Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в северных регионах России

Жагина С.Н., Пахомова О.М

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,

Географический факультет, Москва, Россия

 

Аннотация

Анализируются различные виды и перспективы устойчивого развития альтернативной

энергетики в cеверных регионов России. Рассмотрена роль традиционных и

нетрадиционных групп возобновляемых источников энергии.

Ключевые слова: альтернативная энергетика, возобновляемые традиционные и

нетрадиционные источники энергии, Северные регионы России.

 

Развитие альтернативной энергетики и поиски новых источников энергии – главная мировая тенденция ХХI тысячелетия. Ее проявлению способствуют локальные истощения природных ресурсов, возможная перспектива энергетического кризиса, негативное воздействие традиционной энергетики на окружающую среду и угроза региональных экологических катастроф.

В середине 90-х г.г. ХХ столетия широкое использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) замедлялось их высокой стоимостью и вырабатываемой ими энергии, по сравнению с традиционными энергоустановками. На сегодняшний день во многих странах, благодаря ужесточению экологических требований и государственному содействию развитию альтернативной энергетики,  произошло значительное уравнивание  стоимости производимой  энергии,  и такая тенденция цен на возобновляемую электроэнергию сохраняется.

Обычно возобновляемые источники энергии условно разделяют  на две группы:

Традиционные: гидравлическая энергия которых  преобразуется в используемую  электроэнергию преимущественно крупными ГЭС мощностью более 30 МВт;  энергию, получаемую из биомассы, используемой для получения тепла традиционными способами: сжиганием дров, торфа и некоторых других видов печного топлива; геотермальную энергию.

Нетрадиционные:  К ним относятся энергии солнечная, ветровая, морских волн, течений, приливов морей и океанов, а также гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии малыми и микро–ГЭС; энергия биомассы, не используемая для получения тепла традиционными методами, а также низкопотенциальная тепловая энергия и другие виды возобновляемой энергии.  К главным преимуществам ВИЭ над  ископаемым топливом относятся их сравнительная безвредность и возобновляемость.

 К главным плюсам ВИЭ перед ископаемыми видами топлива относятся экологичность и возобновляемость.

Несмотря на практически  неограниченные ресурсы ВИЭ и достаточно высокий научно-технический и промышленный потенциал в данной области, Россия отстает от многих государств по масштабам использования  (ВИЭ). Если сравнить производство первичной энергии в РФ с техническими ресурсами ВИЭ, то можно видеть, что суммарный технический ресурс российских ВИЭ, превышающий 24 млрд.  т. у. в год, превышает более чем в 10 раз суммарную добычу угля, нефти, природного газа, а также количество электроэнергии, выработанной на ГЭС и АЭС [1].

 В  электроэнергетике РФ доля ВИЭ (без учета ГЭС) составляет около 1%.  В 2009 г. суммарная установленная мощность 50-ти крупных ГЭС страны составила 23,3 ГВт (до аварии на Саяно-Шушенской ГЭС). К 2015 г. и этот показатель может увеличиться–  до 2,5%, а к 2020 г. он может вырасти на 30%и тогда его доля составит до 4,5%. Предполагается, что к 2020 г. суммарная установленная мощность оборудования, использующего биомассу, составит 7850 МВт, энергию ветра– 7000 МВт, энергию приливов – 4500 МВт [9].

В  России валовой и технический потенциалы энергии ветра оцениваются в 320 млрд. и 0,8 млрд. т у. т./год соответственно, экономический ресурс - в 4 млн. т у. т./год.[1]. Валовой (теоретический) потенциал ВИЭ –годовой объем энергии, содержащийся в данном виде ВИЭ при полном ее превращении в полезно используемую энергию; технический ресурс (потенциал) ВИЭ – часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию возможно при существующем уровне развития технических средств и соблюдении экологических требований; экономический потенциал ВИЭ – часть технического потенциала, преобразование которого в полезную используемую энергию экономически целесообразно при данном уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, материалы, транспортные услуги, оплату труда и многие другие показатели. Экономический потенциал может составлять до десятков процентов технического потенциала, при этом, в зависимости от мировой конъюнктуры, он может изменяться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. Однако в последние несколько лет мировая тенденция развития ВИЭ позволяет сказать, что их экономический потенциал стабильно растет (для невозобновляемых источников энергии данный показатель стабильно уменьшается). По данным Европейской ветроэнергетической ассоциации (EWEA), по состоянию на начало 2009 г. в России суммарные мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ) составили примерно 11 МВт.

Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии наиболее перспективно в районах, располагающих их повышенным потенциалом и испытывающих недостаток в обычных традиционных топливных ресурсах. На европейском Севере России к числу таких регионов относится Мурманская область, энергетика которой в значительной мере базируется на привозном топливе: ядерном горючем, угле, нефтепродуктах, сжиженном газе.

Развитие энергетики в Мурманской области многие годы проходило за счет последовательного освоения гидроэнергетических ресурсов, использо- вания привозного топлива на ТЭЦ и в котельных, а также – ядерного горючего на Кольской АЭС. Дальнейшая перспектива развития энергетики здесь связана  с сооружением Кольской АЭС-2 и подачей  природного газа из Штокмановского месторождения в Баренцевом море.

В то же и время Мурманская область располагает широким набором нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (энергия солнца, ветра, малых рек, морских приливов, волн и др.), которые в определенных условиях могут составить конкуренцию традиционным энергетическим источникам,  либо будут выгодно их дополнять, принося ощутимый экономический эффект.

В Мурманской области потребляется около 16 млрд. кВтч энергии в год. Согласно данным Мурманского центра энергоэффективности, 37% приходится на долю атомной энергии, 57% вырабатывается гидроэлектростанциями и 6%–теплоэлектростанциями. Официальные данные по энергобалансу Мурманской области несколько отличаются: 50-60% приходится на долю атомной энергии, 42% – гидроэнергия, 19% - ТЭЦ[9]. Возобновляемая энергетика в регионе совершенно не развита, несмотря на наличие огромного ресурсного потенциала. В последние годы здесь наблюдался избыток вырабатываемой энергии, однако вывод из строя Кольской АЭС (КАЭС) приведет к энергетическому дефициту в том случае, если не будет найдена энергетическая альтернатива.

Наиболее важной проблемой Кольского полуострова, требующей принятия неотложных мер для ее решения, является состояние двух наиболее старых реакторов Кольской атомной электростанции, сроки, службы которых истекли еще в 2003 и 2004гг. соответственно. Возраст этих реакторов превышает 30 лет. Они  могут быть заменены возобновляемыми источниками.

Проведенное в 2006 г. Кольским научным центром РАН  исследование потенциала нетрадиционных возобновляемых энергетических источников на  полуострове [2] показало, что наибольшие перспективы  здесь связаны с развитием ветроэнергетики: потенциал ветров в прибрежных районах Кольского п-ва является одним из самых высоких в европейской части России. Комплексное использование здесь всех доступных возобновляемых источников энергии может вполне удовлетворить нынешний уровень потребности  региона в электричестве или найти свое применение при замене устаревших ядерных реакторов [2].

Энергия ветра.

Ресурс ветров на Кольском полуострове огромен и оценивается в 360 млрд. кВтч. Наибольшие скорости ветров наблюдаются в прибрежных районах Баренцева и Белого морей. На северном побережье  полуострова они  достигают 7-9 метров в секунду. Такие среднегодовые скорости ветров здесь выше, чем в прибрежных районах, например, Дании, Германии и Голландии, где ветровая энергетика экономически выгодна и преобладает над другими способами получения энергии. Причем максимум скоростей ветра приходится на холодное время года и совпадает с сезонным пиком потребления тепловой и электрической энергии [6].

Основными направлениями использования ветровой энергии на Кольском п-ве являются:

  • Энергоснабжение  удаленных  и изолированных потребителей;
  • участие ветряных установок в теплоснабжении потребителей;
  • массовое  применение ветряных установок (в качестве ветровых парков) в составе энергосистем.

К положительным сторонам использования ветровой энергии относятся: низкая стоимость получаемой энергии; неистощаемость; отсутствие дополнительной эмиссии углекислого газа; отсутствие вредных выбросов; сохранение теплового баланса планеты; доступность использования; возможность одновременного использования земли для хозяйственных и энергетических целей; возможность использования земель, не приспособленных для хозяйственных целей; отсутствие потребности в воде.

К отрицательным сторонам здесь можно отнести: зависимость от погодных условий; шумовой эффект; необходимость  обширных земельных площадей  для конструкций и др.  

Высокий ветровой потенциал на Кольском полуострове, соответствие между  интенсивностью ветра и максимальным спросом на энергию в зимний период, а также наличие 17 гидроэлектростанций с водохранилищами  для опустошения их в период ветрового затишья, создадут  условия широкомасштабного и системного использования в этом регионе ветровой энергии. Кольский полуостров особенно подходит для возведения «ветропарков», поскольку  господствующие ветры, обладающие наивысшей концентрацией энергии, позволяют располагать ветровые установки компактно. Наиболее подходящие районы для создания ветропарков находятся в окрестностях поселков Дальние Зеленцы и Териберка, возле Серебрянских и Териберских гидроэлектростанций, связанных с Кольской энергетической системой и пригодных для обеспечения крупномасштабного использования ветровой энергии в регионе. В селе Пялица (Терский район) запланирована установка дизель-ветрогенератора, устройство светодиодного уличного освещения в Кандалакшском районе, Коле, Никеле и Оленегорске. Системы, в которой ветропарки связаны с гидроэлектростанциями, обладают наибольшей экономической эффективностью[4].

Существует также ряд благоприятных условий для использования энергии ветра с целью обеспечения электричеством и теплом удаленных децентрализованных населенных пунктов, метеорологических станций, маяков, пограничных постов, объектов Северного морского флота, получающих электричество от автономных дизельных установок. Из-за удаленности и плохих транспортных связей затраты на топливо возрастают в прибрежных районах Кольского полуострова на 30-70%, а в труднодоступных районах материковой части – на 150-200% и более. В этих условиях применение ветроэнергетических установок (ВЭУ) может способствовать экономии дорогостоящего дизельного топлива. При благоприятных ветровых условиях ВЭУ может вытеснить до 30-50%, а в наиболее ветреных районах   и до 60-70% дефицитное органическое топливо. В периоды длительного затишья могут быть использованы специальные аккумуляторы ветровой энергии или вспомогательные тепловые системы.

Применение ветроэнергетических установок для целей теплоснабжения потребителей позволит использовать ветер  в качестве  источника энергии, обеспечивающего  в холодные ветреные периоды  поступление энергии на нужды отопления.

На Кольском полуострове вблизи Мурманска в рамках сотрудничества с Норвегией построена опытная демонстрационная ветроустановка мощностью 250 кВт. Вырабатываемая ею энергия  используется для нужд гостиницы "Огни Мурманска". В развитии ветроэнергетики региона огромное важнейшее значение имеет  создание ветропарка мощностью 6-20 тыс. кВт в районе пос. Териберка на побережье Баренцева моря [5].

Энергия малых рек.

Для Мурманской области значительные перспективы имеет освоение гидроэнергии малых рек. Их технические гидроэнергоресурсы оцениваются  в 2,85 млрд. кВтч при среднегодовой мощности  334 МВт.  В эту оценку включены около 40 малых и средних рек региона. Еще в пос-левоенные годы в  области было построено несколько сельских малых ГЭС мощностью от 10 до 100 кВт. Позднее, в 60-е годы эти ГЭС были вытеснены более дешевыми  дизельными установками. В настоящее время в, связи с  ростом цен на органическое топливо, интерес к использованию энергии малых рек   возрос. Однако определенным препятствием на пути сооружения таких ГЭС является рыбохозяйственнная значимость большинства рек Кольского п-ва [3].

Прорабатываются проекты строительства демонстрационных малых ГЭС, например, на р. Пиренга (6 МВт), впадающей в оз. Имандра вблизи  рыбозавода на р. Аваньга (1250 кВт); на юго-востоке Кольского п-ва,  в центре полуострова на р. Ельрек  и др. Возможная выработка этих ГЭС на 30-50% выше выработки дизельных электростанций, действующих в здешних селах. Появление дополнительной энергии может расширить перспективы  хозяйственного и социально-бытового развития этих селений.

Положительные стороны энергетики такого рода --это: возобновляемый самой природой запас энергии; простота эксплуатации; отсутствие загрязнения окружающей среды продуктами горения.

Отрицательные последствия: затопление ценных земель; исчезновение некоторых видов растений и животных; зарастание водоемов; размыв речных берегов; усиление эрозии; накопление твердых осадков, которые нужно периодически чистить.

Энергия солнца.

К положительной стороне использования солнечной энергии относится следующее:  эта энергия  общедоступна и неисчерпаема;  она безопасна для окружающей среды,  и по своему количеству тысячекратно  превосходит  энергию других источников, доступных человечеству; возможность использования земель,  не приспособленных для хозяйственных целей. Этой энергии свойственно отсутствие дополнительной эмиссии углекислого газа;  вредных выбросов  и потребности в воде.

К отрицательной сторонеиспользования  солнечной энергии относятся: зависимость от погодных условий; зависимость от смены дня и ночи; необходимо иметь возможность аккумулировать энергию; дороговизна сооружения; фотопанели и зеркала (для тепломашинных электростанций) нужно очищать от пыли и другой грязи; атмосфера над электростанциями довольно сильно нагревается; цена солнечных фотоэлементов достаточно высока; требуется много металла для коллекторов.

Однако в условиях Севера  использование солнечной энергии затруднено тем, что в зимние месяцы, когда потребности в энергии максимальны, их поступление минимально. Колебания в силе солнечной активности в течение года очень значительны: от нулевой в декабре до 200-300 часов в июне и июле. Так как пик ветровых и солнечных ресурсов приходится на разные сезоны, что делает возможным замену одного ресурса другим при их совместном использовании.

Наиболее перспективным направлением использования солнечной энергии является энергообеспечение удаленных населенных пунктов, снабжение которых топливом дорого и затруднительно, а также южных районов области с высоким техническим потенциалом. В последние годы был успешно реализован Российско-Норвежский проект по замене радиоактивных стронциевых батарей на маяках, расположенных на северном побережье Кольского полуострова, солнечными панелями. В селе Пялица  устанавливается  комбинированная солнечно-ветровая  дизельная электростанция. В северных широтах потенциал использования солнечной энергии невысок и может рассматриваться только в качестве дополнительного источника [7]. 

Использование энергии ветра и энергии малых рек имеет в регионе наибольшие перспективы.

Энергия прилива.

Кольский полуостров обладает значительными ресурсами приливной энергии. Имеется богатый опыт эксплуатации Кислогубской приливной электростанции мощностью 400 кВт. Однако ввиду сравнительно небольшой величины прилива на побережье полуострова (в среднем 2-3 м) и ограниченного числа акваторий, которые  можно отсечь плотиной, сооружение приливных электростанций (ПЭС) возможно далеко не повсеместно. Например, в Лумбовском заливе Белого моря (высота прилива 4,2м, возможная для отсечения акватория залива 70-90 кв. м)приливная энергия может иметь мощность от 320 до 670 МВт с годовой выработкой энергии до 2,0 млрд. кВтч.  На мысе Абрамова- Михайловского (высота прилива 10м) проектируется  Мезенская ПЭС со строительством гидроаккумулирующей станции в районе полуострова Рыбачий. При наличии высоковольтной ЛЭП до Мезенской ПЭС мощность может составить до 3 млн. кВт (50 млрд. кВт/год). На губе Долгая проектируется опытный проект Кольской ПЭС [8].

Отрицательная сторона использования приливных установок: большая стоимость проектов, непостоянная выработка электроэнергии (требуется замещение энергией, вырабатываемой другими средствами), появление береговой эрозии, размыв песчаных отмелей и заполнение песком существующих судоходных русел, изменение баланса между видами в приливной зоне, причинение вреда мигрирующим видам птиц, усиление туманов и морских ветров, громоздкость сооружений и их дороговизна

Энергия волн.

Кольский полуостров имеет более чем 1000-километровую береговую линию. Выполненная оценка энергии морских волн вдоль побережья Баренцева и Белого морей показала значительные запасы волновой  энергии. Однако преобразование волновой энергии, ее концентрация и передача представляют большие трудности ввиду суровых климатических условий. Очевидных предпосылок использования этого вида энергии на сегодняшний день не имеется[3].

Геотермальная энергия

В Мурманской области  в 2012 г. была установлена экспериментальная установка на Мончегорских очистных сооружениях. Тепловыми насосами оборудован ряд частных домов [10].

Положительные стороны: постоянная выработка энергии; возможность одновременного использования земли для хозяйственных и энергетических целей.

Отрицательные стороны: низкая плотность энергии; неразвитость промышленности и отсутствие инфраструктуры.

Биоресурсы.

Биоэнергетические ресурсы представлены древесными отходами и отходами животноводства и птицеводства. Технический потенциал этих ресурсов в Мурманской области составляет около 1 млрд. кВтчв год. Биоэнергетические ресурсы рассредоточены в большом количестве небольших хозяйств. Применительно к мелким населенным пунктам и объектам, где они накапливаются, их использование представляет интерес. Древесина и древесные отходы издавна используются человеком. Отходы животноводства и птицеводства являются более «молодым» энергетическим ресурсом, но разработанные в последние десятилетия технологии переработки этого энергетического сырья дошли и до заполярных районов. В частности, они нашли применение в Ковдорском районе Мурманской области, где с помощью биоэнергетических установок получают биогаз - ценное и удобное для практического применения энергетическое топливо. В Верхнетуломском работает биокотельная на древесных опилках. Разработаны варианты использования отходов сельскохозяйственного производства для выработки тепловой электроэнергии и биотоплива на следующих сельскохозяйственных предприятиях Мурманской области: свинокомплекс «Природный», г. Мурманск; государственное областное унитарное сельскохозяйственное предприятие «Тулома» по производству молока и молочной продукции, п. Тулома Кольского района; муниципальное унитарное сельскохозяйственное предприятие «Агрокомплекс «Ковдорский», п. Лейпи Ковдорского района; ООО «Птицефабрика Мурманская», п. Молочный Кольского района; сельскохозяйственный производственный кооператив  «Полярная звезда», п. Междуречье Кольского района; ОАО «Индустрия», г. Апатиты [11]. 

Положительные стороны: в выхлопе гораздо меньше токсичных отходов, сажи (на 50%) и выбросов СО и СО2; оно дешевле нефтепродуктов; может использоваться как в чистом виде, так и в смеси с привычным топливом; в смеси пригодно для любого дизельного двигателя практически без переделки; само по себе значительно безопаснее для окружающей среды, чем обычное топливо (практически нетоксично); легко разлагается микроорганизмами (на 90% за 3 недели); продлевает жизнь двигателя (не образуется нагар в цилиндрах); не имеет неприятного запаха; возможна постоянная выработка энергии.

Отрицательные стороны: в случае уничтожения посевов, если биотопливо производится на землях, где были посевы; вырубка лесов; выброс парниковых газов при переводе земель под выращивание зеленой массы; отрицательное воздействие на традиционное сельское хозяйство; неразвитость промышленности и отсутствие инфраструктуры.

Заключение

Как показал проведенный анализ возможностей использования ВИЭ, Кольский полуостров располагает значительными ресурсами солнечной, ветровой, приливной, волновой энергии и гидроэнергии малых рек. В силу суровых природно-климатических условий наиболее реальным представляется использование энергии ветра и гидроэнергии малых рек.

Потенциал нетрадиционных  возобновляемых источников энергии Кольского полуострова достаточно велик. Вовлечение их в хозяйственный оборот представляет собой большую научно-техническую задачу, решение которой может облегчить энергоснабжение целого ряда потребителей и существенно поднять энергетическую независимость региона.

Литература:

  • Европейской ветроэнергетической ассоциации (EWEA). [Электронный ресурс] URL: http://www.ewea.org/
  • Кольский научный центр РАН. [Электронный ресурс]. URL: http://www.kolasc.net.ru/
  • Минин В.А., Дмитриев Г.С. Перспективы развития нетрадиционной энергетики Мурманской области / Природопользование в Евро-Арктическом регионе: опыт XX века и перспективы. - Апатиты, Изд-во Кольского научного центра РАН, 2002.-С.134-139
  • Минин В.А., Дмитриев Г.С, Иванова Е.А. и др. Энергия ветра - перспективный возобновляемый энергоресурс Мурманской области: Препринт. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2006.-73с.
  • Минин В.А., Дмитриев Г.С, Иванова Е.А. и др. Первоочередные площадки для ветропарков на Кольском полуострове. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2004.-24с.
  • Минин В.А., Дмитриев Г.С, Минин И.В. Перспективы освоения ресурсов ветровой энергии Кольского полуострова // Изв. РАН. Энергетика. 2001, №1. -С.45-53.
  • Минин В.А., Якунина Т.И., Коробко И.Л. Перспективы использования солнечной энергии в Мурманской области / Проблемы энергообеспечения Мурманской области. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 1992. -С.73-81
  • Приливные электростанции. Под ред. Л.Б. Берштейна - М.: Энергоатомиздат, 1987.- С.296.
  • Энергоэффективность Мурманской области [Электронный ресурс]. URL: http://muree.energohelp.com/contact/
  • Energy Information Administration. [Электронныйресурс]. URL: http://www.eia.gov/
  • The Arctic Nuclear Challenge. [Электронныйресурс]. URL:

            http://bellona.org/assets/sites/6/The_Arctic_Nuclear_Challenge.pdf