"Мир, очевидно, стал бы еще худшим местом, если бы не усилия, которые человечество предпринимает для более масштабного использования возобновляемой энергии". Эти слова г-на М.Б. Берковского, генерального Секретаря Всемирной Солнечной комиссии, можно было бы взять вторым эпиграфом к данной статье. Действительно, цивилизованный мир с некоторых пор начал задумываться о том, какую цену он платит за свой комфорт - глобальное изменение климата, истощение углеводородных энергоресурсов и экологический ущерб, связанный с их использованием. Благополучная Западная Европа и США теперь серьезно обеспокоены предотвращением деградации окружающей среды и ее промышленного загрязнения, при сохранении современных темпов производства электроэнергии для обеспечения устойчивого развития. Именно поэтому, начиная с 90-х годов по инициативе ЮНЕСКО при поддержке государств-членов ООН и заинтересованных организаций, проводятся мероприятия по продвижению идеи широкого использования возобновляемых источников энергии и созданию конкурентного рынка в этой сфере.

Возобновляемые источники энергии

Солнце...

Если строго подходить к определению возобновляемых источников электроэнергии, то основным источником первичной энергии на Земле является Солнце, поскольку и движение атмосферного воздуха (ветер), и морские течения, и движение волн, и таяние льдов, и производство биомассы есть естественные преобразования солнечной энергии. Человечество научилось использовать эту естественным образом преобразованную энергию солнца в своих целях для получения электрической энергии с помощью ветроэнергетических установок, морских и волновых электростанций, электростанций на биомассе, и т.п.

Но традиционно в возобновляемой электроэнергетике солнечной энергией мы называем получение электричества либо в теплосиловых установках, где тепло от сгорания топлива заменяется потоком концентрированного солнечного излучения, либо в установках прямого преобразования солнечного излучения с помощью полупроводниковых фотоэлектропреобразователей. Причем специалисты утверждают, что системы прямого преобразования энергии Солнца в электрическую представляются наиболее перспективными и доступными из всех видов возобновляемых источников.

В конце 70-х - начале 80-х годов в разных странах мира было построено семь пилотных солнечных электростанций (СЭС), так называемого башенного типа с уровнем мощности от 0,5 до 10 МВт. Самая крупная СЭС мощностью 10 МВт (Solar One) была построена в Калифорнии. Эти СЭС были построены по одному принципу: поле размещенных на уровне земли зеркал-гелиостатов, следящих за солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на верху достаточно высокой башни. Ресивер представляет собой солнечный котел, в котором производится водяной пар средних параметров, направляемый потом в стандартную паровую турбину.

Существуют и другие проекты, в которых используется гибридная солнечно-топливная СЭС, мощностью 30 МВт с объемным ресивером, в котором подогревается атмосферный воздух, направляемый затем в паровой котел, где производится водяной пар, работающий в цикле Ренкина. На тракте воздуха от ресивера к котлу предусматривается горелка для сжигания природного газа, количество которого регулируется таким образом, чтобы в течение всего светового дня поддерживать заданную мощность. При этом стоимость электроэнергии вырабатываемой СЭС ожидалась на уровне ТЭС на органическом топливе.

В 90-ые годы в мире повысился интерес к фотоэлектрическим установкам (ФЭУ), непосредственно преобразующим солнечную радиацию в электроэнергию. Правда, стоимость электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими установками на сегодня в несколько раз выше, чем СЭС с тепловым циклом, но тем не менее ФЭУ активно внедряются как в развитых, так и в развивающихся странах при активной поддержке международных организаций, в том числе Мирового банка на основе выдвинутой им "Солнечной Инициативы".

Интерес к ФЭУ увеличивается еще и потому, что динамика изменения их технико-экономических показателей позволяет прогнозировать их конкурентоспособность по сравнению с другими источниками электроэнергии для ряда областей применений.

Основные мировые производители фотоэлектрической продукции изготавливают солнечные элементы в основном из кристаллического (моно-, поли-) кремния, аморфного кремния, CdTe, CuZnSe и других тонкопленочных структур. Соотношение объемов выпуска таково: кристаллический кремний - 75%, аморфный кремний - 20%, другие - 5%.

Массовое производство ФЭС связано с созданием технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость установленной мощности примерно в 2-3 раза. Принципиальным ограничением для такого снижения стоимости является высокая цена кремния солнечного качества. В настоящее время для получения чистого кремния используется хлорсилановая технология производства, разработанная около 35 лет назад и имеющая много отрицательных моментов, в том числе высокую энергоемкость, низкий выход кремния и экологическую опасность. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих радикальное снижение его стоимости - задача номер один в перечне альтернативных технологий в энергетике.

Подобные технологии стали создаваться и в России. Напомним, что научные и технологические позиции нашей страны в области фотоэлектричества при активной поддержке государства оставались лидирующими до 80-х годов. К сожалению в начале 90-х эта поддержка свелась к нулю и, в первую очередь, это коснулось наземной фотоэнергетики, то есть той сферы, где существует рынок. Несмотря на то, что в России есть компании-производители фотоэлектрических систем, можно смело утверждать, что рынок фотоэнергетики в России отсутствует. Однако наши фотоэлектрические модули востребованы за рубежом. Отечественным производителям даже реклама не нужна. У некоторых из них мощности на несколько лет вперед загружены заказами от иностранных компаний.

Между тем полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана и других энергетических ресурсов, а в России с этим еще лучше: солнечная энергия, поступающая за неделю на территорию нашей страны, превышает энергию всех российских ресурсов нефти, угля, газа и урана. Поэтому солнечная энергия может стать энергетической основой и первичным источником энергии будущего устойчивого развития экономики для некоторых регионов России. Отметим наиболее благоприятные районы для использования солнечной энергии в России - это Северный Кавказ, Астраханская область, Калмыкия, Тува, Бурятия, Читинская область, Дальний Восток.

Карта. Энергоресурсы России. Солнечная энергия

Бизнес-карта отечественных производителей и разработчиков фотоэлектрических модулей (ФМ) и фотоэлектрических систем (ФЭС)

Воздух...

Самым популярным и быстроразвивающимся направлением возобновляемой энергетики в мире стала ветроэенргетика. Наибольшее развитие технологии с использованием энергии ветра получили в США, Дании, Германии и в Испании. На долю этих государств приходится более трех четвертей всего мирового парка ветроустановок. Устойчивый интерес к ветроэнергетике наблюдается и во многих развивающихся странах мира, например, в Индии, Китае, странах Южной Америки. По обобщенным данным Европейской и Американской Ассоциаций ветроэнергетики, к концу второго тысячелетия установленная мощность всех эксплуатируемых ветроагрегатов в мире достигла более 14000 МВт, из которых более 9000 МВт приходится на Европу. Хотим подчеркнуть, что бурное развитие ветроэнергетики в вышеназванных странах происходит исключительно вследствие всемерной государственной поддержки.

Мировые ветроэнергетические ресурсы чрезвычайно велики, широко распространены и легко доступны. Суммарная энергия ветра, доступная технически, оценивается величиной порядка 53000 ТВт/ч в год, что примерно в четыре раза превышает ежегодное мировое потребление электроэнергии в настоящее время.

Согласно различным прогнозам, мировое сообщество при сохранении текущих тенденций развития цивилизации удвоит потребление электроэнергии к 2020 году. При этом ожидается, что доля ветроэнергетики в общем объеме мировых энергоисточников будет увеличиваться в различные периоды на 20-30% ежегодно и к концу 2020 года превысит отметку 10% от ожидаемого мирового энергопотребления.

По оценкам зарубежных специалистов в области возобновляемой энергетики на сегодняшний день ветроэнергетика является самым экономически эффективным из всех направлений энергетики, базирующихся на возобновляемых источниках энергии. Пока удельная стоимость оборудования современных ВЭУ составляет порядка 1000 долларов США за 1 кВт установленной мощности, зато расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание находятся в пределах от 0,006 до 0,01 доллара США за 1 кВт/час. Однако, учитывая тенденции к снижению стоимости 1кВт установленной мощности, есть все основания предполагать, что ветроэнергетика к 2020 году станет вполне конкурентоспособной со всеми известными технологиями получения электроэнергии, включая крупные ГЭС.

В России ветроэнергетика также является самым развитым сегментом рынка возобновляемых источников электроэнергии. Более того, в нашей стране еще в 30-х годах было освоено производство разнообразных ветроустановок мощностью 3-4 кВт, и выпускались они серийно. Однако их производство было прекращено в конце 60-х годов. Затем, в последние годы существования СССР планы замещения органического топлива возобновляемыми источниками энергии, в основном энергией ветра, вновь возродились. Предполагалось, что при стабильной экономической ситуации объемы этого замещения могли бы возрасти в 6-14 раз.

Это было особенно актуально для регионов с децентрализованным энергоснабжением. К сожалению, эта проблема и по сей день остается острой, количество регионов, испытывающих острый дефицит электроэнергии увеличилось за счет ограничительных и аварийных отключений в районах с централизованным энергоснабжением.

В то же время Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, в том числе и в тех районах, где отсутствует централизованное энергоснабжение. Побережье Северного Ледовитого океана, Камчатка, Сахалин, Чукотка, Якутия, а также побережье Финского залива, Черного и Каспийского морей имеют высокие среднегодовые скорости ветра. География распределения ветроэнергетических ресурсов позволяет рационально их использовать как автономными ветроэнергетическими установками, так и при работу ВЭУ в составе местных энергетических систем.

Государственная поддержка развития ветроэнергетики, которая имела место в доперестроечный период и, в частности, конверсия оборонной промышленности, от результатов которой, по оценкам экспертов, зависел успех отечественной ветроэнергетики, за последние десять лет сошла на нет. И сегодняшними достижениями в области разработок ветроэнергетических установок наша страна обязана исключительно энтузиазму работников ряда научно-исследовательских и конструкторских организаций, а также некоторых заводов-изготовителей.

Карта. Энергоресурсы России. Ветровая энергия

Бизнес-карта отечественных производителей и разработчиков ветроэнергетических установок

...и вода

Когда говорят о гидроэлектростанциях, мы сразу же представляем себе всенародные стройки на крупных реках, гигантские плотины, мощные турбины, водохранилища и новые города, которые возникают для ГЭС, а не наоборот. А ведь в России много небольших рек и речушек, на берегах которых располагаются деревни, поселки, городки, нуждающиеся в электроэнергии. Создать свою автономную энергетику эти населенные пункты могут, используя небольшие гидроустановки. Эти мини- и микроГЭС способны достаточно эффективно использовать низкие напоры воды, в целом типичные для рек России, более того, их с успехом можно использовать в средне- и низконапорных гидроузлах различного водохозяйственного назначения.

В настоящее время, когда в регионах страны стала зарождаться идея создания локальных энергетических сетей, строительство небольших гидроэлектростанций может существенно облегчить задачу местного энергоснабжения. Следует отметить, что отечественное гидроэнергетическое оборудование для малых ГЭС разработано и выпускается или готово к выпуску на многих предприятиях энергомашиностроительной промышленности с гидротурбинами самой различной конструкции - осевыми, радиально-осевыми, пропеллерными, диагональными, ковшовыми. При этом стоимость оборудования, изготовленного на отечественных предприятиях остается значительно ниже мирового уровня цен, а срок окупаемости микроГЭС не превышает 3-х лет.

И еще один возобновляемый источник электроэнергии, который непосредственно связан с водой - это термальные воды. Их распределение по территории Российской Федерации представлено в таблице 1.

Современные геотермальные электростанции могут работать на месторождениях парогидротерм с температурой теплоносителя от 150оC и выше. Россия, конечно, не Исландия, которая практически полностью обеспечивает себя электрической и тепловой энергией за счет геотермальных вод, но тем не менее запасов геотермального тепла в некоторых районах у нас вполне достаточно, особенно на Камчатке, Курильских островах и Северном Кавказе.

По оценкам специалистов, запасы парогидротерм Камчатки и Курильских островов (эти зоны молодого вулканизма отличаются максимальной близостью геотермальных вод к поверхности земли) могут обеспечить мощность геотермальных электростанций не менее 1000 Мвт. На Камчатке, на Паратунском месторождении в 1967 году была создана опытно-промышленная геотермальная электростанция мощностью около 500 кВт - это был первый опыт получения электроэнергии с помощью геотермального тепла в России. Первая в России промышленная выработка электроэнергии началась в том же 1967 году на Паужетской геотермальной электростанции. Установленная мощность ее первой очереди составляла 5 МВт, в последствии общая мощность этой электростанции была доведена до 11 МВт.

Поскольку в последнее десятилетие в мире значительно возрос интерес к возобновляемым источникам энергии, в том числе и к геотермальным электростанциям, в России также активизировались работы в этой области.

Особое внимание уделяется развитию геотермальной энергетики на Камчатке. Уже разработана и начала реализовываться программа создания геотермального энергоснабжения этого региона, в результате которой ежегодно будет сэкономлено около 900 тыс. тонн условного топлива.

Российские компании в рамках проектов Государственной научно-технической программы "Экологически чистая энергетика" ГКНТ РФ разработали и организовали серийное производство ГеоЭс мощностью от 0,5 до 20 МВт. Ведущим предприятием по изготовлению геотермальных электрических станций в России является Калужский турбинный завод и АО "Наука", которые разработали и производят модульные геотермальные электростанции мощностью от 0,5 до 25 МВт.

Но Камчатка не единственный регион, где геотермальная энергетика, также как и микроэнергетика, получила свое развитие. Так, в настоящее время на Кубани эксплуатируется 10 месторождений геотермальных вод. За 1999-2000 гг. уровень добычи теплоэнергетических вод в крае составил около 9 млн м3, что позволило сэкономить до 65 тыс. т.у.т. В настоящее время в крае также ведется строительство двух экологически чистых малых ГЭС (МГЭС) на р. Бешенка в районе п. Красная Поляна г. Сочи и сбросе циркуляционной системы технического водоснабжения Краснодарской ТЭЦ. Запланировано строительство МГЭС на сбросе Краснодарского водохранилища мощностью 50 МВт. Намечается также строительство каскада МГЭС на реках Мзымта, Чвежипсе, Шахе, Лаура с установленной мощностью всего комплекса ГЭС - 44 МВт и годовой выработкой электрической энергии в объеме 245 млн кВт/ч.

Так что мы можем смело утверждать, что в России работа по использованию энергии воды, пусть и не очень заметная на первый взгляд, но все-таки ведется.

Карта. Энергоресурсы России. Геотермальная энергия

Карта. Энергоресурсы России. Гидроэнергетика

Бизнес-карта отечественных производителей и разработчиков миниГЭС и геоТЭС

Взгляд в будущее

Многие эксперты полагают, что в 2010-2020 гг. будет отмечаться снижение предложения углеводородного сырья. Вследствие этого к 2025 году доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе возрастет с нынешних 5% до 10%, а к 2050 году до 50%, в странах ЕС к 2010 году эта доля увеличится до 12% (против 6% в 2000 году), а в общем производстве электроэнергии до 22%.

Согласно расчетам Международного экономического форума возобновляемых источников энергии IWK, суммарная выработка электроэнергии с использованием возобновляемых источников составила примерно 2,8 трлн кВт/час, а общемировая выработка электроэнергии - 14 трлн кВт/час. Среди возобновляемых источников на первом месте - ГЭС - 2,7 трлн, на втором месте геотермальная энергетика - 50 млрд, на третьем - ветроэнергетика - 23 млрд. По их оценке, в 2010 году возобновляемые источники энергии обеспечат выработку 3,5 трлн кВт/час электроэнергии. Наиболее высокие темпы роста прогнозируются в ветро- и солнечной энергетике. Объем продаж оборудования для выработки электроэнергии с использованием возобновляемых источников возрастут с 12 млрд евро в 2000 г. до 30 млрд в 2010 г.

Таблица 2. Текущее и проектное производство электроэнергии на основе возобновляемых источников энергии на 2010 г.

Следует еще раз подчеркнуть, что решающую роль в развитии возобновляемых источников энергии играет государственная поддержка, некоторые эксперты приплюсовывают сюда же структуру национальной промышленности (объективный и субъективный фактор). Эффективные схемы стимулирования существенно влияют на темпы развития возобновляемой энергетики, на расширение рынка, на создание конкурентной среды в энергетике и, как следствие, на улучшение технологий и снижение цен.