Н. Г. Сычев Основы энергосбережения Учебное пособие
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Житомир 2001 удк 33: 007. Основы экономической кибернетики. Учебное, 3745.06kb.
- Е. Г. Степанов Основы курортологии Учебное пособие, 3763.22kb.
- Н. Ю. Каменская основы финансового менеджмента учебное пособие, 1952.65kb.
- Н. Ю. Каменская основы стратегического менеджмента учебное пособие, 2151.46kb.
- О. А. Ломовцева Основы антимонопольной деятельности Учебное пособие, 1390.1kb.
- Учебное пособие 2002, 2794.97kb.
- Учебное пособие рассмотрено и одобрено на заседании кафедры экономики и управления, 1175.93kb.
- И. И. Ползунова Бийский технологический институт Л. Г. Миляева основы планирования, 1373.58kb.
- Т. Ф. Киселева теоретические основы консервирования учебное пособие, 2450.86kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «основы маркетинга» Учебное пособие, 2315.48kb.
2.2.1. Биоэнергия
Наибольшее применение в практике ЕС пока получила переработка биомассы в электроэнергию, тепло и в моторное топливо. Источниками ее получения служат разлагаемые отходы сельского хозяйства (солома, навоз, трава и др.) и лесного промысла (опилки, щепки, кора, сучья); продовольственные и непродовольственные сельхозкультуры и продукты их переработки кукуруза, пшеница, ячмень, крахмал, рапс, животный жир, подсолнечник, вино, сорго и др.); некоторые быстрорастущие деревья и кустарники (ива, береза, тополь и др.), а также фракции промышленного и коммунального мусора, содержащие клетчатку. Достоинства биомассы - широкая доступность, относительно низкая стоимость и множественность путей переработки в конечный энергопродукт (от сжигания до использования анаэробных бактерий). Поэтому уже в 2004 г. за счет этого источника покрывалось 4.2% первичного энергопредложения в ЕС (70 млн. т н.э.) с перспективой роста до 150 млн. т н.э. в 2010 г.
Биомасса используется в основном в небольших агрегатах по локальному энерго- и теплоснабжению, но главные надежды связываются с ее применением для изготовления моторного топлива - на базе ее переработки производятся биодизель (из растительных или животных жиров), биоэтанол (путем ферментации сельхозкультур, содержащих сахарозу и крахмал) и биогаз. За последние десять лет производство биоэтанола в ЕС выросло с 47 тыс. т до 1.34 млн. т, производство биодизельного топлива достигло 16 млн. т. Сейчас они используются как присадки к бензину и дизельному топливу в размере 5-15%, но в перспективе предполагается расширить сферу их применения.
Вместе с тем, увлечение биотопливом может привести к уничтожению лесов и кустарников и, более того, возникновению дефицита по ряду пищевых продуктов (зерно, масло, вино). Предвестником этого стал рост цен на продовольствие, наблюдавшийся в 2006-2007 гг. Как отмечают эксперты IЕА, конкуренция за использование сельскохозяйственного сырья и отвлечение его на рынок биотоплива остается одной из главных причин высокого уровня цен на продовольствие. Поэтому акцент ныне делается на производстве биотоплива "второго поколения" - из непищевого сырья и специально культивируемых морских водорослей. Кроме того, предполагается ограничить сельхозплощади, занятые биотопливными культурами, тем более что сжигание биотоплива в традиционных сельских условиях (печи, котлы и т .п.) малоэффективно.
2.2.2. Ветоэнергетика
Второй по значению и особенно быстрорастущий возобновляемый источник - кинетическая энергия ветра, используемая для производства электроэнергии. Начиная с 1980 г. установленная мощность ветровых турбин в ЕС выросла в 290 раз, а стоимость генерации за тот же период снизилась на 80%. К 2020 г. мощность ветровых установок намечено довести с нынешних 40 до 180 млн. кВт. Производство электроэнергии на них достигнет 425 млн. кВт-ч.
Преимущества такого способа получения энергии обусловлены практически неисчерпаемым потенциалом ветра, повышением технологичности монтажа установок и техобслуживания. Но есть и недостатки. Ограниченность мест с ветром необходимой силы и постоянства и связанная с этим неравномерность выработки электроэнергии предопределяют сложность подключения ветротурбин к регулярным сетям снабжения и необходимость их дополнения накопительными батареями. Ожидается, что на рубеже 2010 г. производство электроэнергии на ветроустановках превысит ее объемы, генерируемые крупными ГЭС, а к 2030 г. покроет 60% общего прироста электрических мощностей в ЕС. С целью экономии земельных площадей и достижения большей силы и постоянства поддува начато перемещение ветроустановок большой мощности на морские оффшорные платформы, которые, как ожидается, смогут производить 27% всей ветровой энергии в Евросоюзе. В республике Беларусь в настоящее время действуют 3 ветро-энергетические установки. Строительство этих установок будет расширятся. Специалисты прогнозируют, что через лет 15 мощность ветроэнергетических установок будет равна мощности гидростанций.
2.2.3. Солнечная энергетика
Не менее перспективной видится ныне и утилизация энергии Солнца (гелиоэнергии) для производства электроэнергии и тепла. Только для получения тепла ее используют ныне миллионы семей в странах ЕС. В 2008 г. установленная мощность коллекторов достигла 15 ГВт тепла против 10 ГВт в 2004 г. и 5 - в 1997-м. Солнечные панели стали ныне неотъемлемой частью новых (и не только) зданий и сооружений, что технически позволяет уже сейчас обеспечивать их обитателей на 100% горячей водой и существенными ресурсами для пространственного отопления, а также кондиционирования воздуха. Современные солнечные коллекторы дают возможность получать тепло в диапазоне 60-100 °С, что делает их пригодными к эксплуатации не только в быту, но и в промышленности. Стоимость солнечного коллектора площадью 6 кв. м около 1500 дол. США и его производительность достаточна для обеспечения энергией семьи из 4 человек.
Гелиоэнергетику, так же как и ветровую, отличают доступность источников получения энергии, технологичность монтажа и обслуживания оборудования. Энергия Солнца может стать альтернативой мазуту и газу как источникам низкотемпературного тепла. Однако следует учитывать, что уровень располагаемой солнечной радиации значительно колеблется в зависимости от географии установок, сезона и погоды - на юге ЕС они оказываются на 20% эффективнее, чем на севере.
До сих пор не решена и проблема стабильного съема тепла и электроэнергии с гелиоустановок. Развитие здесь идет в направлении получения концентрированной тепловой энергии посредством применения параболических сборников мощностью 50-200 МВт тепла, сооружения башен-сборников мощностью 16-17 МВт тепла (до 50 МВт в перспективе) для более полного улавливания солнечных лучей, а также создания установок, гибко ориентированных на максимум освещения. Такие установки, обладающие теми же достоинствами и недостатками, что и тепловые, представляют собой щиты с кристаллическим или пленочным покрытием из кремния или редких металлов и используются в основном для локального электроснабжения. В ЕС их рынок ежегодно увеличивается на 35% в год, а значит, в перспективе цены гелиоэлектроэнергии могут приблизиться к пиковым ценам традиционной энергии Как ожидается, в 2020 г. гелиустановки будут обеспечивать до 12% общего производства электроэнергии в ЕС.
2.2.4. Малая гидроэнергетика
Гидроресурсы для сооружения крупных ГЭС в Европе уже практически исчерпаны. РБ также не может сооружать крупные ГЭС, так как поверхность земли на всей территории страны преимущественно равнинная, а это чревато затоплением больших площадей. Поэтому внимание ныне сосредоточивается на малой гидроэнергетике, работающей от силы течения малых рек, каналов и т.п. и дающей до 10% общего объема гидроэлектроэнергии в ЕС. Для этого используются плотины с небольшим подпором воды, подводное размещение гидроагрегатов по течению рек или "гирляндные" электростанции в виде лопастей, вращающихся на погруженных тросах. В 2007 г. в странах Евросоюза насчитывалось уже свыше 17 тыс. малых ГЭС общей установленной мощностью в 11 ГВт, но это далеко не исчерпывает имеющийся потенциал, который определяется в 27 ГВт/ч в год. Применительно к Республике Беларусь здесь имеется простор для творчества специалистов – энергетиков: страна располагает достаточно большим количеством рек, энергия которых сегодня практически не используется.
Малая электроэнергетика обладает рядом преимуществ: доступностью локальной речной сети, малой стоимостью техобслуживания, управляемостью объемов получаемой энергии, наличием уже разработанных наборов стандартного оборудования. Нет необходимости сооружать крупные водохранилища, выводящие из эксплуатации продуктивные земли. Наконец, установки малой энергетики экологически нейтральны - возможное негативное воздействие на миграцию рыбы нейтрализуется сооружением обходных "рыбоводов".
2.2.5. Геотермальная энергетика
Помимо названных источников в европейских странах также активно используют геотермальную энергию и приступают к освоению энергии океана (приливной, волновой и пр.). Геотермальная энергия применяется в основном для локального отопления (климатизации) и борьбы со льдом на дорогах и взлетных полосах. Совокупная мощность основанных на ней установок на территории ЕС достигает ныне 820 МВт. Положительные стороны такого вида энергии - постоянство поступления, экологическая чистота, отлаженность оборудования для улавливания, независимость от погоды и климата; отрицательные неравномерность поступления тепла и его низкие температуры. Отсюда необходимость дополнения улавливающих установок аккумулирующими устройствами. Поэтому технический прогресс здесь направлен не только на освоение поверхностных выходов горячей воды и пара, но и на бурение специальных скважин к высокотемпературным участкам земной коры с прогонкой по ним воды (это уже дает до 4500 МВт тепла). Важное значение приобретает также установка тепловых насосов позволяющих отбирать тепло Земли даже при температуре среды до 3-15°С, причем как из вода, так и из почвы. Предполагается, что на территории ЕС таким путем можно собирать 1500 МВт тепловой энергии. Согласно прогнозам, издержки производства геотермальной энергии к 2020 г. снизятся до 0.02-0.05 долл./кВт-ч, сто сделает ее конкурентоспособной по отношению к иным источникам локального электроснабжения.
Технология отбора энергии океана в ЕС пока носит экспериментальный характер и не выдерживает конкуренции с другими возобновляемыми источниками энергии. Существует ряд демонстрационных проектов приливных электростанций, но основные усилия разработчиков в них сосредоточены на освоении механической энергии волн, благо между 40-й и 60-й параллелями, где расположено побережье ЕС, она максимальна. Предполагается, что страны Евросоюза в итоге могут получать из этого источника до 7 ТВт-ч энергии в год при установленной мощности оборудования в 200 тыс. МВт. Ученые рассчитывают также на "приручение" со временем энергии морских течений и тепла морской воды. Пока же, к примеру, Франция получает 520 ГВт-ч электроэнергии в год за счет приливных электростанций.
2.2.6. Водородная и термоядерная энергетика
Вместе с тем в центр внимания выдвигается проблема освоения не только уже известных источников энергии, но и действительно новых - водорода и термоядерной реакции, которые уже рассматриваются как реальные элементы неуглеродной энергетики будущего. Обладая всего одним протоном и одним электроном, водород является простейшим и наиболее распространенным химическим элементом и энергоносителем во Вселенной и на Земле. "Заманчивость водорода в этом качестве состоит в наличии экологически чистых способов получения и прямого преобразования энергии его окисления в электрическую и тепловую энергию с достаточно высоким кпд. В сфере транспорта оно реализуется через установку на автомобилях топливных элементов с КПД 60% против 20-30% -для двигателей внутреннего сгорания. Это принципиально новое топливо уже применяется в экспериментальном порядке на общественном транспорте девяти крупных городов ЕС. Пока для его производства требуется больше энергии, чем оно само выделяет. К тому же сеть специализированных заправок для такого транспорта грозит стать очень дорогой. Однако уже с 2010 г. водород появляется как самостоятельная строка в энергетических прогнозах ЕС (0.2 млн. т н.э. в 2020г.)
Вопреки первоначальным ожиданиям термоядерная энергия сможет выйти на коммерческий рынок не ранее середины века, хотя для ее освоения уже строится экспериментальная установка в г. Кадараш (Франция). Обсуждаются по крайней мере еще пять концептуальных проектов термоядерных энергетических реакторов мощностью 1500 МВт каждый. Но пока атомная энергетика в ЕС основывается главным образом на реакции деления урана. Уже сейчас в электроэнергетике Евросоюза АЭС дают 30% энергии против 55% по газу и углю, 10% - по ГЭС и всего 5% по возобновляемым источникам энергии.
Наконец, стоит упомянуть и химические источники тока, которые пока используются в ЕС в форме аккумуляторных батарей, хотя и имеют свой обширный рынок в информатике, медицине и на транспорте. Здесь имеются большие надежды на новые аккумуляторные батареи, созданные с помощью нанотехнологий. Такие батареи имеют небольшой вес и время на подзарядку сокращается в десятки раз
За ускоренным развитием ВИЭ стоит не только технический прогресс, но и нехватка обычной энергии. По политическим соображениям они получают мощную бюджетную и административную поддержку в рамках "Новой энергетической политики ЕС". Однако не менее важно и то, что в возобновляемые источники начал верить бизнес - и в Европе, и в мире уже складывается обширный рынок соответствующего оборудования и услуг.
С 2005 г. в странах Евросоюза конечное потребление энергии из возобновляемых источников выросло с 87 млн. т н.э. до более чем 100 млн.т. н. э. Структура ее производства в 2007 г. представлена в табл. 2.4.
По оценке Сгееnpeace, инвестиции в развитие возобновляемых энергоносителей в ЕС выросли в 2007 г. почти до 70 млрд. долл. против 15 млрд. в 2004 г. Лишь сфера преобразования ветровой энергии ныне обеспечивает работой 180 тыс. человек, биотоплива - 150 тыс., малая гидроэнергетика - еще 20 тыс. человек. Только на одной установке по выработке солнечной тепловой энергии на 100 МВт могут быть использованы 400 человек и еще 630 - в порядке межотраслевых связей и т.д.
2.4. Структура производства энергии из
возобновляемых источников в ЕС-27
| Виды энергии | Доля в производстве, % |
| биомасса, в том числе | 67.8 |
| древесина | 52.2 |
| бытовые отходы | 8.2 |
| биотопливо | 3.8 |
| гидроэнергия | 22.0 |
| ветровая | 5.1 |
| геотермальная | 4.5 |
| солнечная | 0.7 |
Наряду с ростом внутреннего спроса возрастают и экспортные продажи, например, ограничиваемые в самом Евросоюзе продажи атомного энергетического оборудования. В настоящее время в мире строятся 29 атомных энергетических реакторов, готовятся к сооружению - 40 и планируются еще 70. Объем мирового рынка гелиоэлектрических установок уже превысил продажи полупроводниковых приборов. По прогнозам, к 2025 г. он достигнет 250 млрд. евро.
Среди крупных корпораций лидером здесь выступает Вritish Реtrolеum, которая в 2007 г. произвела 763 млн. галлонов биоэтанола и готовится к вводу мощностей еще на 420 млн. л в год. Она же строит в Испании гелиоэлектростанции на 14 МВт с перспективой роста мощности еще на 700 МВт, сооружает водородную энергоустановку в Абу-Даби на 420 МВт, имеет заказы на ветроэнергетическое оборудование в размере 340 МВт. Корпорация уже вложила в НИОКР в этой области 1.5 млрд. долл. и собирается вложить еще 8 млрд. в следующие десять лет 21. Интерес к альтернативной энергетике проявляют и нидерландские компании, которые в 2020 г. намерены вырабатывать на базе ВИЭ 30% тепла и 20% электроэнергии. Американский нефтяной гигант ExxonMobil готовится к росту спроса на солнечную и ветровую энергию. Ожидается, что в период до 2030 г. спрос на них будет увеличиваться век и еще 630 - в порядке межотраслевых связей и т.д.
Постепенно снижаются издержки производства альтернативной энергии, хотя пока они все еще намного выше, чем издержки традиционной (за исключением энергии ГЭС и АЭС). Так, стоимость электроэнергии, снимаемой с фотопреобразователей, снизилась с 0,55 – 1.1 долл./кВт-ч в 1990 г. до 0.22-0.44 долл. 2008 г. В перспективе ожидается ее дальнейшее падение до 0.11-0.12 долл. в 2020 г. и 0.13 долл./кВт-ч в 2030 г. Сократились сроки окупаемости бытовых тепловых насосов – в ФРГ, Швеции и Австрии они доведены до трех лет. КПД сгорания древесных гранул ныне достигает 85-95%. Только в ФРГ работает миллион котлов и печей, в которых в 2006 г. было сожжено 4 млн. т таких гранул. Установка солнечных панелей на крышах ряда домов в Кельне и 3игене(ФРГ) увеличила квартплату на 1.25-2 евро за кв. м, но дала экономию расходов на энергию в 50-70 евро. И таких примеров достаточно.
Иногда к снижению издержек ведет и рост единичных мощностей новых энергоустановок. В частности, в ФРГ мощность новых заводов производству древесных гранул доведен 1 млн. т в год, что привело к снижению их розничной цены - в настоящее время она составляет 290 евро за тонну. Гелиоэнергостанция под Лейпцигом состоит из 93 тыс. модулей и имеет мощность 40 МВт, крупнейшая станция в Португалии– из 52 тыс. при мощности - 11 МВт и т.д.
Табл.2 .5. Производство энергии из возобновляемых источников, млн. т н.э.
| | 2005 (факт) | 2020 (сценарии) | |||
| I | II | Ш | IV | ||
| Валовое производство энергии, в том числе | 896 | 725 | 774 | 733 | 763 |
| ВИЭ | 122 | 193 | 213 | 247 | |
| АЭС | 257 | 221 | 249 | 218 | 233 |
| Общий спрос на первичную энергию, в том числе | 1811 | 1968 | 1903 | 1701 | 1672 |
| ВИЭ | 123 | 97 | 221 | 270 | 274 |
| АЭС | 257 | 221 | 249 | 218 | 223 |
Сценарии: I - консервативный, при цене нефти 61 долл. за 1 барр.; 11 - тот же, при цене нефти 100 долл. за 1 барр.; 111 - оптимистический, при полной реализации мер "Новой энергетической политики" ЕС и цене нефти 61 долл. за 1 барр.; 1У - тот же, при цене нефти 100 долл. за 1 барр.
Более развернутые прогнозы на этот счет дает Европейский совет по возобновляемой энергии. По оптимистичным прогнозам доля ВИЭ в электропотреблении ЕС может составить 19.7% в 2010 г. и 33-40% в 2020 г. против 16% в 2006 г. Конечно, это еще не решение всех энергопроблем и не грядущая неуглеродная (малоуглеродная) революция в энергетике, но, безусловно, подспорье в их решении и перспективное направление технологического поиска.
Во-первых, "возобновляемые" еще не означает бескрайние или неисчерпаемые. Свои пределы имеют гидроресурсы, запасы уранового сырья ресурсы биомассы. Подчас использование какого-либо ресурса в сфере энергетики лишает возможности применения его в других отраслях. В частности, использование биомассы для снижения энергозависимости ЕС на пять процентных пунктов потребовало бы отведения под ее целевое выращивание до 20% агроплощадей .
Во-вторых, сам процесс получения энергии из этих источников нестабилен, что делает необходимым подсоединение к генерирующим установкам еще и резервных и накопительных мощностей. Иными словами, такая энергия (энергия ветра, Солнца, геотермальных вод), как правило, не годится для прямой передачи в стационарные сети электро- и теплоснабжения даже с целью покрытия пиковых нагрузок. Крайне разнородно и само исходное энергосырье. Например, даже по таким относительно гомогенным изделиям, как древесные гранулы, стандарты по размерам, плотности, влажности, зольности, теплоте сгорания, насыпной массе и пылевидности в Германии, Австрии и Швеции значительно различаются.
В-третьих, именно поэтому энергоустановки на возобновляемых источниках хороши пока лишь для ограниченного, локального энергоснабжения и с трудом поддаются кольцеванию или включению в стационарные энергосети. Есть у них свои пределы и по единичным установленным мощностям и коэффициентам загрузки. К примеру, Румыния имеет в малой гидроэнергетике мощности в 6.3 МВт, но они складываются из 1900 отдельных малых плотин и агрегатов. В Финляндии действуют 56 таких малых плотин, в Хорватии - 29. Строго локализованы и геотермальные установки, а биомассу вообще проще утилизировать на местах, чем транспортировать на крупные ТЭЦ.
В-четвертых, энергия из возобновляемых источников не имеет универсального применения - она заведомо адресна. Возобновляемые источники годятся в основном для получения либо электроэнергии (малая гидроэнергетика, приливы, волны, АЭС, ветер), либо тепла (геотермальная), либо энергии движения (водород).
В-пятых, сказанное о различиях в сфере применения справедливо и в отношении географии использования, которая охватывает не всю территорию ЕС, а, как правило, небольшую группу стран. Так, ветровые установки используются главным образом в Германии, Испании, Нидерландах, Дании, гелиоэнергетические - в Германии, Испании, Португалии, Греции. Приливные ГЭС эксплуатируются только во Франции, геотермальные источники - в Италии, Франции и Исландии, а непищевую биомассу сжигают в основном Центральная и Восточная Европа.
В-шестых, вектор стоимости энергии из возобновляемых источников вовсе не направлен однозначно на ее снижение. Необходимость выращивания пищевой биомассы не на плодородных землях, а на пустошах и неудобьях, конечно же, повышает издержки ее производства. Чем меньше дебит и напор воды, тем дороже малая гидроэнергетика. Например, в 2007 г. в Испании гелиоэлектроэнергия подорожала с установок мощностью менее 10 МВт - до 0.44 долл./кВт/ч. мощностью 10 МВт - до 0.42 долл./кВт/ч и свыше 10 МВт - до 0.23 долл./кВт/ч.
В-седьмых, энергоустановки для выработки альтернативной энергии пока еще имеют пилотный характер, поэтому в инвестициях непропорционально высокую долю занимает первоначальный монтаж. Например, в цене гелиоэлектрического модуля его собственная стоимость составляет только 75%, а 25% - затраты на установку.
В ЕС возобновляемые носители и получаемая с них энергия пока еще не стали предметом международной торговли. Несмотря на высокую энергозависимость, Евросоюз ограничивает импорт такой энергии. Слабы и ее перетоки внутри единого европейского рынка. По-видимому, это объясняется все тем же локальным характером использования альтернативной энергии, особенно тепла, а также ее нестандартным качеством и известными проблемами с ограниченностью мощностей по трансграничной передаче электроэнергии. Защищая внутреннего производителя и собственную энергобезопасность, ЕС существенно ограничивает, например, ввоз чужого топлива. За исключением сферы термоядерных исследований здесь слабо развивается и научно-техническое сотрудничество с третьими странами.
Традиционные углеводородные источники энергии не собираются сдавать своих позиций. Совершенствуются технологии ввода в хозяйственный оборот тяжелых видов нефти, битуминозных песчаников и газогидратов. Их запасы в мире примерно равны газонефтяным запасам. Модифицируются технологии "чистой" газификации угля, регенерации ядерного топлива, улавливания и повторного использования углерода и т.д. Главное же, впечатляющих успехов повсеместно достигает экономия энергии и именно она, а не возобновляемые источники, служит ныне главным компенсаторным фактором в энергобалансе.