24 ноября 2010 г., МГУ, Москва ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГИЯ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ Д.т.н., проф. Попель О.С. Председатель Научного совета РАН по альтернативным возобновляемым источникам энергии Руководитель Лаборатории возобновляемых источников энергии и энергосбережения ОИВТ РАН Тел./факс: (495) , Объединенный институт высоких температур РАН Объединенный институт высоких температур РАН Седьмая Всероссийская научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии»

СОДЕРЖАНИЕ 1. ВИЭ и их особенности 2. Основные движущие силы развития ВИЭ в мире 3. Особенности энергетики России 4. Приоритетные ниши практического использования ВИЭ в России

1. ВИЭ и их особенности

Энергетический баланс Земли Источники энергии Промежуточные формы энергии Мощность, ТВт, (%) Потоки энергии в космическое пространство Солнечное излучение ТВт Прямое отражение ТВт (30%) Коротковолновое излучение Преобразование в тепло ТВт (45%) Длинноволновое излучение Испарение воды ТВт (22%) Ветер и волны ТВт (2%) Фотосинтез 40 ТВт Приливы 3 ТВт Геотермальная энергия Вулканы и самоизливающиеся горячие источники 0,3 ТВт Тепловой поток из ядра Земли 32 ТВт

ДОСТОИНСТВА ВИЭ - Практическая неограниченность ресурсов - Более менее равномерное распределение ресурсов по миру - Экологическая чистота НЕДОСТАТКИ ВИЭ - Нестабильность энергетических потоков (солнце, ветер, гидро) - Низкая плотность энергетических потоков - солнечное излучение в полдень ясного дня -1 к Вт/м 2, среднегодовая плотность потока < 250 Вт/м 2 (для средней полосы России – 120 Вт/м 2 ). - ветровой поток при скорости ветра 10 м/с Вт/м 2. - водный поток при скорости 1 м/с Вт/м 2. Для сравнения: плотность теплового потока на стенки топки парового котла достигает нескольких сотен к Вт/м 2. В результате – высокая материалоемкость и высокая стоимость

Основные сферы энергетического использования ВИЭ: - производство электроэнергии; - производство тепла и холода; - производство альтернативных топлив, прежде всего, биотопливо. Разрабатывается широкий спектр различных технологий преобразования энергии, причем одни и те же первичные НВИЭ могут быть эффективно применены для получения разных полезных энергетических продуктов. ИННОВАЦИОНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИЭ - технологии термодинамического и прямого фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в электроэнергию; - технологии солнечного горячего водоснабжения, отопления, сушки и холодоснабжения на основе использования эффективных солнечных коллекторов; - технологии преобразования энергии ветровых потоков в электроэнергию; - технологии геотермального теплоснабжения и производства электроэнергии; - технологии энергетической переработки биомассы с получением альтернативных твердых (топливные брикеты), жидких и газообразных топлив; - технологии энергетической переработки биомассы с получением альтернативных твердых (топливные брикеты), жидких и газообразных топлив; - технологии преобразования энергии малых водных потоков в электроэнергию; - технологии преобразования энергии морских приливов и морских волн; - технологии использования природного и сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью тепловых насосов.

Пример: многообразие первичных источников биоэнергетического сырья

Пер. с англ. под редакцией С.П. Малышенко, О.С. Попеля НЕДАВНО ВЫШЕДШИЙ ПЕРЕВОД КНИГИ Заказ: Издательский дом «Интеллект» Тел. (495) ; Содержание Глава 1. Общие понятия Глава 2. Основы термодинамики и кинетической теории газов Глава 3. Механические тепловые двигатели Глава 4. Океанские тепловые преобразователи энергии Глава 5. Термоэлектричество Глава 6. Термоионные преобразователи Глава 7. Топливные элементы Глава 8. Получение водорода Глава 9. Хранение водорода Глава 10. Солнечное излучение Глава 11. Биомасса Глава 12. Фотоэлектрические преобразователи Глава 13. Ветроэнергетика Глава 14. Преобразователи энергии океана

2. Основные движущие силы развития ВИЭ в мире А. Как обеспечить возрастающие энергетические потребности быстро растущего населения мира? Изменение населения развитых и развивающихся стран В начале ХХI века мировое потребление энергии превысило 500 ЭДж/год (1 ЭДж = Дж) или около 12 млрд. т н.э./год. По различным прогнозам к 2020 г. энергопотребление возрастет более чем в полтора раза, в первую очередь, за счет развивающихся стран.

1. Основные движущие силы развития ВИЭ в мире В. Как обеспечить экологическую безопасность? Масштабы современной энергетики пока еще малы в рамках природного энергетического баланса: потребление энергии человечеством составляет всего около 2/10000 суммарного поступления энергии солнечного излучения на поверхность Земли. Вместе с тем, в сравнении с энергией, идущей на процессы фотосинтеза (около 40 ТВт), мировая энергетика соизмерима и, по оценкам, достигает около 30% от нее, что указывает на принципиальную возможность заметного глобального влияния энергетики на биосферу. Энергетика ответственна примерно за 50% всех вредных антропогенных выбросов в окружающую среду, в том числе парниковых газов. - ВИЭ более экологически безопасны, чем традиционные источники. Г. Забота о будущих поколениях Энергетика – крайне инерционная сфера экономики, продвижение новых энергетических технологий занимает десятки лет – необходима диверсификация первичных источников энергии, в том числе за счет разумного использования перспективных ВИЭ. Д. Значительные успехи в развитии технологий энергетического использования ВИЭ и существенное улучшение их технико-экономических показателей, достигнутое в последнее десятилетие. $2007/к Вт ¢2007/кВт ч

3. Особенности энергетики России Баланс энергоресурсов России В 2009 году суммарное производство ТЭР в России превысило 1800 млн т у.т., а внутреннее потребление – 990 млн т у.т., экспорт – около 800 млн т у.т. Россия – крупнейший экспортер энергоресурсов! Из всей добываемой в России нефти почти 80% экспортируется! Нефтегазовый комплекс страны обеспечивает около 17% российского ВВП и более 40% доходов консолидированного бюджета страны! Россия занимает лидирующее место в мире по запасам традиционных ТЭР: 1 место по природному газу (23% мировых запасов); 2 место по запасам угля ( 19% мировых запасов); 5-7 место по запасам нефти (4-5% мировых запасов); Уран – 8% мировой добычи природного урана Интегрально с международными обязательствами по экологии тоже все более менее благополучно! Казалось бы все прекрасно и удивительно – зачем России нужны какие-то ВИЭ? Сокращение выбросов парниковых газов в России (РКИК ООН; McKinsey)

Централизованное и автономное энергоснабжение на территории России 2. Особенности энергетики России

Аргументы в обоснование необходимости расширения масштабов использования НВИЭ 1. 2/3 территории страны - вне сетей централизованного энергоснабжения (население около 20 млн чел., районы с наиболее высокими ценами и тарифами на топливо и энергию (более 25 руб./кВт ч)); 2. Более 50% регионов страны энергодефицитны (завоз топлива, импорт э/э) – задача повышения региональной энергетической безопасности; 3. Газифицировано около 50% населенных пунктов (в сельской местности – менее 35%); 4. Котельные на угле и жидком топливе – локальные загрязнители окружающей среды. 5. Автономная энергетика развивается опережающими темпами – ввод за последние 10 лет дизельных и бензогенераторов единичной мощностью до 100 к Вт превышает ввод крупных электростанций! Этот спрос желательно стремиться удовлетворять за счет НВИЭ. 1. Автономное энергоснабжение – приоритетная ниша экономически эффективного практического использования НВИЭ в России; 2. Государственная политика должна учитывать данный факт и стимулировать развитие НВИЭ прежде всего в этой сфере; 3. В этой сфере есть шанс занять лидирующие технологические позиции в мире. 2. Особенности энергетики России

4. Приоритетные ниши практического использования ВИЭ в России Впервые в России установлены индикаторы развития НВИЭ ( Распоряжение Правительства РФ от 8 января 2009 года 1-р ) 2020 г. – 4,5% производства электроэнергии в стране Впервые в России установлены индикаторы развития НВИЭ ( Распоряжение Правительства РФ от 8 января 2009 года 1-р ): 2020 г. – 4,5% производства электроэнергии в стране Энергоустановки (до 25 МВт) Выработка э/э Мощность 2005 г.2010 г.2015 г.2020 г. Малые и микро-ГЭС млрд. кВт ч МВт 2,86803, Ветроустановки МВт 0, ,211202, ,67000 Геотермальные энергоустановки млрд. кВт ч МВт 0,4710,6902,03006,0750 Энергоустановки на биомассе млрд. кВт ч МВт 5, , ,97850 Приливные энергоустановки млрд. кВт ч МВт 0,001,50,001,50,024122,34500 Солнечные энергоустановки млрд. кВт ч МВт 0,000020,020,000030,020,0021,50,01812,1 Волновые и др. энергоустановки млрд. кВт ч МВт 00000,08200,5250 Доля НВИЭ в производстве э/э (без крупных ГЭС) %0,91,52,54,5 Данные «Рус Гидро» За 10 лет должно быть введено 25 ГВт, что потребует не менее $75 млрд. частных и бюджетных инвестиций. Задача государства – найти оптимальный вариант стимулирования частных инвестиций с минимальным «управляющим» вкладом бюджетных средств

Среднегодовое дневное поступление прямой солнечной радиации на следящие за Солнцем поверхности, кВт ч/(м 2 день)

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ И ПРЯМОЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ Башенные СЭС PS10 (11 МВт) и PS20 (20 МВт) вблизи г. Севилья, Испания Вид типичного параболоидного солнечного концентратора с двигателем Стирлинга и СЭС на их основе Комплекс СЭС суммарной мощностью 150 МВт с параболоцилиндрическими концентраторами в Калифорнии, США (Solar Energy Generating Systems (SEGS))

Динамика изменения установленной мощности действующих и проектируемых тепловых СЭС Прогресс в области создания ФЭП за последние 10 лет Фактическое и прогнозное снижение стоимости фотоэлектрических модулей в зависимости от объема производства Доля спектра солнечного излучения, преобразуемая кремниевыми солнечными элементами Увеличение доли солнечного спектра, преобразуемого каскадным ФЭП с тремя р-n переходами в GaInP, GaInAs и Ge T = 6000 K

ТЕХНОЛОГИИ СОЛНЕЧНОГО ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ, ОТОПЛЕНИЯ, СУШКИ И ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Солнечные кухни (Индия)

Испытания солнечных коллекторов Solar houses Солнечные коллекторы из теплостойких полимеров Разработка новых типов солнечных коллекторов Цель: Цена - < $100/m 2 ; Вес - < 15 kg/m 2 «Солнечные» дома ОИВТ РАН

ТЕХНОЛОГИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРОВЫХ ПОТОКОВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ

Два принципиальных направления использования энергии ветра: 1. Автономные энергоустановки (N = 0,2…100 к Вт) 2. Сетевые энергоустановки – ветровые фермы (N = 1…100 МВт ) В России есть несколько фирм, активно продвигающих малые автономные ветроустановки на рынок. Проблемы: высокая стоимость и N v 3 Сетевые энергоустановки представляют несомненный интерес, но отечественные разработки отстали. Актуальна организация в России производства сетевых ВЭУ мегаваттного класса по лицензиям. Несколько инвесторов активно работают в этом направлении

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК Категория Мощность, к ВтПримеры потребителей МАЛЫЕ0,1 – 1,0 Автономное освещение, Навигационные знаки; Ретрансляторы, Метеостанции и др. мониторинговые станции и т.п. СРЕДНИЕ1 – 10 Телекоммуникационные системы, Катодная защита трубопроводов и др. металлоконструкций, Насосные станции, Жилища, Погранзаставы и т.п. КРУПНЫЕ10 – 100 Автономные поселения, Фермы, Туристические лагеря, Лагеря беженцев, и др.

Первичные источники энергии (ветер, солнце, др.) Система аккумулирования энергии и вторичные источники энергии и мощности Электричество Тепло Холод Система сопряжения и автоматического управления время мощность ПРОИЗВОДСТВОПОТРЕБЛЕНИЕ КОНЦЕПЦИЯ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ПРОБЛЕМЫ: - Оптимальная конфигурация и состав системы - Оптимальное согласование режимов производства, аккумулирования и потребления энергии Оптимальное управление процессами преобразования энергии ( mini smart grid ! ) Минимальная стоимость системы! - Оптимальное согласование режимов производства, аккумулирования и потребления энергии - Оптимальное управление процессами преобразования энергии ( mini smart grid ! ) Минимальная стоимость системы!

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ ВЕТРО-СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК 120 м 4. Система наблюдения с автономной энергоустановкой (охрана сухопутных и морских границ, периметров крупных предприятий и т.п.) 3. Ретранслятор (типовой) сотовой связи Виды нагрузок: - - Основное электронное оборудование - - Система кондиционирования (тепло/холод), обеспечивающая требуемые температурно- влажностные режимы эксплуатации электронного оборудования 2. Катодная защита 1. Автономное освещение N = 0,5 – 10 к Вт N = 0,1 – 0,5 к Вт

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ (геотермальное теплоснабжение, геотермальные электростанции, прежде всего, бинарные) (геотермальное теплоснабжение, геотермальные электростанции, прежде всего, бинарные) Мутновская ГеоЭС 50 (2×25) МВт

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Верхне-Мутновская ГеоЭС зимой

Бинарные ГеоЭС I – geothermal well, II, IV –separators, III –steam turbine, V, VI –heat exchangers, VII – turbine using low boiling working media, VIII –air cooled heat exchanger-condenser, IX –pump, X –mixer, XI – throttle Generalized scheme of a combined GeoPP 5. Заключение 2-я очередь Мутновской ГеоЭС ЛЭП-220 кВ A view of Verkhne-Mutnovskaya 12 MW Binary Geothermal Power Plant for Kamchatka Использование низкокипящих рабочих тел

Распределение деревоперерабатывающих предприятий по территории России (древесные отходы) В 2009 году производство древесных пеллет в России достигнет 2 млн т в год, но почти все на экспорт в Европу!

Распределение гидроэнергетических ресурсов России

Размещение действующих и проектируемых приливных электростанций России: 1. Кислогубская, 2. Лумбовская, 3. Кольская, 4. Мезенская, 5. Тугурская, 6. Пенжинская Кислогубская ПЭС с новым ортогональным гидроагрегатом (1,5 МВт) Пенжинская ПЭС, мощностью 87 ГВт (проектные материалы)

Пример по экономике использования ВИЭ Себестоимость электроэнергии от оптимально сконфигурированной ветро-солнечной автономной энергоустановки на территории России, центы/кВт ч

Развитие НВИЭ в России – важный фактор модернизации экономики - - развитие инновационных производств; - - новые инновационные технологии; - - развитие малого и среднего бизнеса; - новые рабочие места; - - улучшение социальных условий; - - улучшение экологии и т.п. Государство должно быть заинтересованным в развитии НВИЭ и активно содействовать развитию этого нового направления в энергетике, прежде всего путем создания стимулов для бизнеса! Участие государства в развитии НВИЭ – не благотворительность за счет налогоплательщика, а «государственный бизнес». Каждый затраченный бюджетный рубль должен стать «окупаемым», может и должен приносить прибыль в бюджет! Это становится реальным, когда интересы государства и бизнеса совпадают и оба партнера получают прибыль.

К вопросу об оптимизации бюджетной надбавки к оптовой цене По оценкам, при бюджетной надбавке для ВЭС на уровне 2,5 руб./кВт ч на 1 руб./кВт ч бюджетных затрат возможно получение бюджетной прибыли на уровне 1,4 руб/кВт ч ! Инвестиции/Установленная мощность Надбавка к цене оптового рынка, руб/кВт ч С* С* С0 С0 С0 С0 Бюджетные затраты Налоговые доходы бюджета Бюджетная прибыль Зона отрицательной рентабельности инвестиций

НЕДАВНО ВЫШЕДШИЕ ПУБЛИКАЦИИ Заказ: Издательский дом «Интеллект» Тел. (495) ;