Отчет - Исследование отрасли альтернативной энергетики Республики Казахстан. Том 3 Перспективные сегменты отрасли альтернативной энергетики
Подождите немного. Документ загружается.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
61
Либерализация электроэнергетики затрагивает крупную гидроэнергетику, как правило, в
меньшей степени, чем тепловую. Во многих странах государство передает в частные руки
преимущественно тепловые электростанции, а в регионах с преобладанием
гидроэнергетики реформы подчас задерживаются или носят более ограниченный
характер. Так, в Канаде либерализация и приватизация в электроэнергетике началась с
провинции Альберта (где свыше 90% генерации приходится на тепловые электростанции),
тогда как в провинциях с преобладанием гидроэнергетики (Квебек, Британская Колумбия,
Онтарио, Манитоба) сохранялась вертикально интегрированная структура отрасли под
государственным контролем.
Удельный вес частной (малой и средней) гидрогенерации увеличивается в тех развитых
странах, где расширение крупной гидроэнергетики практически приостановилось в силу
как объективных причин (исчерпания экономического гидропотенциала для строительства
крупных ГЭС), так и субъективных (приоритетов государственной политики). К таким
странам относятся Италия, Франция, Германия, Испания, Швеция, США, Новая Зеландия
и др. Однако прирост доли частного сектора за счет малых ГЭС происходит достаточно
медленно, и для гидроэнергетики по-прежнему характерна крайне высокая степень
концентрации производства: на малые ГЭС приходится менее 5% выработки
гидроэлектростанций мира.
Осторожное отношение инвесторов к крупным гидропроектам связано с изменением
рынков электроэнергии. Прежде, при отсутствии конкуренции на рынках, большинство
гидроэлектростанций строилось с расчетом на долгосрочные поставки электроэнергии по
регулируемым ценам. С либерализацией рынков электроэнергии во многих странах
существенно снизилась предсказуемость условий продажи в долгосрочном плане. Это
повышает риски инвестирования в крупные гидропроекты, учитывая длительные сроки их
окупаемости. Изменение условий привело к трансформации инвестиционных
приоритетов:
характерным стало распределение рисков и источников финансирования. Если
прежде крупные гидропроекты финансировались исключительно из национальных
бюджетов, то в последние десятилетия получили распространение различные
схемы привлечения негосударственных инвестиций, расширились зарубежные
источники финансирования, прежде всего за счет средств международных
финансовых организаций и банков развития. Таким образом, государство реже
берет на себя полностью реализацию крупных гидропроектов;
все большее распространение получают инвестиции в действующие
гидросооружения: в их реконструкцию, расширение, модернизацию оборудования.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
62
Развитие этой сферы связано с тем, что перестройка гидросооружений весьма
эффективна по сравнению со строительством новых гидроэлектростанций: во
многих случаях она обеспечивает существенно меньшие капитальные и временные
затраты на единицу вводимой мощности. Потенциал для приложения инвестиций в
перестройку гидросооружений огромен: во-первых, только 1/5 часть плотин в мире
используется для генерации электроэнергии (а среди малых плотин эта доля еще
меньше), во-вторых, износ действующих плотин в целом по миру нарастает, что
требует увеличения инвестиционной активности в данной сфере.
Дальнейшее развитие гидрогенерации в долгосрочной перспективе будет во многом
зависеть от того, насколько приоритеты экологии и устойчивого развития, декларативно
принятые на международном уровне, в частности ООН, возобладают на уровне
национального регулирования.
До настоящего времени на уровне национального регулирования большинства стран
природоохранные ограничения локального характера (касающиеся экосистем местного
или регионального масштабов) превалируют над глобальными приоритетами (проблемы
изменения климата). В этих условиях многие новые крупные гидропроекты не
реализуются (особенно в развитых странах), потому что они связаны с рисками для
местных экосистем. Изменение статуса глобальных экологических требований (в
частности, дальнейшей ратификации странами Киотского протокола) облегчит
реализацию крупных гидропроектов.
Другим международным приоритетом, который в случае принятия на национальных
уровнях станет стимулом для развития гидроэнергетики, являются провозглашенные ООН
задачи сокращения к 2015 году вдвое числа жителей планеты, находящихся за чертой
бедности, обеспечения для сотен миллионов людей современных санитарных условий,
доступа к инфраструктуре электро- и водоснабжения. Решение перечисленных задач
требует возведения либо реконструкции гидросооружений, в том числе крупных. Причем
названные проблемы актуальны именно для развивающегося мира, где и без того
сложились наиболее благоприятные условия для строительства крупных ГЭС.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
63
3.3. Экологические аспекты использования гидроэнергетики
Помимо экономической целесообразности, развитие гидроэнергетики определяют
экологические приоритеты. Поскольку строительство крупных ГЭС, как правило,
сопряжено с существенными экологическими проблемами, в странах с высокими
природоохранными стандартами это стало дополнительным барьером для развития
крупной гидрогенерации.
В результате совокупного действия этих факторов происходит отчетливая миграция
гидроэнергетики в развивающиеся страны, где велик неосвоенный гидропотенциал и
экологические соображения играют меньшую роль (как в силу менее жестких
экологических стандартов, так и по причине неразвитых демократических традиций и
невысокой политизированности вопросов экологии). В результате, по оценкам
Международного энергетического агентства, в предстоящие полтора-два десятилетия до
80% прироста мощностей гидрогенерации придется на развивающиеся государства.
35
Говоря о воздействии гидроэнергетики на экологию, необходимо учитывать следующее:
крупные электростанции являются одним из наиболее существенных факторов
сдерживания климатических изменений. Так, по данным Международного
энергетического агентства, без существующих гидроэлектростанций выбросы
парниковых газов были бы на 11% выше, что сравнимо с выбросами всего
автомобильного транспорта планеты;
ущерб для местных экосистем может быть минимизирован за счет учета
экологического фактора при проектировании и сооружении ГЭС: крупные
гидропроекты не обязательно связаны с большим экологическим ущербом;
малые гидростанции считаются экологически безвредными, однако согласно
некоторым исследованиям совокупный ущерб от множества мелких ГЭС может
превосходить ущерб от сопоставимой по мощности крупной станции.
3.4. Энергия мирового океана
Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя)
энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными,
скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия
океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди
умеют утилизовать лишь незначительные доли этой энергии, да и то ценой больших и
медленно окупающихся капиталовложений
35
Источник: http://www.e-m.ru/archive/articleser.asp?aid=4439
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
64
Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов,
океанских течений, термальную энергию, и др.
36
3.4.1. Энергия приливов и отливов
3.4.1.1. Современное состояние и тенденции развития
Приливная энергия постоянна. Приливы обусловлены силами притяжения Луны и Солнца
в сочетании с центробежными силами, развивающимися при вращении систем Земля-
Луна и Земля-Солнце. Движение этих тел относительно друг друга порождает различные
приливные циклы: полусуточный, весенний квадратурный, полугодовой и другие более
длительные циклы. Все оказывают влияние на уровень подъема воды, и знание этих
колебаний необходимо для правильного проектирования приливных энергетических
систем.
Амплитуда приливов может значительно увеличиваться за счет таких факторов, как
склоны, воронки, характерное отражение и резонанс. Наиболее часто такие условия
наблюдаются в устьях рек. Теоретически приливные электростанции могли бы
производить в целом 635 тыс. ГВт/ч в год электроэнергии, что является энергетическим
эквивалентом более чем 1 млрд. баррелей нефти.
По мнению ученых-океанологов технически возможно и экономически выгодно
использовать лишь очень небольшую часть приливного потенциала Мирового океана – по
некоторым оценкам только 2%.При определении технических возможностей большую
роль играют такие факторы, как характер береговой линии, форма и рельеф дна, глубина
воды, морские течения и ветер. Опыт показывает, что для эффективной работы ПЭС
высота приливной волны должна быть не менее 5 м. Чаще всего такие условия возникают
в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Но подобных мест
на всём земном шаре не так уж много: по разным источникам 25, 30 или 40.
При оценке экономических выгод строительства ПЭС также нужно учитывать, что
наибольшие амплитуды приливов-отливов характерны для окраинных морей умеренного
пояса. Многие из этих побережий расположены в необжитых местах, на большом
удалении от главных районов расселения и экономической активности, следовательно, и
потребления электроэнергии. Нужно учитывать также и то, что рентабельность ПЭС резко
возрастает по мере увеличения их мощности до 3-5 и тем более 10-15 млн. кВт. Но
сооружение таких станций-гигантов, к тому же в отдаленных районах, требует особенно
больших затрат, не говоря уже и о сложнейших технических проблемах.
36
Источник: http://www.edu-zone.net/show/196793.html
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
65
Считается, что наибольшими запасами приливной энергии обладает Атлантический океан.
В его северо-западной части, на границе США и Канады, находится залив Фанди,
представляющий собой внутреннюю суженную часть более открытого залива Мен. Длина
его 300 км при ширине 90 км, глубина у входа более 200 м. Этот залив знаменит самыми
высокими в мире приливами, достигающими 18 м.
Велики также запасы приливной энергии в Тихом океане. В его северо-западной части
особенно выделяется Охотское море, где в Тугурском и Пенжинском заливах высота
приливной волны составляет 9-13 м. Значительные приливы наблюдаются и у побережий
Китая и Корейского полуострова. На восточном побережье Тихого океана благоприятные
условия для использования приливной энергии имеются у берегов Канады, Чилийского
архипелага на юге Чили, в узком и длинном Калифорнийском заливе Мексики.
В пределах Северного Ледовитого океана по запасам приливной энергии выделяются
Белое море, в Мезенской губе которого приливы имеют высоту до 10 м, и Баренцево море
у берегов Кольского полуострова (до 7 м). В Индийском океане запасы такой энергии
значительно меньше. В качестве перспективных для строительства ПЭС здесь обычно
называются залив Кач Аравийского моря (Индия) и северо-западное побережье
Австралии.
37
В настоящее время действует совсем немного приливных станций. Электростанция Ранс
(1968г.) является первым и крупнейшим предприятием такого рода в мире. Она была
задумана как прототип более крупных приливных станций на побережье Бретани.
Система использует двадцать четыре 10-мегаваттных турбины Каплана, обладает
проектной мощностью 240 МВт и ежегодно производит около 50 ГВт/ч электроэнергии
.
Амплитуда прилива в устье реки составляет 14 м. Плотина длиной 750 м ограничивает
бассейн площадью 22 кв. км, который содержит 180 млн. куб.м. полезной воды. Другая
крупная приливная электростанция мощностью 20 МВт расположена в Аннаполис-Ройал,
в заливе Фанди (провинция Новая Шотландия, Канада). Она была официально открыта в
сентябре 1984 г. Система смонтирована на о.
Хогс в устье р. Аннаполис на основе уже
существующей дамбы, защищающей плодородные земли от затопления морской водой в
период штормов. Амплитуда прилива колеблется от 4,4 до 8,7 м.
Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства
энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение
суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с
другими типами электростанций.
37
Источник: http://geosite.com.ru/pageid-299-3.html
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
66
3.4.1.2. Экологические аспекты использования энергии приливов
Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду будет связано
с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это может приводить
к затоплению суши и сооружений при высоких приливах или во время штормов и к
вторжению солёной воды в устья рек и подземные водоносные слои. Водные пищевые
цепи и сообщества организмов в приливной зоне могут пострадать в результате изменения
уровня воды и усилившихся течений, как за плотиной, так и перед ней; для водных
организмов небезопасно так же прохождение через турбины.
Следует так же упомянуть ещё одну отрицательную черту приливной энергии – то, что её
выработка непостоянна. При обычной эксплуатации приливной энергии электричество
вырабатывается только в начале прилива (или отлива). Эта циклическая выработка
энергии вряд ли будет соответствовать суточным циклам потребности в ней. Пиковая
потребность и пиковая выработка могут иногда совпадать, так как часы приливов
сдвигаются по мере смены времён года, но чаще такого совпадения не будет. Это
означает, что выработка энергии другими, центральными, станциями должна снижаться,
когда темп приливной выработки достигает максимума, и возрастать, когда он падает. На
электростанции «Ла-Ранс» эту задачу выполняет компьютер.
38
3.4.2. Энергия волн и океанских течений
3.4.2.1. Современное состояние и тенденции развития
Энергия морских волн значительно выше энергии приливов. Приливное рассеяние
(трение, вызванное Луной) составляет порядка 2,5 ТВт. Энергия ветровых волн суммарно
оценивается в 2,7 млрд. кВт в год. Страны с большой протяженностью побережья и
постоянными сильными ветрами, такие как Великобритания и Ирландия, могут
генерировать до 5 % требуемой электроэнергии за счет энергии волн. Избыток
генерируемой энергии (общая проблема всех непостоянных источников энергии) может
быть использована для выработки водорода или алюминия.
39
Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока
более 1 м/с. При этом мощность от 1 кв. м поперечного сечения потока составляет около 1
кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как
38
Источник: по данным материала, посвященного изучению темы «Энергии океана», http://www.edu-
zone.net/show/196793.html
39
Источник:
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F_%D0%B2%D0
%BE%D0%BB%D0%BD
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
67
Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб. м/с воды со скоростью
до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб. м/с, скорость до 1, 8 м/с).
Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-
Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений
связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических
установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.
В некоторых шельфовых акваториях волновая энергия достигает значительной
концентрации: в США и Японии – около 40 кВт на метр волнового фронта, а на западном
побережье Великобритании – даже 80 кВт на 1 метр. Использование этой энергии, хотя и
в местных масштабах, уже начато в Великобритании и Японии. Британские острова
имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в
течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в
английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что
вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому
центральному электроэнергетическому управлению.
40
В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания
автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут
быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов,
марикультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В
мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых
установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В
Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью
850 кВт.
Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории
океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в
которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается,
что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80
кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими
электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается
значительное снижение ее стоимости.
41
40
Источник: http://geosite.com.ru/pageid-299-3.html
41
Источник: http://www.o8ode.ru/article/o8ode/ezze/energia_voln.htm
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
68
Таблица 7 Оценка основных преимуществ и недостатков данного сегмента
отрасли АИЭ
Преимущества Недостатки
Непрерывная возобновляемость
гидроэнергетических ресурсов;
Большой гидропотенциал в мире, и в
Казахстане, где он составляет около 170 ТВт
в год;
Разработка и внедрение перспективных
проектов по развитию малой гидроэнергетики
в РК;
Низкая себестоимость вырабатываемой на
ГЭС электроэнергии;
Экологичность работы ПЭС (приливных
электролстанций);
Низкая себестоимость производства энергии
с
помощью ПЭС;
Происходит отчетливая миграция
гидроэнергетики в развивающиеся страны,
где велик неосвоенный гидропотенциал и
экологические соображения играют меньшую
роль.
Водохранилища влияют на водообмен и
самоочищаемость рек;
Плотины нарушают условия жизни
обитателей вод;
Высокая стоимость строительства ПЭС и
изменяющаяся в течение суток
мощность, из-за чего ПЭС
может
работать только в единой энергосистеме
с другими типами электростанций;
Строительство приливных
электростанций негативным образом
отражается на водные пищевые цепи и
сообщества организмов, обитающих в
приливной зоне.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
69
3.5. Развитие гидроэнергетики в странах СНГ
Гидроэнергетика в странах СНГ развита довольно неплохо. Малые и крупные ГРЭС
получили широкое распространение на всем постсоветском пространстве.
Безусловным лидером на этом рынке среди бывших стран Союза является Российская
Федерация, которая по мощности гидростанций также входит в пятерку ведущих стран
мира.
Сегодняшний гидроэнергетический комплекс России – это свыше 80 гидроэлектростанций
(кроме малых ГЭС) общей установленной мощностью около 46 тыс. МВт и
среднемноголетней выработкой 180 млрд. кВт/ч в год, что составляет соответственно 22%
и 18,6% по мощности и выработке от всех электростанций России.
Ожидая скорого принятия новых законов в области возобновляемой энергии, российские
и зарубежные инвесторы изучают возможности капиталовложений в гидроэнергетику.
Например, японская «Mitsui» и норвежская «Statkraft» рассматривают предложения по
строительству на Северном Кавказе гидроэнергетических установок.
Кроме того, Россия стала первой страной, где была установлена первая в мире приливная
электростанция. И до настоящего момента страна сохранила за собой лидирующие
позиции по энергетическим мощностям, выработанными ПЭС. На сегодняшний день на
территории РФ действует Кислогубская приливная электростанция мощностью 1,5 МВт.
До 2020 года также планируется возвести Мезенскую ПЭС, а в Хабаровском крае до 2030
года – Тугурскую ПЭС.
Энергетический потенциал волн в России не используется, хотя соответствующие
ресурсы имеются. Технический потенциал волновой энергии Баренцева и Белого морей
при КПД 60% равен примерно 450 млрд. кВт ч/год, а для прибрежной зоны Кольского
полуострова шириной 10 км для Баренцева моря
1,2 млрд. кВт ч и для Белого моря 0,4
млрд. кВт ч. Проектные мощности волновых станций для этих областей составляют 230
МВт и 100 МВт.
Кроме РФ подобными ресурсами на территории стран СНГ не обладает ни одна страна.
Украина, Казахстан и Азербайджан имеют выход к морю, но исследования с целью
оценить имеющийся потенциал в
этих странах не проводились. Другие же участники
Содружества и вовсе не имеют в своем распоряжении каких-либо морских и океанических
территорий.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
70
3.6. Технологии в гидроэнергетике
В ГЭС кинетическая энергия падающей воды используется для производства
электроэнергии. Турбина и генератор преобразовывают энергию воды в
механическую энергию, а затем - в электроэнергию. Турбины и генераторы
установлены либо в самой дамбе, либо рядом с ней. Иногда используется
трубопровод, чтобы подвести воду, находящуюся под давлением, ниже уровня
дамбы или к водозаборному гидроузлу ГЭС. Мощность ГЭС определяется,
прежде всего, по функции двух переменных: расход воды, выраженный в
кубических метрах в секунду (м
3
/с), и гидростатический напор, который является
разностью высот между начальной и конечной точкой падения воды. Проект
станции может основываться на одной из этих переменных или на обеих.
Схема 2 Процесс работы гидроэлектростанции
С точки зрения превращения энергии,
гидроэнергетика - технология с очень
высоким КПД, зачастую превышающем
более чем в два раза КПД обычных
теплоэлектростанций. Причина в том, что
объем воды, падающий вертикально, несет в
себе большой заряд кинетической энергии,
которую можно легко преобразовать в
механическую (вращательную) энергию,
необходимую для производства
электричества. Оборудование для
гидроэнергетики достаточно хорошо разработано, относительно простое и очень
надёжное. Поскольку никакая теплота в процессе не присутствует (в отличие от
процесса горения), оборудование имеет продолжительный срок службы, редко
случаются сбои. Срок службы ГЭС - более 50 лет. Многие станции, построенные
в двадцатые годы ХХ века - первый этап расцвета гидроэнергетики - все еще в
действии.
Так как всеми существенными рабочими процессами можно управлять и
контролировать их дистанционно через центральный узел управления,
непосредственно на месте требуется небольшой технический персонал. В
настоящее время накоплен уже значительный опыт по работе ГЭС мощностью от
1 кВт до сотен МВт.