Анализ комплексных систем возобновляемых источников энергии в мире, России и задачи исследований

Анализ комплексных систем возобновляемых источников  энергии в мире, России и задачи исследований

Введение

Главная причина по которой ВИЭ - возобновляемые источники энергии -  еще не вытеснили традиционные способы получения энергии - непостоянство энергетических потоков. Периодичность поступления энергии и непостоянство потока энергии во времени, во многих случаях использования ВИЭ создает дополнительные трудности и не обеспечивает заданных параметров энергопотребления. Помимо этого, в процессе внедрения оборудования в возобновляемой энергетике появляется проблема обеспечения стабильного энергоснабжения в периоды отсутствия энергии возобновляемых источников. На сегодняшний день в возобновляемой энергетики существует целый ряд технических средств и инженерных решений этой проблемы, главным образом за счет использования аккумуляторов электрической и тепловой энергии.

Наивысшие технико-экономические показатели применения ВИЭ, стабильные эксплуатационные параметры энергетического оборудования надежное энергоснабжение потребителей и эксплуатационные параметры энергетического оборудования, могут быть достигнуты при комбинированной выработке электрической и тепловой энергии, ее аккумулировании, и при комплексном сочетании ВИЭ между собой и с техникой и технологиями традиционной энергетики. Создание эффективных комплексных энергосистем (КЭС) с использованием аккумуляторов для различных видов энергии позволяет повышать эффективность использования ВИЭ на 30-50%, обеспечивает стабильность энергоснабжения потребителей и улучшает параметры выработанной энергии. Современные технологии и техника, а также приемы рационального использования ВИЭ, основанные на использовании разных видов ВИЭ и комплексного аккумулирования энергии, фактически устраняет препятствия к их повсеместному внедрению.

Основные принципы создания комплексных энергосистем на основе ВИЭ

- увеличение энергоэффективности комплексных систем энергообеспечения за счет использования различных комбинаций возобновляемых и нетрадиционных способов получения энергии;

- повышение надежности работы систем электро- и теплоснабжения на основе ВИЭ за счет аккумулирования различных видов энергии;

- математическое моделирование процессов в системах комплексного энергоснабжения и их отдельных элементов для рационального выбора параметров и характеристик систем энергоснабжения и режимов их функционирования;

- анализ состояния возобновляемой энергетики в России и в мире на текущий момент, определение основных сложностей применения ВИЭ, поиск методов их решения на ближайшую и последующую перспективу.

Наиболее актуальными направлениями в исследованиях комплексных энергосистем на основе ВИЭ являются:

- прогнозирование тенденций развития возобновляемой энергетики с учетом потенциалов возобновляемых источников энергии разных видов;

- математическое и физическое моделирование параметров, характеристик и режимов функционирования комплексных систем электротеплоснабжения и энерготехнологических узлов, с использованием возобновляемых источников энергии;

- математическое и физическое моделирование параметров, характеристик и режимов процессов и систем аккумулирования энергии.

Главными задачами при создании комплексных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии является обеспечение их надежными аккумуляторами энергии и создание эффективного вспомогательного оборудования для повышения стабильности параметров энергосистем и поддержания необходимых рабочих параметров, а также создание оборудования для автоматического управления режимами их работы.

Оптимальные комбинации элементов комплексных энергетических системах на основе ВИЭ определяются на основе рассмотрения многих факторов, влияющих на функциональность таких энергосистем, поэтому при их проектировании необходимо проведение исследований для каждого конкретного объекта. Начальным этапом является анализ энергетической эффективности эксплуатации в местах их внедрения.

Для создания эффективных комплексных энергосистем на основе ВИЭ существует следующий порядок исследований:

1) определение уровня обеспечения конкретного объекта, площадки или местности, традиционными энергоресурсами;

2) установление структуры систем энергоснабжения и энергоиспользования;

3) установление требований к качеству электрической и тепловой энергии, типа и параметров нагрузки;

4) установление требований к почасовому графику энергоснабжения;

5) рассмотрение климатометеорологических условий и наличия энергоресурсов возобновляемых источников с учетом периодичности их поступления;

6) определение наличия количества энергии каждого вида возобновляемых источников;

7) определение оптимального состава комплексной энергосистемы на основе ВИЭ, типа и мощности отдельных ее элементов;

8) определение уровня энергообеспечения объекта за счет оборудования на основе ВИЭ соответствующего состава;

9) проведение анализа энергобаланса комплексной энергосистемы на основе ВИЭ с учетом экологических ограничений, экономической и социальной эффективности; окончательный выбор типа и мощности энергетического оборудования на основе ВИЭ;

10) разработка проекта комплексной энергосистемы на основе ВИЭ с привязкой к местности.

Комплексные энергосистемы на основе возобновляемых источников, предназначенные для энергообеспечения потребителей тепловой и электрической энергией, должны быть оборудованы комплексной системой аккумулирования электрической и тепловой энергии для выравнивания колебаний нагрузок в тепловой и электрической сетях, возникающих в результате периодичности и неравномерности энергоснабжения, и для повышения коэффициента полезного использования энергоустановок. Необходимое условие - это использование вспомогательного оборудования для  эффективного поддержания заданных рабочих параметров и автоматического управления работой любой КЭС.

Основная выгода применения комплексных энергосистем на основе ВИЭ в первую очередь заключается в уменьшении потребления традиционных углеродных топливных ресурсов. Для ее оценки были выбраны такие основные параметры: экономическая эффективность (срок окупаемости), экологическая эффективность (уменьшение нагрузки на окружающую среду в виде различных выбросов и отходов), социальная эффективность (увеличение рабочих мест, улучшение качества жизни).



Данные по ресурсам в России и в мире

Для создания комфортных условий жизни, при рациональном использовании энергии, на каждого человека нужно в среднем 2 кВт. С каждого квадратного метра поверхности Земли можно получать, применяя различные комбинации ВИЭ, оптимально выбранные для каждой конкретной местности, в среднем 500 Вт мощности. Если считать, что КПД любой комбинации ВИЭ в комплексной системе всего 4 %, то для получения мощности 2 кВт требуется площадь 100 м2. Средняя плотность городского населения с учетом пригородной   зоны  примерно  500  человек  на  1 км2.  Для обеспечения их необходимой энергией, исходя из расчета 2 кВт на человека, необходимо с 1 км2 получать 1000 кВт, то есть достаточно занять всего 5 процентов от площади поселения. Таким образом, ВИЭ могут обеспечить все потребности населения в энергии, если будут найдены рентабельные методы ее преобразования в удобный для применения вид, с учетом ресурсного потенциала. 

Общие ресурсы ВИЭ в мире и России приведены в таблице 

Ресурсы ВИЭ в мире и в России

Вид энергии

Теоретические ресурсы, млн., т.у.т.

Технические ресурсы, млн., т.у.т.



мир

Россия

мир

Россия

Энергия солнца

1,3?108

2,3?106

5,3?104

2,3?103

Энергия ветра

2,0?105

2,6?104

2,2?104

2,0?103

Геотермальная энергия

4,8?109

-

1,7?105

1,0?102

Энергия мирового океана

2,5?105

-

-

-

Энергия биомассы

9,9?104

104

9,5?103

53

Гидроэнергия

5,0?103

3,6?102

1,7?103

1,2?102



Примеры

На сегодняшний день самыми надежными и изученными являются ветродизельные энергетические комплексы - ВДЭК. Они служат надежным источником электрической и тепловой энергии для многих автономных потребителей и применяются во многих странах мира. Приведем пример эффективного использования ВДЭК: в Шотландии на острове Фэр для поселка с населением 70 человек была построена электростанция с двумя ДЭС, одна из них, мощностью в 20 кВт, снабжала поселок летом, другая, мощностью в 50 кВт - зимой. Ветровые условия позволяли установить на острове ветроэлектростанцию - ВЭС. Среднегодовая скорость ветра – 9,6 м/с. На острове построили ВЭС мощностью 50 кВт. После этого производство энергии возросло в 3,7 раза. Эксплуатация ВДУ на острове Фэр показала, что себестоимость электрической энергии, получаемой от ДЭС, была в 2,5 раза дороже, чем электроэнергия от ВЭС. 

Для повышения надежности энергообеспечения ВДЭК можно установить кинетический накопитель энергии - маховик. Маховик позволяет на короткий промежуток времени (минуты, секунды) перераспределить энергию, получаемую от ветровой установки и обеспечить работу дизеля в номинальном режиме, что позволяет уменьшить итоговый расход топлива. Также кинетический накопитель энергии может быть источником бесперебойного питания в энергосистеме, поддерживая энергоснабжение потребителя в период включения и выхода резервного дизель-генератора на стабильный режим работы. 

ВДУ позволяет значительно экономить на дизельном топливе, однако его вклад в энергообеспечение потребителя остается существенным и полностью исключить его из системы не представляется возможным. Система аккумуляции для перераспределения энергии в долгосрочном периоде может свести к минимуму использование органического топлива. Одним из альтернативных решений является использование водородных технологий. В то время как выработка энергии на ВЭС превысит объемы потребления, можно получать водород методом гидролиза, который, в свою очередь, может быть использован для выработки энергии во время штиля или слабого ветра. 
При эксплуатации ЭК на основе ВИЭ с применением технологий водородного аккумулирования возникает проблема хранения больших объемов взрывоопасного газа. Существует целый ряд разработок, надежность которых подтверждена на практике или проходит лабораторные и производственные испытания. Такого рода энергетические комплексы уже созданы и давно эксплуатируются в Канаде и Австралии. 

В Канаде для обеспечения энергией отдаленных населенных пунктов в северных районах страны применяются гибридные схемы – ветро-дизельные и ветро-водородные. Генераторы с двигателями внутреннего сгорания на водороде снабжают электроэнергией население на время отсутствия или при слабом ветре. Ветро-водородная схема применяется в проекте Prince Edward Island Wind-Hydrogen Village и в городе Рамеа. Мощность генератора водорода составляет 250 кВт. Благодаря этому генератору ежегодно экономится до 120 тыс. л топлива, тем самым уменьшаются вредные выбросы в атмосферу. 

У нас в стране комплексные энергосистемы также находят свое применение на практике.

Министерство Жилищно-коммунального Хозяйства Республики Башкортостан в январе 2015 года сообщило о введении в эксплуатацию автономной комплексной электростанции для поселка Северный Караидельского района -  он стал первым в республике населенным пунктом с полностью автономным электроснабжением. Компания «ГИП-Электро» — электросетевой оператор, обслуживающий Караидельский район, построила комплексную электростанцию состоящую из ветрогенератора и солнечных панелей.

ЛЭП, которая ранее снабжала поселок Северный электроэнергией, выработала свой ресурс, и, по данным регионального коммунального ведомства, на ее восстановление потребовалось бы около 10 млн рублей. Возведение же комплексной электростанции обошлось компании «ГИП-Электро» в 10 раз дешевле. Солнечные панели вырабатывают 12 кВт, а  ветрогенератор вырабатывает - 3 кВт, а в качестве резервного источника был установлен бензогенератор.

Для автономного обеспечения электро и тепловой энергией в России и в мире на рынке есть множество предложений в виде типовых проектов домов и систем с различными комбинациями ВИЭ. Компании предлагают как постройку "зеленого" дома под ключ, так и модернизацию существующей системы энергоснабжения с введением в нее элементов автономного питания, либо с переводом на полностью независимое от внешних источников питание.

Выводы

Территория Российской Федерации обладает гигантским потенциалом возобновляемых источников энергии. Вследствие географического положения страны, ее размеров, разнообразия климата и рельефа местности, есть возможность использовать все виды ВИЭ. Этим Россия отличается от других стран, где из-за ограниченности географических условий доминирует один вид ВИЭ. Переход от невозобновляемых ископаемых углеродных источников энергии к возобновляемым позволит не только экономить ресурсы, но и создаст множество рабочих мест для людей занятых в производстве и обслуживании, повысит мобильность и независимость людей от существующих линий инфраструктур. На сегодняшний многие страны решают проблему энергообеспечения, внедряя комплексные энергосистемы с различными комбинациями компонентов ВИЭ. Развитие научной мысли и правовых основ возобновляемой энергетики и устойчивое стремление к повышению стоимости топливно–энергетических ресурсов в будущем, уже сегодня показывает технико–экономические преимущества электростанций, использующих ВИЭ. Очевидно, что в будущем эти преимущества будут развиваться, повышая долю возобновляемой энергетики в мировой энергетический баланс как в России так и в других странах.



Литература

КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Н.М. Мхитарян, С. О. Кудря, Л.В. Яценко, Л.Я. Шинкаренко, М.Д. Ткаленко, В.И. Будько

Институт возобновляемой энергетики НАН Украины 02094, Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс +38-044-206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net



Источник: http://naukarus.com/kompleksnoe-ispolzovanie-energii-vozobnovlyaemyh-istochnikov

Учебное пособие Издательство Томского политехнического университета 2008 ББК 31.25973 УДК 620.92(075.8) Л843 Лукутин Б.В.

Л843 Возобновляемые источники электроэнергии: учебное пособие / Б.В. Лукутин. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 187 с.

Методика расчета энергетического комплекса для тепло- и электроснабжения автономного потребителя на базе возобновляемых источников энергии1

В. И. ВИССАРИОНОВ
VissarionovVI@mpei.ru
Доктор технических наук, профессор кафедры нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Института электроэнергетики Национального исследовательского университета «МЭИ»

 

А. В. КАЦАЙ
rhsc@rhsc.ru
Генеральный директор ООО «Корпорация «Русский сверхпроводник»».

 

А. Н. ДОРОШИН
DoroshinAN@yandex.ru
Ассистент кафедры нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Института электроэнергетики Национального исследовательского университета «МЭИ»

 

А. В. ДОРОШИНА
DoroshinaAV@yandex.ru
Аспирантка кафедры гидромеханики и гидравлических машин Института электроэнергетики Национального исследовательского университета «МЭИ»

 

В Башкирии заработала первая коммерческая ветро-солнечная электростанция

9 января 2015, 21:23

Информационное агентство "МедиаКорСеть", 2017.......................