Вся_библиотека

 

 

Микроэнергетика

 

Людству останнім часом постійно не вистачає енергії. З іншого боку, воно в буквально купається в ній. Так, наприклад, для задоволення своїх енергетичних потреб людства досить утилізувати лише 5%-й ККД сонячної енергії, падаючої на 0,13% поверхні земної кулі. І, тим не менше, енергії не вистачає. Саме тому виробництво енергії є серйозним бізнесом, нітрохи не менш серйозним, ніж телефонний зв'язок -- американський ринок виробництва електроенергії оцінюється більш ніж в 220 млрд. дол., що перевищує сукупну величину ринків стільникового та міжміського зв'язку.

 

Енергетичний ринок завжди розвивався надзвичайно динамічно. Але особливу ця стрімкість динаміка набула в останні роки. Все вказує на те, що у виробництві енергії, особливо електрики, гряде справжня революція. І секрет цієї революції полягає у використанні так званої "микроэнергетики" -- розділу енергетики, пов'язаної з виробництвом енергії за допомогою компактних малопотужних (від ватт до кіловат) джерел різної природи.

 

Термін "микроэнергетика" був запропонований Сетом Дунном з Інституту світової екології (Worldwatch Institute), який відніс до цієї категорії сонячні батареї, вітрогенератори, водневі елементи і газові мікротурбіни, тобто малопотужні генератори електрики. Однак з урахуванням технічних і економічних аспектів сучасної енергетики термін "микроэнергетика" необхідно трактувати більш широко, розглядаючи не тільки проблеми генерації електрики, але також і проблеми генерації тепла і холоду.

В силу надзвичайної привабливості своєї концепції та особливостей використовуваних технологій микроэнергетика здатна проникати з однаковою швидкістю і на ринки промислово розвинутих країн, і в нерозвинені райони, де з її допомогою місцева промисловість і населення зможуть отримати доступ до енергії, не чекаючи розвитку великих станцій і національної енергомережі. Ефективність сучасної микроэнергетики підтверджується значним інтересом, що проявляються до неї гігантами сучасної індустрії. Так, наприклад, швейцарський енергетичний гігант АВВ нещодавно оголосив, що починає згортати свій бізнес по створенню атомних електростанцій і перемикається на розробку відновлюваних джерел енергії та невеликих електростанцій, розташованих поблизу від споживачів.

 

Все,чтосейчаспроисходит з микроэнергетикой, дуже нагадує історію становлення та розвитку мобільного зв'язку. У свій час і енергетика, і телефонія традиційно були засновані на експлуатації дорогої і протяжної інфраструктури, що автоматично перетворювало виробників природних монополістів. Але, як і у випадку з телекомунікаціями, тощо обставина тільки шкодило розвитку енергетики. Тому бурхливий розвиток микроэнергетики фактично означає, що природна монополія, представляє собою систему енергостанцій, ліній електропередач і теплотрас, сьогодні більше вже не є єдиним можливим джерелом виробництва енергії. Більш того, енергетичні корпорації, які експлуатують величезні і не бездоганні в екологічному плані енергостанції, і далі будуть відчувати все більшу конкуренцію з боку микроэнергетических компаній, з їх більш компактними і чистими джерелами енергії. У минулому, втрати енергії при передачі її від центральних енергостанцій мережами, з лишком компенсувалися величезною міццю цих станцій. Сьогодні, з появою микроэнергетики, чиї джерела енергії часто володіють набагато більшим ККД, чим найбільш досконалі традиційні генератори, такий підхід починає втрачати економічний сенс. Вже зараз вироблена микроэнергетикой енергія часто дешевше, і різниця у цінах буде продовжувати збільшуватися. В результаті це обов'язково призведе до зменшення цін для споживачів і до збільшення пропозиції енергії.

 

За порівняно з традиційними технологіями, микроэнергетика більш ефективна і надійна. Нагадаємо, що сучасна надійність традиційних джерел і енергетичних мереж описується терміном "три дев'ятки", що означає гарантію працездатності протягом 99,9% часу. Це означає практично запланований відмова щорічно на 8 годин. Однак багатьом сучасним виробництвам потрібна зовсім інша надійність, а саме "дев'ять дев'яток". Досягти її можна лише з переходом на микроэнергетические установки і нові принципи роботи енергомереж.

 

Кілька слів про екологічну перевагу микроэнергетики. Сонячні батареї колектори вже зараз є еталоном екологічно чистих джерел енергії. Паливо (водень і природний газ, який використовується микроэнергетикой, також порівняно спокійно сприймається екологами.

 

Але що найголовніше-- микроэнергетика дозволяє користувачеві відчути себе незалежним від стану централізованих електричних і теплових мереж, надійність яких стрімко падає, що підтвердили події останніх років в Росії. Та й не тільки в Росії -- енергетики усього світу знають про страшну аварії, що сталася в американській енергетиці 9 листопада 1965 року. Всього за 13 хвилин величезна площа - 250 тис. кв. км - в Північній Америці і Канаді залишилася без електрики. З тих пір було написано сотні томів про те, що творилося у містах самої багатої країни світу, - там було царство хаосу і насильства. Пілоти літаків, що летять в цей момент над Америкою, в жаху повідомляли диспетчерам, що нічого страшнішого в житті не бачили: замість моря вогнів - безмовна темрява, вони боялися, що терористи знищили країну. Але більше всього були приголомшені енергетики: верх технологічного творчості, керована комп'ютерами величезна енергетична мережа, виявилася вразливою і безпорадною.

 

Особливо великі перспективи микроэнергетики у країнах з перехідною економікою, багато з яких відчувають серйозні проблеми з-за стану своїх енергосистем. Вже сьогодні багато користувачі в цих країнах, не бажаючи залежати від примх інфраструктури, використовують місцеві джерела енергії, як правило, дизельні генератори. Використання для цих цілей солярних пристроїв, гідро і вітрогенераторів, а також тепловиділяючих елементів і газових турбін дозволило б таким країнам переступити в розвитку своєї енергетики через етап гігантських електростанцій, подібно до того, як багато країн зараз переступають через традиційну телефонну зв'язок, переходячи відразу до бездротової.

 

Зауважимо, що кардинальна зміна структури вироблення енергії, пов'язане з розвитком микроэнергетики, неминуче має призвести до не менш кардинальної зміни структури мережі доставки та розподілу енергії. Досі електрика і тепло текло від великих електростанцій до розеток і батареям будинків. На такий односторонній потік енергії орієнтовані всі системи енергетичних мереж. Поява микроэнергетики змусило фахівців задуматися про включення малих генеруючих потужностей в мережі. Зараз же для електромереж активно розробляються нові схеми релейного захисту та управління мережами, які дозволять включати "микрогенераторы" в основну мережу, що зробить їх схожими на телекомунікаційні мережі. Вже розроблені пристрої під назвою FACTS (Flexible AC Transmission System - гнучкі системи передачі змінного струму) є, по суті справи, маршрутизаторами для електрики, здатні оперативно направляти необхідну кількість електрики в потрібне місце. У майбутньому це дозволить уникнути коливання ринкових цін на електроенергію. Зараз у них один недолік - висока вартість, але є надія, що нові напівпровідникові технології на основі карбіду кремнію, нітриду галію і алмазних плівок знизять їх вартість.

 

Сьогодні по лініях електропередачі передається змінний струм, хоча більшість споживачів, зокрема, цифрові пристрої в своїй роботі використовує постійний електричний струм. Справа в тому, що передача постійного струму на значні відстані призводить до величезних втрат. Тому сучасні комп'ютери і більшість інших приладів містять пристрої, що перетворюють змінний струм у постійний, потрібний для роботи. Вітрові та сонячні електростанції створюють якраз постійний струм, але в них є один недолік -- нестабільність режиму роботи як наслідок залежно від природних умов. Перший вихід-використовувати сучасні акумулятори або конденсатори, інший -- створювати локальні "мікромережі" постійного струму, працюють з ефективністю "дев'ять дев'яток". Перша така мережа вже почала працювати в Південній Каліфорнії.

 

Як бачимо успіхи микроэнергетики грандіозні. Не менш велично і її майбутнє. Але у даний момент повністю реалізувати свій потенціал микроэнергетике не дозволяють певні перешкоди. Насамперед, це труднощі, пов'язані з оподаткуванням, системою стандартів і державним протекціонізм у щодо традиційних виробників енергії. Багато великі енергетичні компанії дотуються державою у вигляді прямих субсидій або непрямим шляхом. В Європі таке дотування відбувається безпосередньо за рахунок платників податків, у США воно носить непрямий характер і полягає в пом'якшення природоохоронного законодавства щодо великих виробників енергії. Існує пряма податкова дискримінація микроэнергетики, яка полягає, наприклад, в установці невигідних норм амортизації за тепловиділяючих елементів. Відсутня також єдина система стандартів у галузі микроэнергетики. Так, наприклад, одне з переваг микроэнергетики полягає у можливості власника джерела енергії виступати як в ролі споживача, так і в ролі постачальника енергії, продаючи її надлишки через загальну мережу. Це цілком може бути реалізоване за допомогою існуючих засобів керування мережами, однак це вимагає запровадження єдиної системи стандартів на енергію, передану подібним чином. В даний час такі стандарти прийняті всього в декількох країнах. Таким чином, для реалізації свого права на продаж енергії, власник микроэнергетического джерела буде змушений розбиратися з величезним числом часто суперечать один одному правил та інструкцій. Це створює підґрунтя для дискримінації таких виробників традиційними компаніями, які отримують можливість перешкоджати їх виходу на ринок, посилаючись при цьому на нібито не дотримуватися правила безпеки або вимагаючи введення стосовно постачальників "микроэнергии" тривалих і дорогих інспекційних та контрольних процедур.

 

Розвиток микроэнергетики може також з-за значного державного регулювання в цій області. Найбільш сприятлива ситуація в США, де більше половини штатів прийняли закони, лібералізуючі їх енергетичні ринки. Однак, недостатня координація у сфері продажу електроенергії між окремими штатами, відсутність єдиного органу регулювання в цій області і існуюче вимога зберігати резервні потужності для задоволення потреб пікового попиту, призводять до невизначеності, що перешкоджає виходу на ринок нових учасників. В Європі регулювання ринку енергії є ще більшою проблемою. Так, наприклад, лобіювання компанії "Electricite de France" призвело до того, що Франція так і не виконала директиви Європейського Союзу, розпорядчі лібералізацію енергетичного ринку.

 

Однак, незважаючи на наявні труднощі, микроэнергетика стрімко розвивається і особливо та її частина, яка пов'язана з альтернативною енергетикою. Згідно прогнозами Світового Енергетичного Конгресу до 2020 року в США, Німеччині, Японії, Великобританії та інших розвинених західних країнах частка альтернативних екологічно чистих джерел енергії становитиме понад 20% усієї виробленої енергії (20% споживання енергії в США -- це все енергопостачання Росії). До 2020 року Європа планує здійснювати теплопостачання 70%(!) свого житлового фонду за рахунок екологічно чистої енергії, зокрема сонячної. В світі (без Росії) вже зараз геотермическими станціями виробляється понад 5200 МВт і найближчим часом буде введено в дію таких генеруючих потужностей ще понад 2000 МВт. І провідне місце тут посідають США - понад 40% діючих і вводяться потужностей. У США до кінця 2001 року вироблялося близько 500 МВт сонячної електроенергії. Зараз у світі річний випуск фотоелектричних перетворювачів вже перевищив 300 МВт. Крім того, сонячна енергія всі більш активно використовується для генерації тепла - у світі працює вже більше 2 млн термічних геліосистем. Так, наприклад, в США загальна площа сонячних колекторів перевищила 10 млн квадратних метрів, а в Японії - 8 млн.кв.м. В США і Японії працює також понад 5 млн. теплових насосів, більше 100 000 вітрогенераторів. Активно ведуться дослідження в області створення генеруючих потужностей на базі водневого палива. Крім того, у всіх розвинених західних країнах прийнято спеціальне законодавство, що стимулює розвиток альтернативних джерел енергії шляхом створення цілої системи пільг як для виробників так і для споживачів екологічно чистої енергії.

 

Серед альтернативних джерел енергії особливо активно розвивається вітроенергетика -- 24% в рік. Зараз це найбільш швидко зростаючий сектор енергетичної промисловості у світі. У Європі стали вітрогенератори звичним елементом пейзажу. У Данії 13% електроенергії вже зараз виробляється з допомогою відновлюваних джерел, половина вітрових турбін виготовляється саме в цій країні, звідси їх розвозять по всьому світу.

 

Наступне перспективний напрямок микроэнергетики - сонячна енергетика. Проблема утилізації екологічно чистої і притому "дармової" сонячної енергії хвилює людство з незапам'ятних часів, але тільки недавно успіхи в цьому напрямку дозволили почати формувати реальний, експоненціально розвивається ринок сонячної енергетики. До теперішнього часу основними способами прямий утилізації сонячної енергії є перетворення її в електричну і теплову. Пристрої, що перетворюють сонячну енергію в електричну, називаються фотоелектричними або фотовольтаическими (PV-системи), а прилади, що перетворюють сонячну енергію в теплову, -- термічними (Т-системи). Останнім часом все більшого поширення отримують так звані гібридні або як їх ще називають комбіновані системи (Н-системи), що поєднують у собі функції та фотовольтаїчних термічних пристроїв. Відмінною особливістю гібридних систем є можливість функціонування в автономному режимі, без підключення до централізованим енергосистем. Часто в літературі всі три типи приладів називаються геліосистеми. Подібні джерела енергії дуже чекають насамперед в Китаї, Індії, Індонезії. У Південній Африці за допомогою сонячних батарей заряджаються в сільських районах бездротові телефони. У Кенії найближчим час десятки тисяч будинків будуть отримувати енергію від сонячних батарей, випуск яких налагодили місцеві виробники. Досі в Індії щорічно помирають півмільйона дітей з-за забруднення осель продуктами горіння вуглецевого палива. Сонячні генератори електрики не тільки принесуть енергію в вдома, але і рятують мільйони життів. У Китаї з-за того ж забруднення мільйони некурящих жінок страждають від хронічних бронхітів та раку легенів, оскільки готують їжу на відкритому вогні.

 

Наступна перспективна технологія - водневі паливні елементи. Суть її в тому, що на спеціальних мембранах електрон відділяється від ядра атома водню, в результаті чого виходить електричний струм, а у відходах - вода і тепло. П'ять таких водневих елементів потужністю по 200 кіловат працюють на Алясці, висвітлюючи та обігріваючи будівлю пошти в місті Анкоредже. Після годинної аварії електромережі в Омасі відділення Першого національного банку понесло збитки в 6 млн. дол., після чого у терміновому порядку поставило в своєму обчислювальному центрі резервні джерела електрики на водневих елементах. Ця технологія планується і для автомобільних двигунів. В недалекому майбутньому мікропроцесор в кожному автомобілі буде постійно "знати" вартість електрики і визначати момент, коли можна буде продати трохи надлишкової потужності мотора. До речі, в березні 2001 року американський сенат прийняв закон про встановлення спеціальних лічильників на місцевих генераторах електрики (в основному на відновлюваних джерелах енергії), щоб можна було підраховувати енергію, яку вони зможуть направляти в мережу, якщо захочуть.

 

Крім вітрогенераторів, геліосистем і водневих паливних систем досить перспективними для міні і микроэнергетики представляються та інші альтернативні джерела енергії: теплові насоси, енергетичні системи на базі міні-і микрогидрогенераторов електричної енергії.

 

Дуже велике значення в сучасній міні і микроэнергетике надається засобам і пристроїв генерації енергії, що працюють на традиційному паливі. До таких пристроїв відносяться насамперед газогенератори та інші міні і мікро моторгенераторам, а також газові інфрачервоні випромінювачі. Особливо зріс у останнім часом інтерес до моторгенераторам, оскільки на їх базі навчилися створювати так звані когенераторні і тригенераторные установки, виробляють одночасно електрика, тепло і холод. Зауважимо, що на великих теплових станціях, що виробляють енергію, супутнє виділення тепла зазвичай просто розсіюється в атмосфері. У той же час у невеликих локальних генераторах тепло з успіхом використовується для обігріву осель і нагрівання води. Така когенерація підвищує ККД установок на 40% і в два рази знижує викиди окису вуглецю в атмосферу. В Массачусетському технологічному інституті 21-кіловатний газовий когенератор працює вже шість років, забезпечуючи весь університетський кампус електрикою і теплом. Ця технологія дуже поширена в Європі, Австралії та Азії.

Микроэнергетика в Росії.

 

Як добре відомо -- ситуація з енергозабезпеченням в Росії останнім часом стає все більш тривожною. Насамперед, треба визнати, що діючі генеруючі потужності катастрофічно старіють. Так, наприклад, до 2005 року в внаслідок старіння вибуття генеруючих потужностей складе не менше 34% від існуючого рівня, а до 2010 року - 53% (тобто більше половини!). Щоб тільки замінювати застарілі обладнання потрібно щорічно вводити 10 млн.КВт генеруючих потужностей, а з урахуванням прогнозованого зростання споживання - не менше 15 млн.КВт в рік. Введення ж одного мільйона КВт вимагає не менш 1 млрд. дол. США! Таким чином, для підтримки і розвитку своєї енергетики Росія зобов'язана витрачати близько 15 млрд. дол. США в рік!

 

Викликає суперечки та нарікання структура використовуваних в енергетиці Росії енергоносіїв: 44-46% - природний газ, 19-20% -- вугілля, 4-6% -- мазут, 18-20% -- гідроресурси, 12-14% -- ядерна енергія. Багато фахівців вважають, що одна з головних передумов кризових явищ у паливно-енергетичному комплексі Росії - це неможливість підтримувати видобуток природного газу на досягнутому високому рівні і, як наслідок цього - потреба значної скорочення його подачі в електроенергетику. Іншими словами, стверджується, що у російської енергетики явно перебільшена роль природного газу. Зауважимо, що якщо в найближчі роки відбудеться зменшення його споживання в енергетиці Росії на 30 млрд. куб м. (що, до речі, і передбачають провідні експерти), то це буде відповідати падіння обсягів генерації електроенергії на 22%! Як вихід із становища пропонується терміново збільшувати частку вугілля, що при заміні зазначеного обсягу природного газу складе додатково 50-60 млн. тонн вугілля в рік. Однак останнє означає не тільки необхідність перепрофілювання існуючих газо-мазутних ТЕС на вугілля, будівництво нових вугільних станцій, організацію додаткових транспортних потоків, але і різке збільшення екологічного тиску на атмосферу і навколишнє середовище.

 

Інші фахівці вважають, що тенденція збільшення газу правильна, але ситуацію можуть врятувати сучасні парогазові установки, оскільки їх ККД в 2 рази вище, ніж ККД традиційних енергоустановок. Третя група фахівців сподіваються на ядерну енергетику. Однак, при цьому необхідно буде побудувати додатково 16 атомних блоків потужністю по 1 тис. МВт. кожен. І всі вони забувають (або не хочуть про це говорити), що кожне з цих рішень тягне за собою появу таких екологічних та соціальних проблем, віддалені негативні наслідки яких опиняться у багато разів серйозніше, ніж поточні вигоди.

 

Є також істотні недоліки і топології енергетичної системи Росії. Нагадаємо, що лише 30% її території покрито єдиними енергетичними мережами. Забезпечення ж енергією решті території здійснюється або за рахунок локальних регіональних енергомереж, або за рахунок окремих генеруючих потужностей, як правило, дизельних електрогенераторів. Тому не дивно, що ціна 1 Квт.год у деяких віддалених районах досягає 4 доларів. Зауважимо, що існуюча структура енергосистеми призводить також до серйозних перекосів у демографічній структурі суспільства (наприклад, поява мегаполісів), до виникнення цілої низки негативних соціальних та екологічних проблем. Аналогічно (і навіть гірше) йдуть справи і в інших країнах СНД.

Аналогічна ситуація і з генерацією і споживанням тепла. У Росії налічується близько 700 ТЕЦ, 19 тис. центральних теплових пунктів і понад 40 тис. котелень, подають тепло у житлові будинки. І хоча загальна протяжність тепломереж становить 183,3 тис. км магістральної гарячою водою в Росії користуються лише близько 50 млн. осіб, тобто всего35% населення. При цьому більше 50% тепломереж вимагають серйозного капітального ремонту.

 

Існують та інші добре відомі фахівцям недоліки і труднощі розвитку енергетики Росії і країн СНД, але, тим не менш, хотілося б звернути увагу на два дуже тривожні обставини.

Перш все, хотілося б вказати на незначну роль у російській енергетиці малої енергетики і, зокрема, такого її розділу микроэнергетики. По-друге, в російській енергетиці практично зведена нанівець роль альтернативних, екологічно чистих джерел енергії. Зупинимося на цих обставин докладніше.

 

Не секрет, що структура енергоспоживання в західних країнах істотно відрізняється від Росії. Якщо, наприклад, західні країни велику увагу приділяють проблемі автономного енергозабезпечення різних об'єктів, то в Росії довгий час головна увага приділялася централізованого енергопостачання. Саме з цієї причини в західних країнах так добре розвинене виробництво малих генеруючих потужностей (від сотень ватів до мегават) і настільки істотна роль малої енергетики на відміну від Росії. Правда, в останні роки і в Росії стали з'являтися виробники обладнання малої енергетики. Однак, мова йде як правило про генеруючому обладнанні не менш декількох мегават. Що ж стосується міні і особливо микроэнергетики, то на російському ринку таких виробників практично немає. Розглянемо докладніше ситуацію з розвитком микроэнергетики та альтернативних джерел енергії в Росії.

 

У 2001 році згідно з офіційними даними в Росії на частку альтернативних джерел енергії доводилося всього трохи більше 0,16% загального енерговиробництва. Планується, що до 2005 року частка цих джерел енергії повинна скласти близько 0,5% від загальноросійського виробництва енергії, але ці плани навряд чи будуть виконані. З іншого боку, навіть якщо ці цифри і будуть досягнуті, то у відносних показниках це в 30 раз (а в абсолютних показниках більше ніж у 150 разів) менше, ніж у США. Якщо ж проаналізувати структуру виробництва альтернативою енергії, то картина стане ще більш гнітючою. Так на 2001 рік в Росії діяли:

 

• 1 геотермальна станція потужністю 11 МВт;

• 1500 вітрогенераторів потужністю від 0,1 квт до 16 КВт;

• 50 мікро і 300 малих гідростанцій загальною потужністю понад 2 млрд Квт.год;

• 1 припливна станція потужністю 400 КВт;

• сонячні батареї загальною потужністю близько 100 КВт;

• сонячних колекторів близько 100 000 кв.м.;

• 3000 теплових насосів потужністю від 10 КВт до 8 МВт.

 

Зауважимо, що більше половини зазначених генеруючих потужностей, що були введені в дію ще в 70-80-ті роки. Крім того, звертає увагу мізерна частка сонячної енергії, отриманої з допомогою фотоперетворювачів - всього 100 Квт (практично всі ці потужності були введені в дію НВО "КВАНТ" в 70-е і 80-е роки). Ну і, нарешті, в Росії повністю відсутня правова база для впровадження альтернативних джерел енергії. Разом з тим у останні роки Росія висловлює своє активне бажання інтегруватися у світове спільнота, у тому числі і в світову енергетичну систему. Отже, вона буде просто змушена враховувати і слідувати тенденціям розвитку останньої. А як видно з вищесказаного одна із стратегічних ліній розвитку світової енергетики - це явна орієнтація на миниэнергетику і, в зокрема, на альтернативні джерела енергії. Останні події з енергопостачанням окремих регіонів Росії, труднощі та перебої з енергопостачанням навіть у Москві і Московській області тільки підтверджують цей висновок.

 

 

Вся_библиотека