахстану: Алматинская – 3100 млрд. кВтч/год, Жамбылская – 1800 млрд. кВтч/год, Южно-Казахстанская – 1100 млрд. кВтч/год, Кызылординская – 2700 млрд. кВтч/год, что значительно превышает годовую выработку электроэнергии 2005 г - 68 млрд. кВт/ч.

В настоящее время разработано большое количество типового промышленного оборудования ветроэнергетики. В Казахстане на 80-85 % его территории среднегодовые скорости ветра составляют от 3 до 5,0 м/с, и на 2-3 % - более 5 м/с. Европейские ветростанции работают при средней скорости ветра 4–5 м/с. Наиболее эффективна разработка источников ветровой энергии в месторасположении Джунгарских ворот и Чиликских коридоров, где скорость ветров в среднем за год составляет от 7 до 9 м/с и от 5 до 9 м/с. Джунгарские ворота представляют собой межгорную долину длиной 20 км и шириной 10-15 км. Наиболее значительными являются ветроэнергетические ресурсы Джунгарских ворот 100 ГВт (17 000 кВт/ч/м², где возможно установить ВЭС мощностью 1000 МВт и вырабатывать 3 млрд. кВт ч в год), Ерментау – 3 700 кВт/ч/м² (Акмолинская область), Форт-Шевченко 4 300 кВт/ч/м² (побережье Каспийского моря), Курдай – 4 000 кВт/ч/м² (Жамбылская область) и некоторые другие.

Наибольшая скорость ветра по Казахстану наблюдается в районе Жаланашколь, где средняя годовая скорость ветра составляет 8,0 м/с, а число дней, в которых скорость ветра превышает 8,0 м/с, составляет 253 дня. На 80-85 % ее территории среднегодовые скорости ветра составляют от 3 до 5,0 м/с. Ветропотенциал Джунгарских ворот и Шелекского коридора дали результаты, превышающие в 1,5-2 раза потенциалы лучших зарубежных площадок.

Технически возможный к использованию ветроэнергетический потенциал Казахстана оценивается в 3 млрд. кВт/ч.

Следует отметить, что относительно внедрения ветроэнергетики произошли подвижки и в Джунгарских воротах, планируется к 2011 году установка пилотной ВЭС - 5 МВт. Новым направлением в ветроэнергетике является разработка в АИЭС ветроагрегатов с вертикальной осью вращения ротора турбины, способных принимать ветер с любой стороны. В соответствии с «Программой развития электроэнергетики до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Республики Казахстан от 09.04.1999 года №384, на основании имеющихся метеорологических данных были выбраны первые площадки для сооружения ветровых электростанций (ВЭС): Джунгарская ВЭС - 40 МВт; Шелекская ВЭС - 140 МВт; Сарыозекская ВЭС - 140 МВт; Алакольская ВЭС - 140 МВт; Каройская ВЭС - 20 МВт; Шенгельдинская ВЭС - 20 МВт; Курдайская ВЭС - 20 МВт.

Общая мощность этих ВЭС составит около 520 МВт с годовой выработкой электроэнергии около 1,8-2 млрд. кВт.ч. Инвестиции в строительство этих ВЭС составляют порядка 500 млн. долларов США.

В то же время необходимо разработать методику для адаптации существующего оборудования ВЭС к условиям республики Казахстан, так как в ряде случаев оно не может использоваться в казахстанских условиях, например, резкие порывы ветра, приводящие к разрушению установок, и разработать новое оптимальное оборудование.

Использование энергии ветра как отрасль энергетики в Казахстане отсутствует. Обширная территория Казахстана с низкой плотностью населения, где более 5 тысяч посёлков и большое количество крестьянских хозяйств, зимовок скота не обеспечены электроэнергией. Потери электроэнергии в сетях при питании мелких удалённых потребителей от центральных энергосистем достигают 20–30%.

В связи с увеличением спроса на электроэнергию и генерирующую мощность, тарифы будут продолжать увеличиваться и могут составить 4,8-6 тенге/кВт/ч для удаленных регионов, что могло бы сделать использование ветроэнергетики коммерчески привлекательным уже сейчас, начиная с обеспечения энергоснабжения небольших населенных пунктов, не имеющих надежного централизованного электроснабжения, либо не подключенных к ним.

Специалисты в Казахстане имеют опыт создания ветроэнергетических агрегатов. Имеется определенный задел по развитию технологии конструирования и изготовления ветроэлектрических установок. РГП «Научно-производственный центр механизации сельского хозяйства» разработал ряд и внедрил опытные образцы установок с улучшенными характеристиками и системой буревой защиты в Карагандинской, Акмолинской и Актюбинской областях.

Новым направлением в ветроэнергетике является разработка ветроагрегатов с вертикальной осью вращения ротора турбины, которые способны принимать ветер с любой стороны. Несколько вариантов таких агрегатов проходят опытную проверку в разных странах. В Казахстане это направление развивается в течении 15 лет.

Получены предварительные патенты и патенты Республики Казахстан, Евразийский патент, приоритетное извещение по международной версии PCT, на принципиально новые вертикально – осевые ветровые турбины (ВОВТ) модульного исполнения и специальный электрогенератор для них, проведены теоретические проработки турбин и генераторов, изготовлен ряд опытных образцов, показавших перспективность данного направления.

К казахстанским разработкам вертикально – осевых турбин проявляют интерес ведущие зарубежные компании, производящие традиционные пропеллерные ветроагрегаты, оказывающиеся неэффективными в ветровых условиях материковых частей Земли. Разработанные в Алматинском институте энергетики и связи опытные виндроторные установки мощностью 2-20 кВт и турбовинтовые модульные установки мощностью 1-60 кВт были запущены в разное время в г.Капчагай, Чимбулак, с.Чилик, Алаколь, Достык

3.3 Ветровые электрические станции

Мировой опыт использования ветроустановок. Дания и Германия являются основными производителями ветроустановок в мире, учитывая филиалы фирм в других странах. Для ветроустановок этих стран, работающих в энергосистемах, характерны следующие тенденции в соотношениях между мощностью, диаметром ротора и высотой башни.

Современная ветроэлектростанция во всех западных странах использует ветровые фермы, т.е. набор ветрогенераторов мощностью 30-100 МВт и с максимальной суммарной мощностью с максимальной ε 600-800 МВт, установленной в одном месте. Дания и Германия являются основными производителями таких ветроустановок во всем мире.

Наибольшее распространение нашли пропеллерные ветроэлектростанции с высотой башни 18–30 м. При мощности 1 МВт высота башни составляет 35-90 м. Первое внедрение таких электростанций было осуществлено в США за счет дотации государства на развитие этих установок в 80-х годах, и до 1996г США были лидерами в развитии электроэнергетики. В 1997г мировым лидером становится Германия, поскольку в США Р_уст=1891МВт, а в Германии Р_уст=1950МВт, следующей идет Индия = 820 МВт, Дания = 785МВт, Нидерланды = 705МВт, Англия = 264 МВт, Испания = 216 МВт, Швейцария = 105 МВт, Италия = 70 МВт, Китай = 57 МВт. Быстрые темпы роста мощности в Германии и Индии объясняются льготами, установленными для этих стран, как для производителей, так и для потребителей электроэнергии. Однако в 1997г Индия почти полностью свернула программу строительства ВЭС, несмотря на это общая суммарная мощность установленных электрических станций в мире в 1996г составляла 172МВт и возросла к 2006-му году в 6 раз.

Дания выпустила приблизительно 75% агрегатов в мире, это связано с тем, что государство закупает электроэнергию у производителей по 9 центов за кВт/час. При этом около 60% установленной мощности находится в частных ресурсах. В Испании закупочные цены на ВЭС - 8 центов / кВт.ч.

Особенности выпускаемых Германией и Данией электроустановок заключается в том, что они имеют диапазон напряжения 320-690 Вольт и используют асинхронизованные генераторы, в большей части с двумя обмотками.

Практически все фирмы перешли на асинхронные генераторы, которые наилучшим образом отвечают условиям работы ветроустановок, характеризуемых резкими и частыми изменениями скорости ветра, а также малой инерционностью вращающихся частей. Поскольку все они предназначены для работы в сети, то проблем с выработкой реактивной мощности не возникает, эта задача возлагается на генераторы энергосистемы.

Система управления и регулирования мощности таких электростанций выполнена с помощью микропроцессоров и ПК, поэтому привычных щитов и пультов у них нет.

Как уже отмечалось, диапазон напряжений генераторов довольно широк – от 320 до 690 В, и это обстоятельство нужно учитывать при заказах зарубежных ветроустановок. Фирмы "Маркхем" и "Энеркон" применяют асинхронизированные генераторы, допускающие, как известно, переменную скорость вращения. Значительное число фирм применяет генераторы с двумя обмотками, при этом градация их мощностей производится по обмотке большей мощности. Например, 600/150 кВт, 500/150 кВт, 270/60 кВт, 270/75 кВт и т.д.

Наиболее применяемая синхронная скорость вращения генераторов составляет 1500 об/мин, т.е. используются четырехполюсные машины; на самом деле, как известно, скорость асинхронного генератора должна быть выше, и в рассматриваемой машине скольжение изменяется от 0,8 – 5%.

Важнейший элемент ветроустановок - система регулирования мощности, которая определяет конструктивные особенности ВЭУ и систему ее автоматики. Как известно, существуют два принципиально разных способа. Первый – регулирование мощности путем изменения угла между лопастью и набегающим потоком воздуха, так называемым "углом атаки", т.е. «пич (pitch) – регулирование». Эффективность и надежность этой системы определяются надежностью гидравлической и механической систем поворота лопастей. В целом существенно усложняется вся машина.

Второй способ – это, когда профиль лопасти неодинаков по всей ее длине. Тогда при одной и той же скорости ветра разные ее участки работают с разной эффективностью. При определенной для каждого участка скорости ветра наступает срыв потока.

В целом профиль лопасти выбирается так, чтобы при скорости ветра, выше расчетной, мощность была бы примерно одинаковой и равной номинальной. Это так называемое «столл (stall) – регулирование».

Средний коэффициент использования установленной мощности в 1995 г. составил 21%, при этом по кварталам эта величина изменялась следующим образом: 1 кв. – 10%, 2 кв. – 34%, 3 кв. – 29% и 4 кв. – 12%. Значения этого коэффициента для диапазонов мощности ветроустановок таковы: 1 – 50 кВт – средний коэффициент использования установленной мощности 19%; 51 – 100 кВт – 19%; 101 – 150 кВт – 21%; 151 – 200 кВт – 19%; 201 и выше – 26%.

А вот способность ВЭУ работать в базе является определенным недостатком, что при значительной доле ветроустановок в энергосистеме требует определения ее влияния на режимы работы остальных электростанций.

На немного более чем 2000 ветроустановок, по которым представлены данные, приходится 630 случаев вынужденных остановок в квартал, что не так уж и мало. Но случаев разрушения отдельных элементов всего 29. Самая ненадежная часть – система управления, на которую приходится 153 случая, затем следует система поворота кабины – 82 случая, затем генератор – 56 случаев.

Более подробную картину дает статистика неисправностей ветротурбин в Германии. Здесь на 1800 установок приходилось 2122 выхода из строя в квартал. Однако сюда включены остановки ветротурбин на обслуживание (453 случая), отключение сети (147) и запланированные остановки (75), не являющиеся следствием неисправностей ветротурбины. За вычетом этих случаев число остановок по неисправности составит 1447 в квартал.

Итак, если брать турбину в целом, самым ненадежным элементом является ротор (26%), примерно на одном с ним уровне – башня (21,1%), трансмиссия (21,1%), а так же электрическая часть и система управления (20%).

Стоимость электроэнергии от ветростанций достигла в Дании 4 центов за 1 кВт ч, что является одним из самых низких значений и в особых комментариях не нуждается. Следует также обратить внимание на использование городских отходов в качестве топлива для электростанций. Цена электроэнергии от таких станций сравнялась с ценой от угольных электростанций, что является выдающимся результатом.

Аварийность ветротурбин довольно высока – одна-две остановки в год каждой турбины. Средняя продолжительность простоя из-за замены различных элементов колеблется от 12 ч (для датчиков) до 96 ч (для генераторов). Возможность быстрой замены (ремонта) элементов и относительно малая единичная мощность ветротурбины сводят к минимуму ущерб от остановки ветротурбин.

Средняя мощность устанавливаемых ветротурбин достигла 600 кВт. Серийными машинами стали ветротурбины 500, 600 и 750 кВт. В ближайшие 2 года прогнозируется серийный выпуск турбин мощностью 1000 кВт и выше.

Возможность изготовления ВЭС в Казахстане. Некоторые специфические природно – климатические и производственно- экономические особенности Казахстана, а также современная экологическая ситуация делают привлекательным практическое использование в республике ветроэнергетического потенциала :

Казахстан лидирует в мире по наличию ветровых ресурсов в приземных слоях атмосферы, занимая первое место по их объему на душу населения. Ветроэнергетические ресурсы на территории Казахстана изучаются с 1913 г. Примерно на 40 процентах территории республики возможно использование ВЭС для местных нужд сельского хозяйства. Основным типом ландшафта Казахстана является степь, что позволяет ветру иметь большую скорость и в течение длительного времени оставаться постоянным по интенсивности. Установлено наличие естественных концентратов ветра с высоким ветроэнергетическим потенциалом: Джунгарские ворота, Шелекский коридор, Кордай, Бурное и ряд других.

Потребители ветроэнергетических установок. Емкость рынка ВЭС малой мощности 500 - 600 штук по разным регионам Республики. Потребители – пограничная служба, армия, Казахтелеком, станции катодной защиты трубопроводов нефти и газа, буровые бригады, пункты безопасности движения и автозаправочные станции на магистральных автотрассах, железнодорожные переезды, объекты туризма, охотничьи и лесные хозяйства, сельскохозяйственные фермы, предприятия переработки сельхоз продукции. Годовая потребность в ВЭС по первому году реализации проекта 15 – 20 штук.

Ветроэнергетика использует два типа электростанций:

1) пропеллерные: с вертикальным, с горизонтальным (бидарье);

2) виндроторные.

Основным эксплуатационным показателем ветроустановки является:

1) коэффициент использования установленной мощности;

2) коэффициент удельной выработанной энергии (для ВЭС это выработанная электроэнергия / площади ометаемой поверхности пропеллера).

Коэффициент использования установленной мощности для АЭС – 0,7-0,8, для ТЭС – 0,6-0,7, для ГЭС – 0,3-0,45, для ВЭС 0,2-0,3; однако основное достоинство ГЭС по сравнению с ВЭС, что они могут работать в пиковом режиме.

Средний коэффициент использования установленной мощности на электрической станции =0,26

Причины выхода из строя ВЭС:

1) система управления 153 случая из общего 630;

2) поворот кабины 82 случая;

3) выход из строя генераторов 56 случаев.

В настоящее время разработано большое количество типового промышленного оборудования ветроэнергетики. Однако отсутствует методика его использования для условий Казахстана, а в ряде случаев оно не может использоваться в казахстанских условиях, например, резкие порывы ветра, приводящие к разрушению установок. В этой связи необходимо разработать методику для адаптации существующего оборудования к условиям республики Казахстан и разработать новое оптимальное оборудование.

Для эффективной реализации энергии этих месторождений, ветер которых имеет многовекторную «розу ветров», нужны ветроагрегаты с вертикальной осью вращения, предлагаемые в настоящем проекте.

Ветряные станции с вертикально – осевыми турбинами обладают большими преимуществами по сравнению с пропеллерными:

-.отсутствие зависимости развиваемой мощности от направления ветра;

- способность работать на ураганных и порывистых ветрах;

- модульный принцип конструкции при необходимости изменения мощности ВОВТ меняется число установленных модулей или электрогенератор без изменения общей компоновки станции;

- генератор соединен непосредственно с ротором и не имеет сложных редукторов;

- генератор находится внизу, что удобно при монтаже и техническом обслуживании;

-наличие направляющего аппарата, увеличивает удельную мощность ротора в 2 - 2,5 раза по сравнению с открытым ротором;

- электростанция находится в непосредственной близости к потребителю, что исключает необходимость строительства дорогостоящих линий электропередач и трансформаторных подстанций, согласования подключения к системным ЛЭП;

- электростанции устанавливаются на территории потребителя, что исключает необходимость приобретения земли;

-требуется меньшая площадь для размещения многоагрегатных ветроэлектростанций;

- допускается плотная установка ветроагрегатов на площадке, что обеспечивает высокий уровень использования энергии ветра на уникальных месторождениях ветровой энергии, таких как Джунгарские ворота;

- для транспортировки и монтажа агрегатов используются общепромышленные транспортные средства и простейшие подъемные механизмы.

Практическая реализация разработок осуществлена при создании, установке и вводе в эксплуатацию опытно – экспериментальных ветроэнергетических агрегатов мощностью от 2,5 до 20кВт в нескольких регионах Казахстана и на испытательном полигоне в России. Опытно – экспериментальные образцы в разное время изготавливались на заводе в г.Капчагай, на ПРП «Целинэнергоремонт» в г.Астане, на Талгарском «Опытном литейно – механическом заводе», на предприятии «ТАТЕД» г.Алматы. Механическая часть ВЭС может быть изготовлена на любом машиностроительном заводе средней квалификации

Дальнейшим развитием работ является разработка и постановка на серийное производство на предприятиях Казахстана ветроэнергетических станций мощностью 1-5, 15, 80 – 100, 150 – 250, 400 – 600, 800 – 2000 кВт, создание мощных многоагрегатных ветроэлектростанций для выработки электроэнергии в энергосистему Казахстана. Это принципиально новая разработка, не имеющая пока аналогов в мире. Для владения активами и результатами выполнения проекта может быть создана «Казахстанская ветроэнергомашиностроительная компания».

Виндроторные электростанции БОНИ-ШХВ. ВЭС Бони-0512-6 ШХВ - это компактная ветровая турбина, которая может быть установлена на доме или вблизи его и при использовании промышленных аккумуляторов, преобразователей, распределительных энергосетей в ветровых регионах может развивать мощность генераторов до 60 кВт при ураганных ветрах (см. рисунок 3.1). При малых ветрах (2 - 3 м/с) электростанция постоянно накапливает электроэнергию в аккумуляторах и выдает ее по потребности в любое время, даже при отсутствии ветра в течение 8 - 10 часов. Установленная мощность ВЭС определяется (при скорости ветра = 25м/с) количеством виндроторных модулей и высотой их установки, и может изменяться от 2,5 кВт до 50 кВт (1 - 6 модулей). Реальная мощность ВЭС обычно меньше и определяется максимальной потребностью с учетом кратковременной мощности аккумулятора и среднечасовой скорости ветра на месте установки ВЭС.

Выдаваемое напряжение может по согласованию с заказчиком быть равным 12, 24, 36 В (пост. ток), или 220, 380 В (переменный ток частотой 50Гц) или комбинированным.

Достоинствами ВЭС Бони-0512-6 ШХВ является бесшумность работы в течение 25-30 лет и высокая степень полезного использования энергии ветра широкого диапазона скоростей (2-50 м/с). Последнее позволяет в регионах со среднегодовой скоростью ветра 6 м/с за год вырабатывать до 12000 кВт ч электроэнергии с ее себестоимостью (с учетом амортизации и обслуживания) около 4 тенге за кВт час.

Описание: ВЭС

Рисунок 3.1 - Виндроторные электростанции БОНИ-ШХВ

Основаны на глубоком изучении ветра как энергоносителя, эффективны при любой розе ветров и используют следующие его свойства:

- скорость от 3 м/с и выше без ограничений, включая ураганную;

- внезапные порывы и высокочастотные пульсации скорости;

- различие скорости ветра на разной высоте от поверхности земли;

- ветровое давление и аэродинамические силы обтекания крыловидных профилей;

- эжектирующую энергию обтекающих внешних потоков;

- повышение плотности воздуха при низких температурах и высокой влажности, наличии дождя и снега.

Установлены вертикально и содержат оригинальную центростремительную турбину с направляющим аппаратом, содержащую один или несколько однотипных модулей «направляющий аппарат – ротор», объединяемых общим валом, и расположенный на нижнем конце вала специальный электрогенератор.

1 Внутренняя аэродинамика модулей согласована с местными свойствами ветра, а количество установленных модулей определяется требуемой мощностью ВЭС.

2 Ветросиловая часть «направляющий аппарат – ротор» преобразует энергию ветра в механическую и работоспособна во всем диапазоне встречающихся в природе скоростей и давлений.

3 Ветросиловая часть принимает ветер с любой стороны без каких-либо настроечных операций.

4 Виндротор вращается при скорости 3 м/с, забирая у ветра его минимальную энергию, когда обычные пропеллерные преобразователи еще неподвижны, быстро набирает обороты и мощность в соответствии с ростом скорости ветра, когда другие ВЭС регулируются в сторону уменьшения скорости вращения ветроколеса и выдаваемой мощности (до соответствующей скорости ветра 12-14м /с), и продолжает работать с большой выходной мощностью при скорости выше 20-25 м/с, когда обычные станции останавливаются.

Имеют оригинальный электрический генератор, соединенный непосредственно с валом ротора, а не через сложный редуктор, как у пропеллерных ВЭС (см. рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - оригинальный электрический генератор

Электрический генератор с электронной схемой управления обеспечивает постоянство выходного напряжения и частоты тока во всем диапазоне изменения скорости ветра и в широких пределах выдаваемой мощности с кпд 0,94-0,92 в соответствии со скоростью ветра. Имеют высокие эксплуатационные свойства:

- увеличение устойчивости конструкции при повышении скорости ветра и скорости вращения ротора за счет гироскопического эффекта;

- отсутствие шума и вибрации;

- безопасность для птиц и животных;

- безопасность в случае каких-либо форс-мажорных обстоятельств;

- возможность плотной установки и создания многорядных ветроэнергетических плотин большой мощности;

- возможность параллельной работы с другими источниками постоянного и переменного тока, солнечными преобразователями, аккумуляторной батареей, дизельными станциями или энергосистемой;

- простота, высокая скорость монтажа и ввода в эксплуатацию.

Таблица 3.1-Технические данные виндроторных электростанций БОНИ-ШХВ-0,5/n с ротором диаметром 0.5м

Наименование	Ед. изм.	Число модулей, n - активная площадь
Наименование	Ед. изм.	1 - 1,7 м²	3 - 3,4 м²	5 - 8,5 м²	6 - 10,3 м²
Выходная мощность при скорости ветра, м/с 5 10 15 20 25 30 35	кВт	0,1 0,4 1,1 2,3 3,2 4,8 6,4	0,3 1,2 3,3 6,9 9,6 14,4 18,6	0,5 2,0 5,5 11,5 16,0 24,0 31,0	0,7 2,6 7,0 14,5 20,2 28,1 35,4
Емкость аккумуляторов	А-ч	Рекомендуемая мощность аккумуляторной батареи 10-50% от мощности ВЭС (по согласованию)
Высота ВЭС	м	6	10	15	17

Виндроторные электростанции БОНИ-ШХВ изготавливаются из широко распространенных материалов, не требуют применения особо сложных технологий, а так же:

- позволяют получать электроэнергию из недобываемого энергоносителя;

- это экологически чистая электроэнергия и снижение выброса парниковых газов, каждый киловатт-час выработанной электроэнергии замещает сжигание 350 г угля, сохранение климата Земли;

- это собственная ниша энергопроизводителей из бесплатного сырья;

- это энергообеспечение удаленных объектов взамен строительства линий электропередач и доставки горюче-смазочных материалов, тепло, свет и культура;

- это защита и автоматизация нефтяных и газовых трубопроводов.

Виндроторные электростанции БОНИ-ШХВ изготавливаются на заводах Республики Казахстан, испытаны в диапазоне ветров до 45 м/с, имеется опыт трехлетней эксплуатации, показавший их надежность и эффективность. Срок окупаемости индивидуальных ВЭС БОНИ-0,5/6 ШХВ составляет от 10 лет до 1 года в зависимости от среднегодовой скорости ветра. Очень важно правильно выбрать место их установки, в этом могут оказать квалифицированную помощь специалисты Алматинского университета энергетики и связи.

Основная схема турбины имеет следующий вид - два ротора, расположенных друг относительно друга следующим образом как показано на рисунке 3.3. Виндроторные ВЭС представляют с собой турбину, аналогичную паровой турбине вращающую потоком набегающего ветра.

КПД такой турбины составляет max 30% и ветровой поток, вращая ее, выходит во внутреннюю часть турбины. Отличительная особенность ВЭС в том, что внутри этой турбины устанавливается второй ротор. Ветровой поток, попадая на его лопасти, вращает турбину в обратную сторону, но при этом используется еще раз, а значит КПД установки резко повышается. При этом к такой турбине через ременный шкив подключено по два генератора.

Рисунок 3.3 -Турбина виндроторных ВЭС

В отличие от пропеллерных ВЭС виндроторные ВЭС способны работать при ветрах 3-5 метр/сек. (пропеллерные только с 8 м/с). Виндгенераторные ВЭС не создают шум, особенно в пределах частот 8-10 Гц, которые очень вредные.

Система управления реагирует на изменение скорости ветра, при этом обычно начиная со скорости ветра 35 км/час, пропеллеры поворачиваются вдоль ветра и выработка электрической энергии прекращается, однако по указанию производителей, станция может выдержать ураганную скорость ветра от 60 до 210 км/ч. Существует два принципиально разных способа регулирования мощности. Эффективность и надежность этой системы определяется гидравлической и механической системой поворота лопасти. Когда профиль лопасти неодинаков по всей ее длине, то при одной и той же скорости ветра разные участки работают с разной эффективностью. При определенной для каждого участка скорости ветра наступает срыв потока, такая система регулирования называется стол регулирования.

Фирмы изготовители выпускают оба типа установок примерно 50x50.

4 Биоэнергетика

Сегодня во многих странах функционируют национальные программы развития технологии анаэробной переработки биомассы, направленные на решение проблем энергоснабжения, обеспечения удобрением, поддержания надлежащих санитарных условий и иные цели. Биомасса будет использоваться главным образом для получения технологического тепла и энергии.

Первая в мире программа по развитию биогазовой технологии была принята вИндии (1962 г.). Китай начал реализацию программы развития технологии анаэробной переработки органического материала с 1969 года. Из известных способов утилизации органических отходов наиболее перспективны технологии глубокой переработки методом анаэробной ферментации или биоконверсии. Анаэробная термофильная переработка органических отходов сегодня является единственной технологией их обеззараживания от патогенных микробов, паразитов и семян сорняков, получения высококачественного удобрения и газообразного топлива - биогаза. Биогазовые установки, в отличие от других автономных энергетических средств возобновляемой энергетики, могут функционировать круглосуточно, практически везде, где есть в достаточном объеме биомасса или органические отходы.

В настоящее время Австралия, Таиланд, Мексика и Индия запускают свои программы внедрения биотоплива. США активно перенимают опыт Бразилии в области стимулирования развития альтернативных видов топлива. С начала 1990-х гг. Бразилия развивает технологию электростанций, работающих на газифицированной древесной биомассе для газовых турбин (BIG/GT).

4.1 Биотопливо

Исторически наиболее распространенным видом биотоплива является биомасса на основе различных видов сельскохозяйственных культур, деревьев, отходов сельскохозяйственного производства. В последнее время все большее распространение получают технологии получения тепла и энергии из биогаза, биодизеля, биоэтанола.

В Австрии доля биотоплива в энергетике – 12%, в Финляндии – 23%. В целом по Европейскому союзу эта доля составляет до 14%. Использование биомассы как топлива в ЕС увеличилось с 47 млн. т нефтяного эквивалента в 1993 г. до 69 млн. т нефтяного эквивалента в 2003 г.

Рисунок 4.1 - Потребность Европы в биотопливе: прогноз до 2015 г.

Биогазовые технологии – это экологически чистый, безотходный способ переработки, утилизации и обезвреживания разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения.

Мировое потребление биодизельного топлива, вырабатываемого на основе растительного масла, выросло за последние 2 года в 2,5 раза – с 2 млрд. литров в 2003 году до примерно 5 млрд. литров в 2005 году. К 2020 году объемы его выпуска могут достичь 24 млрд. литров.

Таким образом, эффективное и рациональное использование возобновляемых ресурсов и энергии в Республике Казахстан необходимо для:

- обеспечения устойчивого развития и сохранения конкурентоспособности страны;

- уменьшения антропогенного давления на окружающую среду и сокращения выбросов парниковых газов от объектов традиционной энергетики;

- внедрения наилучших малоотходных и ресурсосберегающих технологий в промышленности и сельском хозяйстве;

- улучшения социальной ситуации в регионах Республики Казахстан за счет снижения загрязнения окружающей среды и повышения доступности энергетических источников.

Исследования по направлению развития технологии анаэробной переработки биомассы проводились в Казахстане с 80-х годов. Казахстанская биотехнологическая научная школа является одним из лидеров на постсоветском пространстве, и ей по силам обеспечить превращение в биоэтанол не только любые отходы растениеводства, но и твердые бытовые отходы - мусор, на складирование которых расходуются значительные средства. Казахстан производит много продуктов растениеводства, в первую очередь «твердой» пшеницы. Большое количество сельскохозяйственных отходов – соломы, шелухи подсолнуха бесцельно сжигается. Такие биоматериалы могут быть использованы для производства биоэтанола. Наиболее перспективным для Казахстана является получение биоэтанола, как побочного продукта глубокой переработки пшеницы. В 2003 году МОН РК разработала программу возрождения и развития биотехнологического производства на базе бывшей промплощадки некогда известного в Союзе предприятия в биотехнологической отрасли - в Технопарке НПО Прогресс в г.Степногорске. В настоящее время компания «Баско» строит в Североказахстанской области завод по производству биоэтанола - производственный комплекс «Биохим». Проект является классическим примером кластерного развития: глубокая переработка произведенного компанией зерна и получение конечного продукта – биоэтанола. Такие заводы многофункциональны, и на них используется абсолютно все сырье, даже отходы. 90% будущей продукции планируется экспортировать, 10% будет реализовано на внутреннем рынке. Из 300 тыс. тонн зерна должно производиться 57 тыс. тонн биоэтанола. Также весьма перспективное органическое топливо - биогаз. Если использовать биогаз для производства электроэнергии, себестоимость ее оказывается всего 0,025-0,075 доллара за квт/ч. В НПО "ЭкоМузей" г.Караганды успешно осуществлен пилотный проект по получению биогаза из органических отходов. РГП «НПЦ механизации сельского хозяйства» имеет достаточный опыт проведения НИОКР по получению и внедрению биогаза из отходов животновочества, а также по изготовлению и эксплуатации биогазовых установок объемом реактора 5 и 1 м³.

Потенциал биотоплива. В целом по стране годовой выход животноводческих и птицеводческих отходов по сухому весу – 22,1 млн. тонн, это 8,6 млрд. м³ газа. Растительных отходов в год у нас накапливается 17,7 млн. тонн, что эквивалентно 14–15 млн. тонн условного топлива или 12,4 млн. тонн мазута. Это более половины объема добываемой нефти. Переработка этого газа в электрогазогенераторах позволит получать ежегодно до 35 млрд. кВт/час и одновременно 44 млн. Гкал тепловой энергии. Кроме того, если использовать биогаз для производства электроэнергии, себестоимость ее оказывается всего 0,025–0,075 доллара за кВт/ч, в то время как электроэнергия от традиционных источников обходится в 0,1–0,15 доллара за кВт/ч.

4.2 Биоэтанол

В различных странах мира на смену традиционному бензину приходит биоэтанол (технический этиловый спирт), который получают из растительного сырья. Уникальность этого вида топлива в том, что выделяемый при его сжигании углекислый газ имеет первичное атмосферное происхождение, и его могут опять ассимилировать растения, которые в будущем станут источником получения нового топливного этанола, в то время как при использовании ископаемого топлива выделяются выхлопные газы, являющиеся источником парникового эффекта. В настоящее время уже более половины мирового производства этанола используется в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания и лишь около 15% для производства спиртных напитков. Сегодня практически все развитые и развивающиеся страны мира разрабатывают с учетом наличия специфики биомассы собственные программы производства биоэтанола, в том числе и наши ближайшие соседи - Россия и Китай.

Биоэтанол в настоящее время составляет лишь 2% от мирового использования автомобильного топлива. Но к 2025 году его доля может достичь 30%. В Бразилии наиболее активно развивается рынок биоэтанола, получаемого из остатков тростникового сырья для сахарного производства. Программа использования биоэтанола была инициирована во время нефтяного кризиса 1970-х гг. В 2005 г. продажи автомобилей, использующих этанол в качестве топлива, составили 53,6% от общего числа продаж новых автомобилей в Бразилии.

4.3 Биомасса

Биомасса используется в виде топлива для энергопроизводства на тепловых паротурбинных ТЭС в лесоперерабатывающей и сельскохозяйственной отраслях промышленности некоторых стран. Биомасса, используемая для этих целей в качестве топлива, состоит в основном из отходов первичного производства этих отраслей. К переходу некоторых электростанций на комбинированное топливо из угля и добавок биомассы. А также растет интерес к внедрению современных паротурбинных технологий СНР (например, в сахарной промышленности). Передовую технологию, которая позволит электроэнергии, полученной из культивированной биомассы, конкурировать с работающими на угле электростанциями, представляет газификатор на интегрированном топливе из биомассы комбинированного типа (BIG/CC). Кроме культивированной биомассы, можно использовать менее дорогие виды биомассы. Биомасса в отличие от угля является, в некотором смысле, более многообещающим видом сырья для газификации (например, в ней содержится очень мало серы и она более реактивна, нежели уголь). BIG/CC будет содействовать децентрализации системы электрификации сельских районов и их индустриализации.

Общая характеристика такой технологии говорит о том, что электромотор приводит в движение колеса, а остановка осуществляется через посредство «регенеративного торможения». Гибрид электромобиля, в котором сочетаются наличие небольшого двигателя внутреннего сгорания и электрогенератора для обеспечения «базового электрического заряда» с небольшим аккумулятором, ультраконденсатором или маховиком в качестве устройства «пиковой нагрузки». Использование этих гибридов в автомобильной промышленности позволяет повысить уровень эффективности использования энергии минимум в два раза. Топливные батареи не менее привлекательны для использования в электромобилях. Особый интерес сегодня вызывают топливные батареи с протонообменной мембраной (PEMFC) В рамках массового производства автомобили будут иметь гораздо более низкую себестоимость и гораздо больший период между дозаправками, чем электромобили на аккумуляторах, станут использовать в автобусах, поездах и небольших бытовых средствах передвижения, на электрифицированных железных дорогах. Использование локомотивов, оснащенных топливными батареями, может оказаться одним из реальных выходов. К некоторым из альтернатив, заслуживающих внимания, можно отнести реформинг-бензин, сжатый природный газ, спирты (метиловый и этиловый), средние синтетические дистилляты, диметиловый эфир и водород. Попытки получить биотопливо для автотранспорта сводились к выделению этанола из кукурузы, пшеницы, сахарного тростника и таких видов растительного масла, как рапсовое. Все эти виды традиционного топлива из биомассы представляются неэкономичными.

Полученный из сахарного тростника и его отходов этанол будет с помощью технологии BIG/CC перерабатываться в электричество. В противоположность этому бесперспективным, с точки зрения затрат, можно считать производство этанола из зерновых.

Передовые технологии производства биотоплива из дешевой древесной биомассы могут привести к значительно большей экономии энергии и снижению уровня экологического воздействия.

Использование водорода позволит одновременно решить целый ряд задач, стоящих перед энергетической системой в 21 веке. Водород – легкий, универсальный и простой в эксплуатации энергоноситель. Полученный в результате сжигания ископаемых видов топлива водород, используемый в транспортных средствах на топливных батареях, будет выбрасывать в атмосферу гораздо меньше СО₂, чем автомобили с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания, поскольку транспортные средства на топливных батареях гораздо экономичнее. Такой подход с позиции силы снижает эффективность процесса конверсии и значительно повышает стоимость электричества. Процесс получения водорода из угля, нефти и газа предполагает получение потока относительно чистого СО₂ в качестве «бесплатного» побочного продукта. Реальными представляются перспективы хранения этого СО₂ с минимальными издержками под землей в истощенных нефтегазовых месторождениях и глубоких водоносных горизонтах. В процессе перехода от традиционных плит, для которых использовались покупные дрова, к усовершенствованным видам топлива из биомассы, газовым или керосиновым плитам не исключается значительное снижение как оперативных издержек. Имеются возможности перехода от высокоэффективных плит на биомассовом топливе к традиционным видам или замене плит на жидком или газообразном (ископаемые виды топлива или биомасса) топливе на плиты, использующие только биомассовое топливо. Биомасса остается тем видом топлива, который используют для приготовления пищи, еще многие годы. Использование плит на жидком или газообразном топливе предлагает потребителям наибольшие удобства и наиболее высокий уровень производительности по вполне разумной цене.

В Казахстане стабильным источником биомассы для производства энергии могут являться отходы сельскохозяйственного производства, растениеводческая продукция технического характера, а также излишки продовольственного сырья. По оценочным данным, годовой выход животноводческих и птицеводческих отходов по сухому весу составляет 22,1 млн. тонн (от крупного рогатого скота – 13 млн. тонн, овец и коз – 6,2 млн. тонн, лошадей – 1 млн. тонн), из которых можно получить 8,6 млрд. м³ биогаза.

Имеющиеся сырьевые ресурсы растениеводства (целлюлозный ресурс – 9 млн. тонн, свободный остаток зерна – 1,9 млн. тонн, низкокачественная пшеница, идущая на корм скоту, - 1 млн. тонн, малосемена – 1 млн. тонн), позволяют без ущерба для пищевой и комбикормовой промышленности организовать производство свыше 4 млрд. литров биотоплива в год.

4.4 Биогаз

Подсчитано, что в целом по стране годовой выход животноводческих и птицеводческих отходов по сухому весу – 22,1 млн. тонн, это 8,6 млрд. м³ газа. Растительных отходов в год у нас накапливается 17,7 млн. тонн, что эквивалентно 14–15 млн. тонн условного топлива, или 12,4 млн. тонн мазута. Это более половины объема добываемой нефти. Переработка этого газа в электрогазогенераторах позволит получать ежегодно до 35 млрд. кВт/час и одновременно 44 млн. Гкал тепловой энергии. Кроме того, если использовать биогаз для производства электроэнергии, себестоимость ее оказывается всего 0,025–0,075 доллара за кВт/ч, в то время как электроэнергия от традиционных источников обходится в 0,1–0,15 доллара за кВт/ч.

Однако, современная технология получения биогаза, необходимость комплексной автоматизации процесса, длительный процесс ферментации и поддержание повышенной температуры в биогазовых установках позволяют эффективно использовать их только для коллективных хозяйств (например, свиноводческих ферм).

Практическое использование биогаза в мире началось в начале XX века, а сегодня во многих странах функционируют национальные программы развития технологии анаэробной переработки биомассы, направленные на решение проблем энергоснабжения, обеспечения удобрением, поддержания надлежащих санитарных условий и на иные цели.

В Индии фундаментальные и прикладные исследования проводятся преимущественно в Исследовательском центре биохимической инженерии и в Индийском технологическом институте. Вопросами развития, исследования, стандартизации и популяризации установок в Индии занимается Khadi and Village Indusries Commission (KVIC). Программа базируется на освоении технологии переработки навоза крупного рогатого скота посредством универсальных биогазовых установок, так называемого «габоровского типа», предназначенных для индивидуальных крестьянских хозяйств. Исследовательские работы по данной проблеме выполняются в следующих организациях: Научно–исследовательский институт по инженерным проблемам в области изучения окружающей среды в Нигпуре; Национальный институт по сахару в Канпуре; Центр структурных инженерных исследований в Руркесе; Индийский институт управления в Ахмедабаде; Индийский научный институт в Бомбее; Комиссия по сельской местности.

В СССР фундаментальные исследования по технологии анаэробной переработки проводились в институте микробиологии АН СССР, институте биохимии им. А. И. Баха АН СССР, институте микробиологии им. А.Кирхенштейна АН Латвийской ССР, институте микробиологии АН Армении. Работы прикладного характера выполнялись в институтах ВИЭСХ, ВНИИВС, ВИЖ, ВНИИКОМЖ, ГипроНИИсельхоз, Уралгипросельхозстрой, УкрНИИгипросельхоз и др.

1 – корпус биореактора; 2 – диафрагма; 3 – рукоятка; 4 – затвор; 5 – шлюз для выгрузки сброженной массы; 6 – корпус тепловой рубашки; 7 – электрический ТЭН; 8 – герметический затвор; 9 – загрузочный люк; 10 – газовый штуцер; 11 – гребенка; 12 – вал; 13 – шнек; 14 – облицовка теплоизоляции; 15 – теплоизоляция; 16 – рукоятка-крестовина мешалки; 17 – крышка биореактора.

Рисунок 4.2 – Схема – разрез биореактора- метантенка ИБГУ -1

В Казахстане аналогичные по направлению исследования проводятся с 80-х годов прошлого столетия. В частности, в этот период для сельскохозяйственных предприятий, специализирующихся на свиноводстве, было выполнено три проекта крупных установок анаэробной переработки навоза: два проекта для свинокомплексов на 54 тыс. свиней и проект для свинофермы на 16 тыс. свиней. В настоящее время они пришли в негодность, а научно- исследовательские работы после развала СССР прекращены.

Из известных способов утилизации органических отходов наиболее перспективны технологии глубокой переработки методом анаэробной ферментации или биоконверсии. Анаэробная термофильная переработка навоза и других органических отходов сегодня является единственной технологией обеззараживания навоза от патогенных микробов, яиц гельминтов и семян сорняков, сохранения его в виде высококачественного удобрения и получения газообразного топлива – биогаза.

Биогазовые установки, в отличие от других автономных энергетических средств на базе возобновляемых источников энергии, могут функционировать круглосуточно, практически везде, где есть в достаточном объеме биомасса или органические отходы. И в этом плане они имеют определенные преимущества. Учитывая это обстоятельство, предлагается использовать установки для переработки и обеззараживания навозных стоков как источник тепло- и энергоснабжения фермерских хозяйств и агроформирований как автономно, так и в комбинации с другими энергетическими средствами на базе возобновляемых источников энергии.

5 Теплонасосные установки – как нетрадиционный источник энергии

Одним из нетрадиционных источников более дешевой энергии, нашедшим широкое применение в ведущих странах мира на рубеже XX – XХI веков, являются теплонасосные установки (далее - ТНУ) – установки, которые производят в 3-7 раз больше тепловой энергии, чем потребляют электрической на привод компрессора и поэтому считаются наиболее эффективными источниками высокопотенциальной теплоты.

Основной причиной слабого внедрения возобновляемых источников энергии является их неконкурентность по затратам в условиях существующего рынка электроэнергии. К примеру, с учетом возврата инвестиций стоимость электроэнергии от малых ГЭС может составлять порядка 7 - 9 тенге/кВтч, стоимость электроэнергии от ветроэлектростанций – 8-10 тенге/кВтч. Сегодня стоимость электроэнергии на оптовом рынке электроэнергии составляет порядка 2,5 тенге/кВтч, с учетом транспорта электроэнергии по национальной электросети - порядка 3-3,5 тенге/кВтч.

Тепловые насосы - это компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления коттеджей за счет аккумулирования тепла от низкопотенциальных источников (это грунтовые и артезианские воды, озера, моря, грунтовое тепло, тепло земных недр, промышленные и очищенные бытовые стоки, воды технологических циклов) и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой (см. таблицу 5.1).

Таблица 5.1 - Мировой уровень использования низкопотенциальной
тепловой энергии земли посредством тепловых насосов

Страна	Установленная мощность оборудования, МВт	Произведенная энергия, ТДж/год
Австралия	24,0	57,6
Австрия	228,0	1094,0
Болгария	13,3	162,0
Великобритания	0,6	2,7
Венгрия	3,8	20,2
Германия	344,0	1149,0
Греция	0,4	3,1
Дания	3,0	20,8
Исландия	4,0	20,0
Италия	1,2	6,4
Канада	360,0	891,0
Литва	21,0	598,8
Нидерланды	10,8	57,4
Норвегия	6,0	31,9
Польша	26,2	108,3
Россия	1,2	11,5
Сербия	6,0	40,0
Словакия	1,4	12,1
Словения	2,6	46,8
США	4 800,0	12 000,0
Турция	0,5	4,0
Финляндия	80,5	484,0
Франция	48,0	255,0
Чехия	8,0	38,2
Швейцария	300,0	1 962,0
Швеция	377,0	4 128,0
Япония	3,9	64,0
Всего:	6 675,4	23 268,9

Тепловой насос – машина, позволяющая осуществлять передачу теплоты от менее нагретого тела (окружающей среды – воздуха, грунтовых вод, грунта, вентиляционных выбросов, сбросной теплоты установок и т.д.) к более нагретому телу, повышая его температуру и затрачивая при этом механическую энергию. В классическом случае считается, что, затрачивая на работу 1 кВт электроэнергии, ТНУ может произвести от 3 до 6 кВт тепловой энергии.

В настоящее время в мире работает порядка 90 млн. тепловых насосов различной мощности - от нескольких десятков кВт до сотен МВт. По прогнозам МирЭК к 2020 году доля ТНУ в теплоснабжении составит 75%.

В США 1 млн. тепловых насосов вырабатывает 37% потребности энергии для теплоснабжения. В Швеции свыше 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы. В Японии ежегодно производится 3 млн. тепловых насосов различной мощности. В РФ действует свыше 300 тепловых насосов - менее 0,1% всего отопления. В Республике Казахстан – менее 30 теплонасосных установок.

Во многих странах выделяются дотации из госбюджета, стимулирующие использование ТНУ. Так, в странах Скандинавии за 1 кВт установленной тепловой мощности ТНУ выплачивается 100 евро. В Германии дотация государства на установку ТНУ составляет в размере 300 евро на каждый кВт установленной мощности. При строительстве новых общественных зданий в США используются исключительно геотермальные тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США. Так, геотермальный тепловой насос был установлен даже в широко известном небоскребе Нью-Йорка The Empire State Building.

Сравнительный анализ эффективности работы автономных систем отопления:

- эксплуатационные затраты (без амортизационных и экологических отчислений): электрокотел - 873 600 тенге; тепловой насос - 58 968 тенге; дизельный котел - 1 016 640 тенге;

- стоимость 1 Гкал вырабатываемой теплоты: электрокотел - 9 187 тенге; тепловой насос - 510 тенге; дизельный котел - 12 231 тенге;

- срок окупаемости теплового насоса по сравнению: с электрокотлом - 3,3 года; с дизельным котлом - 2,7 года.

В Казахстане Тепловые насосы различных типов разрабатываются в ТОО «Центр искусственного климата» (г. Усть-каменогорск). Алматинский институт энергетики и связи в течение последнего года работает в тесной связи с ТОО «Innovations & Technologies» (ТОО «I&T»), казахстанской компанией, являющейся официальным представителем в Казахстане и Центральной Азии одного из ведущих в мире производителей тепловых насосов американской компании-производителя FHP Manufacturing,

В то же время внедрение тепловых насосов сдерживается отсутствием государственных программ, направленных на применения ТНУ в системах централизованного теплоснабжения. Кроме того, успех внедрения ТНУ напрямую зависит от наличия в стране высококвалифицированных инженерных кадров, способных грамотно спроектировать и рассчитать систему для каждого здания с учетом его особенностей, осуществить монтаж оборудования в соответствии с требованиями мировых стандартов качества, а затем осуществлять ее техническое обслуживание.

Применение тепловых насосов различной тепловой мощности является принципиально новым решением проблемы теплоснабжения и позволяет в зависимости от сезонности и условий работы достигать максимальной эффективности в их работе.

Развитие и усовершенствование ТНУ, постоянно возрастающий спрос на них, привели к тому, что многие высокоразвитые страны мира (США, Япония, Швеция, Германия, Финляндия и т.д.) используют их как основной источник в системах отопления и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных помещений. В странах СНГ внедрение ТНУ находится на начальной стадии, так, например, в России работает всего свыше 200 ТНУ, а в других странах, в том числе и в Республике Казахстан – их буквально единицы.

Так, по данным на 2000 год, из 90 миллионов тепловых насосов, установленных в мире, примерно только 5%, или 4,28 миллиона аппаратов, смонтировано в Европе (см. таблицу 5.2) Совсем немного по сравнению с 57 миллионами систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда.

Таблица 5.2 - Количество тепловых насосов, установленных в Европе

Страна	Жилой фонд¹	Торгово-административный фонд	Промышленный фонд²	Всего на 2000 год
Австрия	133 100	4 300	*	137 400
Дания	31 300	2 000	1 000	34 300
Франция	53 000	61 000	675	114 675
Германия	363 120	5 300	300	368 720
Греция	570 840	266 220	*	837 060
Италия³	800 000	20 000	*	820 000
Голландия⁴	2 856	136	159	3 151
Норвегия	13 500	6 400	726	20 626
Испания	802 000	411 000	7 390	1 200 390
Швеция	250 000	*	*	250 150
Швейцария	39 500	3 400	*	*42 900
Англия	13 900	414 060	600	428 560
Всего	3 073 116	> 1 193 816	> 11 000	> 4 277 932
* – нет информации; ¹ – в том числе водяные отопители; ² – в том числе районные системы; ³ – ориентировочно; ⁴ – только отопление

В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 миллионов установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 миллионов систем.

В мире работы в данном направлении интенсивно проводятся с середины XX века и нашли широкое применение:

- тепловые насосы применяются для автономного обогрева и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений;

- для теплоснабжения и горячего водоснабжения индивидуального жилья;

- для охлаждения и поддержания постоянной температуры воды технологических циклов, что позволяет регулировать температурные режимы теплоносителей, а также заменить громоздкие, дорогостоящие и загрязняющие окружающую среду системы охлаждения открытого типа (градирни тепловых электростанции).

Так, в Швеции 50 % отапливаемых площадей обеспечивают ТНУ, а в ее столице, Стокгольме, 12 % всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник теплоты Балтийское море с температурой воды +8⁰С. В Японии ежегодно производится около 3 млн. тепловых насосов различной мощности, в США эта цифра составляет около 2 млн. тепловых насосов, а по прогнозам Мирового энергетического комитета к 2020 году доля ТНУ в теплоснабжении составит 75 %. В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок на каждый кВт установленной мощности.

а) б)

Рисунок 5.1 - Доли тепловых насосов в теплоснабжении США (а) и Швеции (б)

В последние годы (1999-2007 г.г.) интенсивные работы в этом направлении осуществляются и в Республике Казахстан. Эффективность же применения тепловых насосов в нашей стране будет более высока, чем в большинстве развитых стран, из-за жестких климатических условий и значительно более продолжительного отопительного периода, достигающего от 200 до 250 дней в году.

6. Геотермальная энергетика

6.1 Современное состояние геотермальной энергетики в мире

История использования естественного тепла Земли насчитывает несколько тысячелетий. Широкое применение терматепла в банях и бассейнах Римской империи описано в многочисленных источниках и сохранено в развалинах древних сооружений. Первая геотермальная скважина была пробурена в 1828 г, а первая геотермальная электростанция была построена в Лардарелло (Италия) в 1913 году. Установленная мощность геотермальных электростанций США, Италии, Исландии уже к 1970 году составлял сотни МВт, фонтанная технология геотермального теплоснабжения была опробована в промышленных масштабах во многих странах мира.

Широкий практический интерес к развитию геотермальной энергетики проявился с начала 70 годов в связи с известным энергетическим кризисом. За прошедшие с момента кризиса годы резко возросло число научно-технических публикаций и патентов, созданы многочисленные геотермальные ассоциации и общества (Международная геотермальная ассоциация, Восточно-Европейская сеть по сотрудничеству в области использования геотермальной энергии, Тепловой центр в Орегоне (США), Российская, Швейцарская и др. геотермальные ассоциации). Регулярно проводятся национальные и международные конференции, в том числе под эгидой ООН.

Все возрастающий интерес мировой общественности к экологическим проблемам так же содействовал развитию экологически чистых источников энергии. Важными событиями в развитии геотермальной энергетики следует считать освоение циркуляционных технологий, бинарного цикла производства электроэнергии, использование тепловых насосов и грунтовых (скважинных) теплообменников.

Циркуляционные технологии наряду с поддержанием пластового давления в эксплуатируемом месторождении позволили вовлечь в эксплуатацию гидротермальные месторождения высокоминерализованных пластов флюидов осадочного чехла платформ. Так в Германии спешно эксплуатируются гидротермальные месторождения с минерализацией пластовых вод, достигающей 20 г/л. Использование бинарного цикла существенно расширило круг месторождений для производства геотермальной электроэнергии за счет снижения минимальной температуры со 150⁰С до 90-100⁰С. Тепловые насосы привели к настоящей революции в прямом использовании геотермальной энергии и позволили использовать для нужд теплоснабжения гидротермальные месторождения с температурой 5-7⁰С. Именно появление тепловых насосов создало возможность с помощью грунтовых теплообменников использовать тепловую энергию самых верхних горизонтов разреза на глубинах до 20-100 м.

6.2 О современной классификации геотермальных полей и месторождений

В большинстве случаев принято разделять источники геотермальной и гидротермальной энергии, где к первому типу относят тепловую энергию, аккумулированную в так называемых "горячих сухих породах" а ко второму аккумулированную в водоносных горизонтах.

С точки зрения температуры гидротермальные месторождения разделяют на преимущественно водосодержащие (температура не превышает 100⁰С) и паросодержащие (температура > 100⁰С). В первом типе месторождений рассматриваются месторождения горячей воды и месторождения, содержащие смесь воды и пара.

И, наконец, термальные воды подразделяют на горячие с t≈35-750С, высокотемпературные 75-100⁰С и перегретые > 100⁰С.

Области наибольшего значения плотности теплового потока соответственно и более перспективные для обнаружения геотермальных месторождений связаны в первую очередь с активными окраинами плит, современными островными дугами и срединно-океаническими хребтами, а внутри континентов с областями альпийской активизации и рифтогенеза. Все известные геотермальные месторождения пара и паровоздушных смесей связаны именно с этими областями. При этом для месторождений сухого пара первостепенное значение имеет наличие непроницаемых покрышек.

Месторождения горячих вод сосредоточены в основном в осадочных бассейнах и достаточно широко распространены в водоносных горизонтах древних и молодых платформ и межгорных впадин.

В литературе встречается еще один тип классификации по величине энтальпии. При этом под энтальпией воды или пара понимается содержание тепла на единицу массы в Ккал/кг или Кдж/кг. (1 кг воды с температурой 1000⁰С может выделить не более 100 Ккал, в то время как 1 кг перегретого пара при конденсации выделяет 537 Ккал). В соответствии с этой классификацией месторождения геотермальной воды относят к источникам с низкой энтальпией, а месторождения пара к источникам с высокой энтальпией.

И, наконец, с точки зрения использования геотермальной энергии геотермальные месторождения принято разделять на месторождения пригодные для выработки электроэнергии, и месторождения, пригодные для "прямого" использования, т.е. для теплоснабжения.

Международная геотермальная ассоциация (МГА) предпринимает усилия по оценке состояния развития геотермальной энергетики в мире. Однако опубликованные сводки данных не могут претендовать на полноту и высокую точность, поскольку эта работа выполняется на основе добровольных докладов отдельных стран. При этом осуществляется учет развития различных стадий производства геотермальной энергии от выявления геотермальных полей и месторождений до строительства и эксплуатации промышленных систем.

Как видно из указанных сводных докладов к настоящему времени поиски и эксплуатация геотермальных месторождений осуществляется более чем в 70 странах мира (Америка - 19, Африка- 23, Европа - 15, Азия - 10), в том числе почти во всех странах мира освоено промышленное использование геотермальных ресурсов.

К 1996 году действовали промышленные геотермальные электростанции по крайней мере в 20 странах с общей установленной мощностью 6321 Мвт, и 27 странах вырабатывается более 105 млн.Гдж/час тепловой геотермальной энергии. Установленная тепловая мощность геотермальных систем превысила 8,2 тыс. Мвт.

Несмотря на значительные успехи в развитии геотермальной энергетики, ее вклад в общий энергетический баланс мира пока еще не превышает долей процента.

Темпы развития и значимость результатов освоения геотермальной энергии наиболее высоки в развивающихся странах (см. таблицу 1.1), и здесь вклад геотермальной энергии в энергетический баланс отдельных стран весьма значим.

6.3 Получение электроэнергии из геотермальных месторождений

Основным типом геотермальных месторождений, используемых в настоящее время для получения электроэнергии, являются месторождения пара. Промышленное использование электроэнергии с использованием геотермального пара было начато в 1913 г. на месторождении Лардарелло в Италии, где была построена геотермальная электростанция (ГеоТЭС) с мощностью 250 Квт.

Начиная с 1950 г. к Италии присоединились и другие страны, так в США уже в 1960 г (долина гейзеров в Калифорнии) мощность действующих геотермальных электростанций составила 12,5 Мвт и возросла к 1970 г. до 83 Мвт.

В Эль-Сальвадо с 75 по 85 г. построено три ГеоТЭС с суммарной мощностью 30 Мвт. Особенно интересен опыт Исландии, где первая ГеоТЭС мощностью 3,0 Мвт была пущена в работу в 1969 г, а в 1984г - 31% электропотребностей страны обеспечивается ГеоТЭС.

В настоящее время для преобразования геотермальной энергии в электрическую предлагаются четыре технологии, отличающиеся друг от друга в основном выбором расширяемого в турбинах (или других специальных машинах) рабочего вещества или его физическим состоянием (т.е. паровым, жидким). К числу таких технологий относятся:

1 Традиционная - основанная на использовании в качестве рабочего вещества водяного пара, получаемого испарением части добываемой из скважины перегретой жидкости с температурой более 150⁰С. Здесь процесс может быть открытым (незамкнутым) как показано на рис. 6.1, т.е. отработанный (выходящий из турбины) пар (или конденсат после градирни), как правило, выбрасывается в окружающую среду.

Рисунок 6.1 – Традиционная (не замкнутая) технология преобразования геотермальной энергии в электрическую

2 Технология под названием Organic Rankine Cycle (ОRС), в которой в качестве рабочего вещества используются органические жидкости или холодильные фреоны, имеющие более низкие температуры кипения по сравнению с водой.

Рисунок 6.2 –Технология Organic Rankine Cycle преобразования геотермальной энергии в электрическую

Такой цикл является замкнутым (см. рисунок 6.2) и включает в себя следующие операции изменения состояния рабочего вещества:

- повышение давления жидкого рабочего вещества (агента) насосом;

- нагрев и испарение сжатого агента при постоянном давлении от внешнего теплового источника (геотермальной воды);

- расширение пара в турбине с выработкой электроэнергии в электрогенераторе;

- конденсацию отработанного пара с образованием жидкости за счет удаления тепловой энергии конденсации в окружающую среду.

Такую технологию иногда называют бинарной из-за наличия двух циклов геотермальной воды и рабочего вещества.

3 Технология под названием Сусlе (цикл Калины), где в качестве рабочего вещества используется двухкомпонентная (водоаммиачная) смесь жидкостей с различной температурой кипения. Здесь так же, как и в ORC, осуществляется замкнутый цикл операций изменения состояний рабочего вещества, в котором конденсатор отработанного пара совмещается с абсорбером, а теплота абсорбции и конденсации выводятся в окружающую среду.

4 Технология под названием Trilateral Flash Сус1е, предложенная I. Smith. Технология напоминает замкнутый цикл Ренкина, в которой рабочей средой служит никзокипящее органическое вещество, например, пропан, в двухфазном (паро-жидкостном) состоянии. Для расширения двухфазной среды разработаны специальные винтовые турбины (экспандеры), позволяющие достигнуть достаточной эффективности преобразований. Особенностью этого процесса является возможность ограничиться лишь нагревом рабочего вещества в жидком состоянии и исключить характерную для цикла Rankine стадию испарения.

6.4 Затраты на производство электроэнергии

При геотермальных разработках для производства электроэнергии около 50% затрат связаны с поисковыми разработками и бурением скважин, 40% затрат связаны со строительством электростанции и трубопроводов, и 10% средств расходуется на другие виды работ.

Стоимость 1 м бурения составляет от 0,8 до 2,0 тыс. дол. США, и глубина скважин может достигать 3 км.

Расход первичного носителя энергии в геотермальной станции составляет от 6 кг/кВт сухого пара до 400 кг/кВт флюида.

В среднем каждая скважина может обеспечить установку мощностью 1,9 Мвт. Стоимость геотермальной электроустановки составляет 1 5-1 7 тыс. дол. на 1 кВт. Установки с бинарными циклом стоят дороже (1,0 тыс. дол. США за 1 КДж).

6.5 Прямое использование геотермальной энергии

Основные направления прямого использования геотермальной энергии.

1 Теплоснабжение 33 %

2 Бассейны 15 %

3 Разведение рыб 13 %

4 Конденционирование 1 %

5 Тепличное хозяйство 12 %

6 Тепловые насосы 12 %

7 Промышленность 10 %

8 сушка сельхозпродуктов 1%

Прямое (неэлекрическое) использование геотермальной энергии известно, по крайней мере, в 27 странах мира. Почти такое же количество стран осуществляет исследования геотермальных полей и месторождений на своей территории с целью их освоения в ближайшем будущем. Лавинообразный рост внедрения геотермальной технологии с использованием мелких глубин (грунтовых тепловых насосов) в ближайшие годы может привести к появлению геотермальных систем в большинстве стран мира.

При учете установленных мощностей и использованного тепла, обычно не учитываются геотермальные воды для купания и энергия, полученная от неглубоких скважин с небольшими расходами воды.

Увеличена установленная мощность геотермальных систем Франции до 599 МВт и включена в таблицу установленная геотермальная мощность Болгарии 133.1 МВт, Канады - 1.7 МВт и Германии - 32 МВт.

В этом случае суммарная мощность систем прямого использования геотермальной энергии в мире на начало 1993 г. составила 8664 МВт.

Аналогичный показатель в 1989 г. равнялся 7250 МВт, т.е. за 5 лет суммарная мощность увеличилась всего на 20%. При этом в Китае прямое использование геотермальной энергии за этот же период возросло в три раза, в США - на 55%, в странах бывшего СССР упало в 5 раз и в Венгрии - в 3 раза.

За 1989 год имеются сведения об использовании геотермальной энергии в бальнеологических целях. Суммарная мощность систем, используемая для этой цели, составляет 6750 МВт и была вполне соизмерима с мощностью остальных систем прямого использования геотермальной энергии.

В таблице 1.4 показано существующее на сегодня направление использования низкотемпературной геотермальной энергии в мире.

Как видно, большая часть (55%) низкопотенциальной геотермальной энергии используется для обогрева помещений, купален, рыбоводства и тепличного хозяйства. По сравнению с 1984 годом значительно возросла доля теплообеспечения сельского хозяйства, при уменьшении доли энергии на бассейн.

Сейчас мировое энергопроизводство для этой цели составляет 310000 т.у.т и равно 7% от мирового энергопользования в этой области.

Близкое соотношение отмечалась и для отдельной выборки по странам Европы в 1988 году. Однако здесь значительно увеличена доля бальнеологического использования энергии за счет снижения доли отопления, что можно объяснить, в общем, более низкими температурами первичных источников и наличием исторически сложившихся курортных зон.

При оценке эффективности создания централизованных систем геотермального теплоснабжения, экономически оправданным считается строительство систем в условиях плотности населения от 170 до 250 человек на 1 кв. км, что вполне соответствует окраинам крупных городов.

В сельском хозяйстве геотермальная энергия использовалась в основном для обогрева теплиц. Некоторые геотермальные проекты были начаты с целью создания новых рабочих мест в сельских районах с высокой безработицей.

В 1984 г. геотермальные циркуляционные системы работали в 10 городах страны (Париж, Мелея, Крейл, Мехдек Маршан и др.) и обеспечивали 45 тысяч квартир. Было начато строительство ГЦС еще в ряде городов. Однако с переходом на газовые котельные геотермальные системы оказались менее эффективными по срокам окупаемости, и сейчас строительство новых систем практически прекратилось.

Французские ученые сформулировали основные условия эффективного применения ГЦС с естественными коллекторами:

- приемлемый срок окупаемости - 6-10 лет;

- дебит скважин 50 - 250 м /ч. (0,75 - 1,25 МВт).

Высокий уровень эффективности ( со сроком окупаемости 4 года) - трансмиссивити - 100 дарси.метр - тепловая мощность < 10 МВт.

Максимальная длина транспортировки теплоносителя не должна превышать 10 км.

Полные затраты на создание одной пары скважин составляют в среднем 4 - 6 млн. долларов США. Себестоимость теплопродукции 4 - 10 доллара/т.у.т. или 1,5 - 2,4 цента/ кВт ч.

Несмотря на определенные проблемы с развитием ГЦС во Франции, в соседней Германии наращиваются темпы строительства геотермальных систем с естественными коллекторами.

Хорошим примером использования геотермальных рассолов являются системы построения в городах Висбаден, Нойбрандербург, Нойштадт, Глеве и др. (17 установок).

Температура термальных рассолов, расположенных на глубине 1000 - 7500 м составляет 40 - 90⁰С, минерализация от 80 до 250 г/л в Северной Германии и не превышает 1 г/л в южной. Дебит добычной скважины до 100 куб. м/час. Во всех системах используется не менее двух скважин (добычная и инъекционная), теплообменники и пиковый догрев обычно газовыми котельными. Предусматривается использование тепловых насосов. Установленная мощность отдельных систем составляет от 5 до 15 МВт при доле геотермальной энергии 62 -95%.

Несмотря на высокие затраты на капитальное строительство (1500 - 2000 марок/кВт) низкая себестоимость получаемого тепла (0,035 – 0,040 марки) позволяет гидротермальным системам конкурировать с газовыми котельными.

6.6 Использование неглубокозалегающих низкотемпературных источников геотермальной энергии

Использование низкотемпературной геотермальной энергии малых глубин можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения.

Меньше, чем за 10 лет в США была разработана многовариантная технология и построены сотни тысяч действующих систем теплоснабжения. Ежегодно вводится в строй не менее 50-80 тысяч новых систем, и США планирует довести их ежегодное производство к 2000 г. до 400 тысяч.

Имеются сообщения об успешном внедрении рассматриваемой технологии и в других странах мира: Швеции, Швейцарии, Канаде, Австрии, Германии.

К концу 1994 года в мире действовало не менее 350 тысяч таких систем, со средней установленной мощностью 10 кВт и общей мощностью не менее 2,2 ГВт.

Малоглубинные геотермальные системы используются для обогрева и охлаждения различных типов жилых домов от очень дешевых до роскошных индивидуальных и многоквартирных, на бензозаправках, супермаркетах, в церквях, образовательных учреждениях и т.д.

Суть рассматриваемых технологий заключается в создании подземного теплообменника, расположенного на малой глубине с замкнутым или открытым контуром, присоединенного к тепловому насосу, расположенному внутри отапливаемого помещения. При этом используются температуры окружающей среды в интервале от 5-7⁰ до 12-14⁰С.

Строго говоря, эти системы используют не только геотермальную энергию, накопленную в горных породах или в воде, но и солнечную. Конкретная доля той или иной энергии, используемая источником, зависит от глубины расположения теплообменника, климатических и гидрогеологических условий района. Предполагается, что для мелкозалегающих горизонтальных теплообменников основной вклад составляет доля солнечной энергии.

В связи с бурным развитием новой технологии к настоящему времени не сформировалась общепринятая терминология, и различные авторы используют достаточно разнообразные наименования для очень близких систем. Геотермальные тепловые насосы, скважинные теплообменники, тепловые насосы с поверхностными источниками, тепловые насосы с открытой (замкнутой) петлей, тепловые насосы с грунтовыми (поверхностными) водами, грунтовые источники тепловых насосов, системы геотермальных тепловых насосов с замкнутым контуром и подземным источником.

Для удобства будем пользоваться для всех типов рассматриваемых систем общим названием геотермальные тепловые насосы (ГТН).

В технологическом отношении ГТН делятся на системы с замкнутым циклом и открытым циклом.

Системы с открытой петлей используют тепло подземной или поверхностной воды, циркулирующей через теплообменники теплового насоса.

В системах с закрытым циклом создается циркуляция автономного теплоносителя. ГТН с замкнутым циклом наиболее широко развиты в США, в свою очередь, делятся на два типа: системы, у которых в подземном контуре циркулирует вода (или антифриз) и системы, где хладагент теплового насоса непосредственно пропускают через подземный контур (так называемой системы Д).

Первый тип систем состоит из подземного конца с незамерзающим флюидом и циркуляционного с тепловым насосом. Подземные контуры обычно располагаются в неглубоких траншеях или необсаженных скважинах глубиной 50-100 м, контур изготавливается из полибутиленовых труб.

Для систем второго типа вместо пластиковых труб используют медные в которых хладагент циркулирует непосредственно через компрессор теплового насоса.

Для траншейных систем обычно используют металлические или пластиковые трубы. Удельная длина труб 15-125 м/кВт.

Для переноса тепла во всех случаях используют флюид с температурой замерзания ниже -20⁰С или рабочий хладагент теплового насоса.

Среди последних разработок упоминаются специальные системы, системы типа "геопакет" (в землю помещается емкость с флюидом) и коаксиальные скважинные системы, состоящие из двух колонн труб, расположенных одна в другой. Указанные приемы направлены на уменьшение длины подземного контура и (или) улучшения условий теплообмена.

ГТН, устанавливаемые в Европе, преимущественно ориентированы на напольные, отопления, однако во многих случаях также используются в сочетании с существующими системами (батарейными) центрального отопления. Большинство производителей рекомендуют использовать традиционные системы догрева в пиковый период.

Эксплуатационные затраты на выработку энергии ГГН на 60% ниже затрат традиционных источников обогрева на электричестве и 25% ниже затрат воздушных тепловых насосов.

Капитальные затраты на строительство ГТН могут оказаться на 50-100% выше затрат на создание систем прямого обогрева электроэнергией. В США считают приемлемым достижения окупаемости в течение 4-8 лет.

Срок окупаемости, по мнению Кертиса, снижается в условиях резкоконтинентального климата, где системы зимой используются для отопления, а летом - для охлаждения зданий.

В таблице 1.6 представлен расчет затрат на строительство ГТН в доме на одну семью в Швейцарии, предложенный Кевином Рафферти.

В заключение краткого обзора современного состояния геотермальной энергетики следует упомянуть о двух технологиях, которые пока еще не вышли из стадии разработки или опытного опробования.

Первая - это технология петротермальной энергии, известная под названием "горячие сухие породы". Суть технологии заключается в создании системы, состоящей не менее чем из скважин, объединяющей их системы трещин гидроразрыва и циркулирующей в системе воды.

Наибольшие усилия в этом направлении были предприняты в США, где в долине гейзеров было построено несколько опытных систем. Сейчас продолжается строительство опытной системы в Соулцсоусфортес во Франции, в создании которой участвуют Англия, Германия и Франция.

Вторая перспективная технология представляет собой коаксиальный теплообменник, размещаемый в глубокой скважине, при этом внутренняя колонна труб должна быть хорошо теплоизолирована. Флюид, подаваемый по межтрубному пространству, разогревается по мере движения вниз и поднимается по внутренней колонне, или непосредственно к потребителю. Рассматриваемая система создана в глубокой (2900 м) скважине немецкого города Пренцлау и обеспечивает теплом 10000 тысяч жителей. Подобные системы проектируются и в Швейцарии.

6.7 Технология освоения геотермальных ресурсов

Геотермальная технология добычи тепловой энергии недр - это совокупность способов, средств и процессов извлечения, обработки и доставки теплоносителя с заданным качеством и рыночным уровнем экономической эффективности его использования. Под качеством геотермального теплоносителя понимается: температура, степень минерализации, коррозийная активность, газоносность, загрязнение вредными примесями и др. По способу добычи теплоносителя геотермальные системы делятся на три основных класса:

- фонтанные;

- циркуляционные;

- с теплообменом в скважинах и каналах.

6.8 Основные направления и сферы использования геотермальных ресурсов

Главными потребителями геотермальных ресурсов на ближайшую и отдаленную перспективу несомненно будут теплоснабжение и, в значительно меньшей мере, выработка электроэнергии. Приоритетность теплоснабжения в балансе использования геотермальной энергии обоснована, что позволяет наметить направления привлечения инвестиций, создания специализированного оборудования, выбор перспективных районов и первоочередных объектов.

Традиционные первичные энергетические ресурсы расходуются на теплоснабжение, выработку электроэнергии, работу транспорта производство продукции и культурно-бытовые нужды. Более 40 % этих ресурсов потребляются средне- и низкотемпературными процессами, а при учете тепловых потерь это составляет более 55 % от общего количества полезно используемых традиционных энергетических ресурсов. Этот анализ сделан по материалам топливно-энергетического баланса бывшего СССР, которые приемлемо корреспондируются с данными по Республике Казахстан.

На электростанциях потреблялось 36 % используемых энергетических ресурсов, из них немногим более 20 % - на выработку электроэнергии. Это в два раза меньше, чем расход на производство теплоты. Выполненный анализ убедительно подтверждает намеченную стратегию: геотермальные ресурсы следует ориентировать в первую очередь на теплоснабжение - главный и наиболее низкотемпературный потребитель энергии.

Направления использования геотермальных ресурсов определяются кондициями на теплоноситель и мощностями потребителей. Отечественными и зарубежными исследователями предложены различные классификации, в частности - распределение по температуре геотермального флюида по Линдолу. Анализ тепловых нагрузок промышленных, сельскохозяйственных и жилищно-коммунальных объектов позволяет объединить их в семь групп:

1 группа (до 20⁰С) - локальное теплоснабжение одиночных потребителей (школы, больницы, особняки, дачи и др.) с применением тепловых насосов.

2 группа (20-60⁰С) - теплоснабжение групповых потребителей с применением тепловых насосов; парниково-тепличное производство; горячее водоснабжение промышленных, сельскохозяйственных и жилищно-коммунальных объектов; рыборазведение; спортивные и бальнеологические комплексы; технологическое теплоснабжение процессов горного производства и строительства (оттайка мерзлых горных пород; химическое и бактериальное вьпцелачивание и др.).

3 группа (60-90⁰С) - теплоснабжение промышленной и жилой зоны с применением догрева или термотрансформации, либо с использованием низкотемпературных отопительных приборов; технологическое теплоснабжение.

4 группа (90-130 С) - промышленное и коммунальное теплоснабжение с частичным догревом или термотрансформацией при использовании традиционных отопительных приборов; локальное тепло-электроснабжение предприятий, поселков в удаленных районах (турбины с бинарными циклами).

5 группа (130-150 ~С) - отопление и технологическое теплоснабжение высокотемпературных процессов (пропаривание железобетонных конструкций; химическая, целлюлозно-бумажная, деревообрабатывающая, пищевая и многие другие отрасли), выработка электроэнергии с применением низкокипящих теплоносителей, или на паре низких параметров.

6 группа (150-200 С) - выработка электроэнергии турбинами с прямым пароводяным циклом при сравнительно низком КПД.

7 группа (200-250 ~ С) - выработка электроэнергии турбинами с прямым пароводяным циклом при сравнительно высоком КПД.

6.9 Использования геотермальных ресурсов Казахстана

В настоящее время масштабы использования имеющихся геотермальных ресурсов Казахстана весьма незначительны и ограничиваются сельскохозяйственными и коммунально-бытовыми целями. Оперативные запасы термальных вод, подсчитанные для целей тепловодоснабжения по трем участкам Сырдарьинского бассейна (Туркестан, Арысь и Шаульдер), составляет 35 тыс.м³/сут. и запасы Жаркентской площади оценены в 4,5 тыс.м³/сут. Субтермальные воды с температурой менее 40⁰С применяются для раннего полива сельхозугодий (Павлодарская, Алматинская, Жамбылская и Южно-Казахстанская области).

Прогнозные (технически достижимые) геотермальные ресурсы всех осадочных бассейнов Казахстана превышают 4 трл. т.у.т. Большая часть (86%) этих ресурсов сконцентрирована в пяти юго-западных областях Казахстана (Мангистауской – 36%, Западно-Казахстанской - 19%, Актюбинской – 13%, Атырауской - 11%, Кызылординской – 7%), значительными прогнозными ресурсами располагают также Алматинская (163 млрд. т.у.т.) и Шымкентская (148 млрд. т.у.т.) области, на которые приходится 8% общих ресурсов. В северо-восточной части Казахстана наибольшими ресурсами обеспечена Павлодарская область (99 млн т.у.т.).

Распределение природных ресурсов Республики в различных геотермальных зонах выглядит следующим образом:

1 Т > 90⁰С 33, 2%

2 Т= 60-90⁰С 29,5%

3 Т= 40-60⁰С 22,5%

4 Т=20-40⁰С 8,0%

5 Т <20⁰С 6,8%

Таким образом, большая часть геотермальных ресурсов Казахстана может быть использована для теплоснабжения, и не менее одной трети ресурсов пригодны для выработки электроэнергии (бинарными циклами). Выработка геотермальной электроэнергии возможна в 9 из 14 областей, при этом 92% соответствующих ресурсов сконцентрированы в Мангистауской, Западно-Казахстанской и Актырауской областях, еще 6% в Актюбинской, Шымкентской и Алматинской.

Температура горных пород, залегающих на глубине 5 км для большей части территории Казахстана превышает 90⁰С, а в южных областях (Мангистауская, Алматинская, Шымкентская) и северной части Павлодарской области достигает 140-180⁰С, что создает перспективу дальнейшего развития электростанций с использованием петротермальных ресурсов и тепловых систем со скважинными теплообменниками.

7 Гидроэнергетика

Энергия воды является наиболее широко применяемым возобновляемым источником энергии. Преимущества гидроэнергетики: постоянное беззатратное возобновление энергоресурсов, высокая маневренность, комплексное использование водных ресурсов, отсутствие загрязняющих атмосферу выбросов и экономия топлива.

Доля гидроэнергетики в мировом производстве электроэнергии составляет 18% (в Казахстане – 12,3%). Доля ГЭС в структуре генерирующих мощностей ЕЭС Казахстана составляет 12,3%, что является недостаточным. Гидропотенциал Казахстана составляет 163 млрд. кВт ч в год, технически возможная мощность ГЭС 62 млрд. кВт ч. Экономически обоснованный потенциал составляет порядка 27 млрд. кВт/ч, а сегодня на ГЭС вырабатывается лишь 8 млрд. кВт ч (5% от потенциала). Потенциал малых рек 96 млрд. кВт ч, экономически целесообразный - 10 млрд. кВт ч. В целом мощность существующих в настоящее время ГЭС Казахстана составляет 2 068 МВт с годовой выработкой электроэнергии 8,32 млрд. кВт/ч. Основные гидроэнергетические ресурсы сосредоточены в Восточном и Юго-Восточном регионах республики.

Оптимальная структура установленных мощностей в энергосистеме, при которой обеспечивается покрытие пиковых нагрузок, и создаются благоприятные условия регулирования частоты, предполагает долю ГЭС, осуществляющих регулирование стока рек, в размере не менее 15-20% от установленной мощности всех станций энергосистемы. Гидроэнергетика наиболее развита в таких странах как Норвегия (99%), Бразилия (90%), Швейцария (76%). Для Казахстана будет полезен опыт Бразилии в развитии малой и средней гидроэнергетики, что актуально для энергоснабжения небольших населенных пунктов.

На территории Южного Казахстана суммарные потенциальные энергетические ресурсы региона определены в размере 10 млрд. кВт/ч. Северный и Центральный Казахстан располагает минимумом водно-энергетических ресурсов, на их долю приходится всего около 2,08 млрд. кВт/ч, или 1,7% потенциальных гидроэнергетических ресурсов республики. Водно-энергетический потенциал рек Западного Казахстана оценивается в 2,8 млрд. кВт/ч.

7.1 Микро ГЭС и малые ГЭС

Микро ГЭС и малые ГЭС имеют самую низкую себестоимость производства электроэнергии из всех видов возобновляемых и традиционных источников энергии. При их строительстве, в отличие от мощных гидроэлектростанций, экологический ущерб (затопление земель, нарушение рыборазведения и судоходства, изменение баланса климатических условий местности и т.д.) незначителен.

Современная гидроэнергетика по сравнению с другими традиционными видами электроэнергетики является наиболее экономичным и экологически безопасным способом получения электроэнергии. Малая гидроэнергетика идет в этом направлении еще дальше. Небольшие электростанции позволяют сохранять природный ландшафт, окружающую среду не только на этапе эксплуатации, но и в процессе строительства. При последующей эксплуатации отсутствует отрицательное влияние на качество воды: она полностью сохраняет первоначальные природные свойства. В реках сохраняется рыба, вода может использоваться для водоснабжения населения.

Строительство новых источников электроэнергии в дефицитных регионах Казахстана с использованием гидроресурсов позволит укрепить эти районы энергетически и снизить их зависимость от других энергоизбыточных регионов. Только по Алматинской области энергоресурсы малых рек составляют более 2 млрд. кВт/ч. Однако при строительстве малых ГЭС не решен вопрос инвестиций, производства, монтажа, сервисного обслуживания и эксплуатации, отчуждения приватизированных земель вдоль рек, подключение ГЭС к энергосистеме.

Экономический потенциал гидроэнергии в мире составляет 8100 млрд. кВт.ч, установленная мощность всех гидростанций - 669000 МВт, вырабатываемая электроэнергия -2691 млрд. кВт.ч., т.е. экономический потенциал используется на 33 %. В России эти данные составляют соответственно 600 млрд. кВт.ч, 43940 МВт, 157,5 млрд. кВт.ч. и 26 %. По экономическому потенциалу малые и микро ГЭС составляют примерно 10 % от общего экономического потенциала.

Мировым лидером в малой гидроэнергетике является Китай, где с 1950 года по 1996 год общая мощность малых ГЭС выросла с 5,9 МВт до 19200 МВт и из работающих 90 тыс. малых ГЭС 60 тыс. имеют мощность менее 25 кВт, т.е. это микро ГЭС. Оборудование для них стандартизировано и применяется, начиная с мощности 12 кВт. В планах Китая на ближайшее десятилетие - строительство более 40000 малых ГЭС с ежегодным вводом до 1000 МВт.

В Индии, на конец 1998 г., установленная мощность малых ГЭС (единичной мощностью до 3 МВт) составляет 173 МВт, и в стадии строительства находятся ГЭС общей мощностью 188 МВт. Определены места строительства еще около 4000 станций с общей проектной мощностью 8370 МВт. Эффективно работают малые ГЭС в ряде Европейских стран, в том числе в Австрии, Финляндии, Норвегии, Швеции и др.

7.2 Потенциал гидроэнергетики

Большое значение имеют малые гидроэлектростанции, мощность которых составляет менее 10 МВт. По результатам обследований, на сегодня существуют, по крайней мере, 453 потенциальных створа малых ГЭС с общей возможной мощностью 1380 МВт. Некоторые их них предусматривают использование существующих ирригационных каналов, что потребует меньших затрат, ресурсов и времени на их осуществление.

Экономический потенциал микро и мини-ГЭС составляет примерно 10% от общего экономического потенциала возобновляемых источников энергии, но используется этот потенциал менее чем на 0,1%. Гидропотенциал Казахстана довольно велик и оценивается примерно в 170 ТВт в год, на сегодня из них вырабатываются лишь 7-8 ТВт в год. В общем числе важное значение имеют небольшие единицы гидроэлектроэнергетики, мощность которых составляет менее 10 МВт. Только по Алматинской области энергоресурсы малых рек составляют более 2-х млрд. кВт-ч.

Наиболее оптимально использовать ВЭС и ГЭС в едином энергетическом комплексе в южных регионах.

Казахстанскими инженерами и учеными в настоящее время разработаны новые модульные модели бесплотинной микро-ГЭС, изготовлены опытные образцы.

Разработки микро и мини ГЭС казахстанских ученых имеют новизну в конструкции гидротурбины, которая имеет механизм поворота лопастей для их ориентации по направлению течения воды. Основные модули микро ГЭС максимально стандартизированы, что позволяет построить гидростанции необходимой мощности на основе модульного и каскадного принципа.

Многие из разработок казахстанских ученых типа микроГЭС прошли успешные испытания, например, установка микроГЭС-1, разработанная в РГП «НПЦ механизации сельского хозяйства». Вырабатываемая ею мощность в 1 кВт при расходе воды в 0,32 м³ /с и напоре воды в 4 м вполне достаточна для обеспечения электроэнергией одного жилья животновода в полевых условиях. Разработанные в Алматинском институте энергетики и связи опытные горные мини ГЭС деривационного и топливного типа мощностью 1-3 кВт были запущены в разное время на реке Талгар и Тургень.

8 Энергосбережение и возобновляемые источники энергии

Энергосбережение - это фактор экономического развития, на практике показавший, что во многих случаях дешевле осуществить меры по экономии энергии или вообще избежать ее использования, чем увеличить ее производство. Это означает, что финансовые ресурсы, предназначенные для расширения производства энергии (например, строительства новой электростанции), или увеличения импорта энергии (что требует значительных валютных средств), могли бы быть направлены на другие виды деятельности, например, на повышение уровня жизни, комфорта, на развитие транспорта, строительство больниц.

Развитие энергетики, основанной на возобновляемых ресурсах (гидроэнергетика, ветроэнергетика, гелиоэнергетика, геотермальная энергетика, использование биотоплива) видится наиболее перспективным в условиях Казахстана, характеризующихся высокой концентрацией источников энергии при низкой плотности населения, наличием крупного аграрного сектора, с высоким процентом занятости населения в нем, благоприятных климатических и погодных условий для развития ветро- и гелиоэнергетики.

Рост потребления электрической и другой энергии как внутри Казахстана, так и у ближайших соседей приведет к необходимости введения в строй новых мощностей и росту цен. Инвестиции в строительство новых ТЭС, работающих на угле и углеводородах, будут означать усугубление экологических проблем и потерь на электрических сетях. В этой ситуации концепция децентрализации энергоснабжения на основе использования местных возобновляемых источников энергии могла бы быть экономической альтернативой централизованному энергоснабжению, особенно для отдаленных районов, испытывающих дефицит электроэнергии.

Главными задачами политики энергосбережения Казахстана являются:

- создание единого координационного Центра по формированию и реализации национальной политики в области энергосбережения и использования ВЭИ, с включением в его состав представителей научных, проектных и других организаций, занимающихся или заинтересованных в развитии данных вопросов;

- создание структурных органов управления процессом энергосбережения;

- разработка рыночных механизмов управления процессом энергосбережения, способствующих стабилизации и снижению уровня потребления энергии;

- формирование комплекса правовых и законодательных актов Республики Казахстан, направленных на стимулирование энергосбережения;

- ускорение внедрения приборов и устройств учета и регулирования количества потребляемой энергии;

- разработка и утверждение энергетических характеристик технологических процессов, установление специальных норм и стандартов на энергетические показатели бытовой техники, зданий и сооружений;

- определение темпов и сроков снижения энергоемкости на уровне отраслей, объединений, предприятий, цехов, участков;

- разработка и использование гибких цен и тарифов на энергоносители;

- организация информационно-рекламного обслуживания по научно-техническому проектированию и образовательных программ для населения;

- разработка и создание демонстрационных энергоэффективных проектов, моделей, установок;

- образование специального внебюджетного фонда "Энергосбережение";

- разработать систему государственного финансирования специально по разработке и внедрению ВИЭ, налоговых льгот для производителей оборудования и энергии на их базе, а также дотаций для населения, использующего ВЭИ;

- создать на базе Алматинского университета энергетики и связи лабораторию по сертификации всех вводимых в Республике Казахстан альтернативных источников энергии на предмет их соответствия условиям эксплуатации, учетом природных особенностей в каждом из регионов страны;

- для привлечения внимания широкой общественности и усиления пропаганды достижений науки и техники в области энергосбережения и использования ВИЭ, обратиться в редакции ТВ, радио и печатных изданий с организацией постоянной рубрики "Энергосбережение, нетрадиционные источники энергии".

Заключение

В настоящее время нет другой столь же важной области в науке, технике и индустрии, чем энергетика.

До недавнего времени развитие энергетики не встречало принципиальных трудностей, и 30-40 лет назад традиционный способ получения энергии с использованием органических энергоносителей, таких как нефть, газ и уголь, считался оптимальным, а недостатки этого способа – экологическое загрязнение, ущерб природе и низкая эффективность использования топлива – не принимались во внимание.

Безудержный рост энергетики, использующей природные запасы топлива, очень опасен – он может вызвать тепловой «перегрев» Земли и необратимые изменения климата. Допустимый верхний предел выработки тепла на Земле, по оценкам ряда ученых, всего на два порядка выше нынешнего среднего мирового уровня. Такой рост энергопотребления может привести к увеличению температуры на поверхности Земли примерно на один градус. Нарушение энергобаланса планеты в таких масштабах может дать опасные необратимые изменения климата.

Поэтому ни у атомной, ни у газовой, ни у нефтяной, ни у угольной энергетики нет будущего не только из-за исчерпания источников, но прежде всего из-за "теплового загрязнения" планеты. Будущее с точки зрения способа производства электроэнергии, есть только у одной области – это возобновляемая энергетика. Такой способ существенно не меняет теплового баланса планеты.

В очередном послании к народу Казахстана президент Н. Назарбаев поставил задачу вхождения Республики Казахстан в число 50 наиболее конкурентоспособных стран мира. Это означает создание высокотехнологичного производства, основанного на инновационных «прорывных» технологиях. В эпоху глобализации мы не должны быть в стороне от происходящих процессов в мире, перспективных изысканий, которыми заняты ученые индустриально развитых стран. Одной из первоочередных проблем является устранение энергодефицита и сохранение окружающей среды.

Процесс распространения знания о возобновляемой энергии и ее вклад в энергетическую независимость государств, в уменьшении воздействия на изменение климата и здоровье людей поднимает положение возобновляемой энергетики до уровня приоритетного направления в стратегии устойчивого развития как отдельных государств, так и всего Мира.

Список литературы

1. Лаврус В.С. Источники энергии. – Киев.: НиТ, 1997.

2. Твайделл Дж. Уэйр А. Возобновляемые источники энергии- М.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Д. Дэвинс. Энергия.-М.: Энергоатомиздат. 1985.

4. Использование солнечной энергии для теплоснабжения зданий. / Э. В. Сарнацкий и др. - Киев, Будевильник, 1985.

5. Пилюгина В.В., Гурьянов В.А. Применение солнечной и ветровой энергии в сельском хозяйстве. Обзорная инф. - М.: ВАСХНИЛ, 1981.

6. Стребков Д. С. и др. Фотоэлектрическая энергетика сельского хозяйства. Техника в с. х., N1, 1988.

7. Вихревая роторная ВЭС. Материалы конференции ВИЭСХ № 2, 2002.

8. Кажинский Б., Перли С. Ветроэлектростанции. - М.: ДОСААФ, 1966.

9. Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М.: Сельхозгиз, 1957 г.

10. Дукенбаев К.Д. Энергетика Казахстана,- Алматы, 2001.

11. Будзко И.А., Зуль Н.М. Электроснабжение сельского хозяйства.- М.: Энергоатомиздат, 1984.

12. Князевский Б.А., Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий. Учебник для вузов.- М.: Высшая школа, 1986.

13. Прузнер С.Л., Златопольский А.Н. Экономика энергетики. -М.: Высшая школа, 1991.

14. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов. -Ленинград.: Гидрометеоиздат, 1989.

15. Справочник по климату СССР. Вып. 13. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. - Л.: Метеорология, 1976.

16. Шичков Л.П., Коломиец А. П. Электрооборудование и средства автоматизации сельскохозяйственной техники. - М.: Колос, 1995 .

17. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Высшая школа, 1977.

18. Таранов М.А., Воронин С.М., Воронин А.С. Правила приведения случайных величин. В сб: Адаптивные технологии и технические средства в полеводстве и животноводстве. – Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2000.

19. Аккумуляторные батареи. Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт. / НИИАТ, - М.: Транспорт, 1970.

20. Электрические машины. Под общей ред. Костенко М.П. -М.: Госэнергоиздат, 1978.

21. Методические указания. Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергоресурсов. - М.: Энергия 1991.

22. Методика расчёта электрических нагрузок промышленных предприятий с применением ЭВМ.- Алма-Ата: АИЭС, 1988.

Рисунок 3.1 - Виндроторные электростанции БОНИ-ШХВ

Имеют оригинальный электрический генератор, соединенный непосредственно с валом ротора, а не через сложный редуктор, как у пропеллерных ВЭС (см. рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - оригинальный электрический генератор

Таблица 3.1-Технические данные виндроторных электростанций БОНИ-ШХВ-0,5/n с ротором диаметром 0.5м

Наименование