Отчет - Исследование отрасли альтернативной энергетики Республики Казахстан. Том 1 Общий анализ, выводы и рекомендации
Подождите немного. Документ загружается.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
В Алматинском институте энергетики и связи ведется подготовка инженеров и
бакалавров энергетики со специализацией «ветроэнергетика». Энергетические
агрегаты с вертикально осевыми ветровыми турбинами по патентам и технической
документации РК мощностью от 1 до 20 кВт в разное время изготавливались на
предприятиях Казахстана – ТОО «Карат» в г. Капчагае, ТОО «Ветроэнергоинвест» в
кооперации с предприятием «Татед» и Алматинским заводом тяжелого
машиностроения, Талгарским опытным литейно-механическим заводом.
Участвующая в изготовлении ВЭС частная компания АО ПРП
«Целинэнергоремонт» в г. Астане, изготовившая ВЭС мощностью 7 и 15 кВт имеет
развитую производственную базу, подъездные пути, возможность значительного
расширения деятельности.
Все имеющиеся наработки являются существенным фундаментом для создания в
Казахстане собственного производства ветроагрегатов всего диапазона мощностей
для внутреннего потребления и на экспорт и развития ветроэнергетики Казахстана.
К разработанным в Казахстане ветроэлектростанциям, с использованием
вертикально осевых ветровых турбин и с автоматически изменяющейся площадью
обметаемой поверхности, особых вентильных генераторов, систем автоматического
управления нагрузкой генератора и турбины, проявляют интерес, как уже
отмечалось выше, в России, Китае, США, Венгрии, Японии, Южной Кореи,
Болгарии, Ирландии, Украине.
Таблица 5 Ресурсы ветровой энергии по территории Казахстана
№
п/п
Регионы Занимаемая
площадь,
тыс.км
Потенциальные
ресурсы,
млрд.кВтч
Потенциал с учетом КПД
ВЭУ и требований к их
размещению, млрд.кВтч
2
1 Восточный Казахстан
277,1 3000 30
2 Юго-Восток
223,2 3100 31
3 Южный Казахстан
499,9 560 56
4 Северный Казахстан
237 2700 27
5 Центральный
Казахстан
762,2 9100 91
6 Западный Казахстан
7292 8800 87
7 ИТОГО по
Казахстану
2718,1 32200 322
Несмотря на весьма значительный потенциал ветровой энергии, в настоящее время
на территории Казахстана, отсутствует заметное присутствие ветровой
IGM consulting company. По заказу АО «Национальный Инновационный Фонд»
31
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
электроэнергетики. Ветровые агрегаты в основном используются в качестве привода
насосов для поднятия воды на поверхность для нужд сельского хозяйства.
Солнечная энергетика
Солнечные батареи с использованием солнечных голографических концентраторов
отечественного производства существенно могут потеснить, а в перспективе
вытеснить другие виды солнечных батарей в силу прорывных конкурентных
преимуществ. При этом экспорт возможен в двух вариантах:
• продажа собственно солнечных батарей и продажа солнечных голографических
концентраторов или их матриц для производителей солнечных батарей.
• продажа фотоэлементов, получаемых по технологиям, разработанных
отечественными учеными.
Гелиоустановки в силу низкой себестоимости могут также выйти на мировой рынок.
Все установки, которые в силу своих конкурентных преимуществ, имеют
перспективы выхода на мировой рынок, могут успешно применяться и для
внутренних нужд.
Таблица 6 Солнечная освещенность по регионам Казахстана
кВт/кв.м./день
№ п/п Регион кВт/кв.м/год
среднее июнь декабрь
1 Шымкент 1780 4,88 7,95 1,65
2 Актау 1442 3,95 6,71 0,98
3 Астана 1297 3,55 6,47 0,83
4 Семей 1441 3,95 6,74 1,2
5 Талды-Курган 1703 4,67 7,40 1,58
Тепловая солнечная энергия - наиболее простой в использовании и перспективный с
точки зрения практического применения. В связи с ростом цен на первичные
энергоносители, с одной стороны, развитием технологии использования тепловой
энергии солнца, с другой стороны, этот источник энергии становится
конкурентоспособным, т.е. может применяться на равных условиях с
традиционными энергоносителями.
Гидроэнергетика
Наличие большого потенциала гидроресурсов, позволяющих покрыть дефицит,
возникающий на внутреннем рынке, а также имеющий экспортный потенциал,
предполагает развитие научно-технических разработок казахстанских ученых в
IGM consulting company. По заказу АО «Национальный Инновационный Фонд»
32
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
данном направлении. На сегодняшний день ведется работа по разработке новых
альтернативных гидроэнергоустановок, которые в силу своих преимуществ смогут
составить достойную конкуренцию известным установкам, как на мировом, так и на
внутреннем рынке.
Таблица 7 Распределение малых ГЭС по регионам страны
Регион Число
МГЭС
Установленная
мощность, МВт
Выработка
электроэнергии,
млн.кВтч
Восточно-Казахстанская обл. 89 594 2566
Алматинская обл. 227 1147 5336
Южно-Казахстанская обл. 118 437 1926
Жамбылская обл. 98 234 1150
Наибольшие перспективы в развитии малых ГЭС существуют в Алматинской
области, обладающей значительным потенциалом, но при этом импортирующей из
других регионов большое количество электроэнергии. При этом Институт
«АлматыГИДРОПРОЕКТ» выделил более 15 проектов новых МГЭС, наиболее
перспективных к внедрению.
Биоэнергетика
Имеющийся опыт создания биогазовых установок и потенциал для получения
биотоплива позволяет считать возможным экспорт установок и широкое применение
их для внутренних нужд.
Одним из источников получения биогаза в условиях Казахстана является
птицеводство. Для крупных птицеводческих предприятий перспективно получение
биогаза с применением анаэробного сбраживания органических отходов в
метантанках. С 1 т куриного помета можно получить моторное топливо,
эквивалентное 800 литрам бензина. На крупных птицефабриках, при среднем
поголовье птицы 600—650 тыс. шт., выход биогаза от сбраживания всего помета
может составить до 120 тыс. куб. м в сутки, что вполне достаточно для питания
IGM consulting company. По заказу АО «Национальный Инновационный Фонд»
33
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
газовой электростанции мощностью свыше 6 МВт или получения моторного
топлива, эквивалентного 96 тыс. л бензина.
13
Наконец, не менее значимым источником получения биогаза является
животноводство. Тот факт, что домашние животные (коровы, лошади, овцы, свиньи
и другие) плохо усваивают энергию растительных кормов и более половины
солнечной энергии, аккумулированной фотосинтезом в этих кормах, используется
непроизводительно — уходит в навоз, позволяют рассматривать навоз не только как
ценное сырье для производства органических удобрений, но и как мощный
возобновляемый источник энергии.
Из 1 тонны сухого вещества навоза в результате анаэробного сбраживания при
оптимальных условиях можно получить 350 куб. м биогаза, или в пересчете на одну
голову крупного рогатого скота в сутки 2,5 куб. м, а в течение года - примерно 900
куб. м. Рассчитав эквивалент получаемого по данной технологии биогаза к
традиционному моторному топливу, можно констатировать достаточно
парадоксальный на первый взгляд факт, что одна корова в год, кроме молока, дает
еще около 600-700 л бензина.
Подсчеты показывают, что в сельских местах производство биогаза может считаться
рентабельным при наличии 20 коров, 200 свиней или 3500 кур.
Тепло Земли.
Использование геотермальной энергии и тепловых насосов для внутренних нужд
существенно, данные возобновляемые источники позволяют практически в 3 раза
снижать затраты тепловой энергии, получаемой традиционным путем. Причем опыт
использования, как тепловых насосов, так и попутной тепловой энергии уже
имеется. Несомненно, наиболее важным устройством нетрадиционной энергетики и
энергоресурсосбережения является тепловой насос, хотя более общим понятием
является термотрансформатор, который может работать в различных режимах -
теплового насоса, холодильной машины, машины для комбинированного
производства тепла и холода.
Особенность теплового насоса состоит в том, что произведенное тепло всегда
больше подведенной энергии от энергоисточника высокого потенциала. Суть
заключается в том, что тепло производится не только за счет энергии
энергоисточника (газа, угля, электрической энергии или пара), но и за счет
13
Примечание: Разработки Мирзояна А.С.
IGM consulting company. По заказу АО «Национальный Инновационный Фонд»
34
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
дополнительной тепловой энергии, отбираемой от низкопотенциального источника,
то есть источника с более низкой температурой (геотермального источника, жидких
промышленных или бытовых стоков, воздуха, грунта, реки). В промышленно
выпускаемых установках экономия топлива составляет 20-70%. Возможный
диапазон температур низкопотенциального источника очень широкий (от +80°С до -
17°С).
Несомненно, наибольший интерес привлекают методы прямого преобразования
энергии. К ним относятся электрохимические, фотоэлектрические,
термоэлектрические, термоэмиссионные и магнитогидродинамические (МГД)
преобразователи. Из электрохимических преобразователей сегодня наибольший
интерес (и даже бум) вызывают топливные элементы. В топливных элементах
происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. В
отличие от гальванических элементов здесь имеются расходуемые материалы -
топливо и окислитель. Наиболее популярная схема - это применение водорода в
качестве топлива, а кислорода в качестве окислителя. При этом единственным
продуктом электрохимической реакции является вода, то есть топливный элемент
представляет собой совершенно чистый с экологической точки зрения источник
энергии. С энергетической точки зрения привлекательность топливных элементов
(ТЭ) состоит в максимальном на сегодня коэффициенте полезного действия (то есть
коэффициенте преобразования химической энергии в электрическую) - до 50-70%.
Однако для того, чтобы химическая реакция протекала с достаточной скоростью,
необходимо использовать катализаторы - металлы платиновой группы. Хотя
топливные элементы были предложены более полутора веков назад, пока они не
получили промышленного применения в связи с дороговизной устройств и
стоимости генерируемой электроэнергии, а также в связи с техническими
проблемами, решение которых возможно лишь на новом уровне развития техники.
Перспективы развития отрасли
Для развития отрасли альтернативной энергетики в Казахстане необходимо
построение собственной прочной научно-исследовательской базы и развитие
энергетики на ВИЭ на уровне лабораторных исследований и небольших опытных
производств, а также организации опытно-промышленного производства
элементов и модулей, в том числе за счет запатентованных научно-
исследовательских разработок.
IGM consulting company. По заказу АО «Национальный Инновационный Фонд»
35
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
Для развития технологий, ориентированных на использование альтернативных
источников энергии в Казахстане имеется значительный научно-технический задел
в таких областях, как физико-химическое преобразование солнечной энергии,
ветроэнергетика, микро-ГЭС, биогаз и биотопливо, низкопотенциальные источники
тепла, фотоэнергетические элементы и установки, полупроводниковые материалы
для фотоэнергетики.
Активно развивается интеграция центров и ведущих отечественных вузов, они
вместе работают над проведением научных исследований, подготовкой научных и
инженерных кадров.
Экономические факторы
Стоимость получаемой энергии
Основное преимущество возобновляемых источников энергии их неисчерпаемость и
экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс
планеты.
Таблица 8 Роль ВИЭ в решении трёх глобальных проблем человечества
(энергетика, экология, продовольствие)
+ положительное влияние, отрицательное влияние, 0 - отсутствие влияния
Вид ресурсов или установок Энергетика Экология Продовольствие
Ветроэнергоустановки + +
+
1)
Малые и микро ГЭС + +
+
2)
Солнечные тепловые установки + +
+
3)
+
4)
Солнечные фотоэлектрические установки + +
0
Геотермальные электрические станции + +/-
Геотермальные тепловые установки + +/-
+
5)
0
Биомасса. Сжигание твёрдых бытовых
отходов
+ +/-
+
6)
Биомасса. Сжигание сельскохозяйственных
отходов, отходов лесозаготовок и
лесопереработок
+ +/-
+
7)
Биомасса. Биоэнергетическая переработка
отходов
+ +
Биомасса. Газификация + +
0
+
8)
Биомасса. Получение жидкого топлива + +
0
Установки по утилизации
низкопотенциального тепла
+ +
Примечания:
1)
Водоподъёмные установки на пастбищах и в удалённых населённых пунктах.
IGM consulting company. По заказу АО «Национальный Инновационный Фонд»
36
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
2)
Орошение земель на базе малых водохранилищ, водоподъёмные устройства
таранного типа.
3)
Установки для сушки сена, зерна, сельхозпродуктов, фруктов.
4)
Водоподъёмные системы, питание охранных устройств на пастбищах.
5)
Обогрев теплиц геотермальными водами.
6)
Использование золы в качестве удобрения.
7)
Получение экологически чистых удобрений в результате сбраживания отходов.
8)
Получение дизельного топлива из семян рапса - самообеспечение сельского
хозяйства дизельным топливом
Но также эти источники энергии имеют и отрицательные свойства. Это малая
плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства
ВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади
энергоустановок, перехватывающие поток используемой энергии (приемные
поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины
приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости
подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений
по сравнению с традиционными энергоустановками. Но, повышенные
капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных
затрат. Например, качественной солнечной батарее не нужен ремонт несколько
десятков лет. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой
энергетики во всем мире и весьма оптимистических прогнозов их развития в
ближайшем десятилетии.
Таблица 9 Сравнение стоимости энергии
Тип электростанций
Стоимость установленной
мощности, USD/кВт
Цена энергии,
Цент/кВт· час
800-1200 (без учета стоимости
монтажа)
ВЭУ 4 - 5
ТЭС:
газовые 1100 5 - 6
комбинированные 500-800 4 - 5
экологически чистые
угольные
1800-2400 7 - 9
АЭС 1700-2900 4 - 8
ГЭС 900-3000 3 и более
IGM consulting company. По заказу АО «Национальный Инновационный Фонд»
37
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
Фотоэлектричество (ФЭ)
Несмотря на то, что в последнее время ежегодный рост рынка фотоэлектричества
составляет 30% в год, его вклад в производство электроэнергии по-прежнему
остается очень малым. Технические и технологические разработки фокусируются на
усовершенствовании существующих модулей, развитии новых типов батарей в
тонкопленочной отрасли и новых материалов для кристаллических батарей.
Ожидается, что эффективность коммерческих кристаллических панелей повысится в
ближайшие годы на 15–20%, и что тонкопленочные панели, использующие меньшее
количество сырья, смогут стать коммерчески доступными.
Коэффициент освоения фотоэлектрических модулей остается на протяжении 30 лет
довольно постоянным, составляя около 0,8, что отражает стабильность высокого
темпа технического освоения и снижения затрат. Предполагая, что в 2050 г.
общемировая установленная мощность фотоэлектрических панелей составит 2000
ГВт, при снижении коэффициента освоения после 2030 г. мы можем ожидать, что
возможная себестоимость производства электроэнергии составит 5–9 центов/кВт-
ч
14
. По сравнению с другими технологиями возобновляемой энергетики
фотоэлектрическую энергию можно рассматривать как долгосрочную перспективу.
Ее важность обуславливается гибкостью и чрезвычайно высоким техническим
потенциалом.
Концентрируемая солнечная энергия (КСЭ)
Концентрирующие солнечные тепловые электростанции могут использовать только
прямой солнечный свет и поэтому могут располагаться в местах высокого
солнечного излучения. Например, Северная Африка располагает техническим
потенциалом, значительно превышающим местный спрос. Различные солнечные
концентраторы (параболоцилиндры, установки башенного типа, зеркальные
параболические концентраторы) предлагают хорошие перспективы с точки зрения
снижения затрат. Одной из важных задач является создание крупных накопителей
тепловой энергии с тем, чтобы системы могли эксплуатироваться в отсутствие
солнечного света.
Из-за малого количества действующих концентрирующих тепловых солнечных
электростанций (КТСЭ) для этой отрасли сложно вывести достоверные
коэффициенты освоения. Предполагается, что коэффициент освоения для КТСЭ
14
EPIA/Greenpeace International: SolarGeneration 2006
IGM consulting company. По заказу АО «Национальный Инновационный Фонд»
38
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
равный 0,88 и рассчитанный на основе параболоцилиндрических рефлекторов,
построенных в Калифорнии, составит к 2030 г. 0,95. Согласно «Оценке мировой
энергетики», опубликованной ООН, через 20 лет ожидается динамический рост
производства электроэнергии на КТСЭ, аналогичный современному росту в
ветровой индустрии. В зависимости от уровня излучения и эксплуатационного
режима себестоимость электроэнергии составит предположительно 5–8 центов за
киловатт-час. Это предполагает рыночное внедрение этой технологии в ближайшие
годы.
Тепловые солнечные коллекторы для отопления и охлаждения
Малые коллекторные системы для водяного отопления сегодня хорошо развиты и
нашли широкое применение. Крупные сезонные тепловые накопители, сохраняющие
тепло, полученное в летний период для его использования в зимнее время,
существуют только в виде пилотных проектов. Солнечное теплообеспечение
секторов рынка, находящихся в зоне низких температур, возможно только путем
применения локальных систем отопления, применяющих метод сезонного
накопления. Ключевыми факторами, обеспечивающими рыночное внедрение этой
технологии, являются низкие цены на коллекторы и мощность теплопроизводства.
Согласно данным европейского рынка солнечных коллекторов, коэффициент
освоения для этой технологии составляет почти 0,90, что свидетельствует о том, что
система сравнительно хорошо разработана с технологической точки зрения. В
долгосрочной перспективе ожидается сокращение себестоимости изготовления
сезонных тепловых коллекторов более чем на 70%. В будущем, в зависимости от
конструкции систем, будет возможным снижение стоимости солнечной тепловой
энергии до 4–7 центов за киловатт-час.
Ветровая энергия
За короткий период динамичное развитие ветровой энергетики привело к созданию
процветающего рыночного сектора. Самые крупные ветровые турбины,
установленные, в том числе в Германии, имеют мощность 6 МВт.
В последние годы в результате стабильно высокого спроса и значительных
инвестиций, вложенных производителями в развитие новых систем, коэффициент
освоения ветровых турбин, построенных между 1990 и 2000 гг. в Германии, составил
всего лишь 0,94. Тем не менее, поскольку реализация технических проектов
приводит к увеличению удельной производительности, себестоимость производства
электроэнергии в ветроэнергетике должна в будущем сократиться. Согласно
IGM consulting company. По заказу АО «Национальный Инновационный Фонд»
39
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
ожиданиям, наиболее высоким потенциалом снижения стоимости обладает сектор
ветропарков морского базирования.
Кривая освоения для производства ветровых турбин выведена путем комбинации
наблюдаемых коэффициентов освоения, предположения интенсивного рыночного
роста и оценок стоимости ветровых турбин, приводимых в докладе «Перспективы
мировой ветроэнергетики». В соответствии с докладом, затраты на производство
ветровых турбин снизятся к 2050 г. на 40%.
Биомасса
Ключевым фактором для экономической оценки биоэнергетики является стоимость
сырья, которая сильно варьирует от отрицательной стоимости древесных отходов
(исключение затрат на удаление отходов) до дорогостоящих культур.
Соответственно, диапазон стоимости энергии из биомассы широк. Одной из
наиболее рентабельных технологий утилизации биомассы являются
теплоэлектроцентрали с комбинированным производством тепловой и
электрической энергии (КТЭ). С другой стороны, газификация биотоплива,
открывающая широкие возможности применения биомассы, является сравнительно
дорогостоящей. В долгосрочной перспективе ожидается повышение рентабельности
производства электроэнергии за счет газа, получаемого из древесины, как в
микромодулях КТЭ, так и на парогазовых электростанциях. Высоким потенциалом
обладает производство тепловой энергии на малых и крупных теплоцентралях. В
последние годы, например, в Бразилии и США растет интерес к преобразованию
сельскохозяйственной продукции в этанол и «биодизель». Также возрастает роль
технологий получения синтетического топлива из органических синтез газов.
В Латинской Америке, Европе и странах с переходной экономикой в долгосрочной
перспективе ожидается, что 60% объема используемой биомассы будет покрываться
за счет сельскохозяйственных энергетических культур, а остальная часть за счет
отходов лесной промышленности и соломы.
В других регионах, таких как Средний Восток, Южная Азия или Китай рост
использования биомассы ограничен, что связано с труднодоступностью, либо с уже
имеющимся традиционно высоким уровнем использования биомассы. В последнем
случае важен переход к более эффективным технологиям использования биомассы.
Геотермальная энергия
Геотермальная энергия как источник тепла издавна используется во всем мире.
Утилизация геотермальной энергии для производства электроэнергии
IGM consulting company. По заказу АО «Национальный Инновационный Фонд»
40