Ольга АФАНАСЬЕВА
Ведущий специалист ИЦ «ЦКЭ», доцент ВШАиТЭ Института энергетики ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», к. т. н.
e-mail: eccolga@mail.ru
Гузель МИНГАЛЕЕВА
Заведующая кафедрой «Энергетическое машиностроение» ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», д. т. н., доцент
e-mail: mingaleeva_gr@mail.ru
Мадина НАБИУЛЛИНА
Инженер УНИР ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет»
e-mail: madinanabiullina@yandex.ru
Введение
В настоящее время энергетический рынок переживает переходный период. На этом фоне одним из основных вызовов становится обеспечение доступности и надежности энергетических ресурсов. При этом все чаще на первый план выходит понятие «безуглеродная» энергетика как ключевой элемент в обеспечении экологической безопасности любой страны.
Для достижения конкурентоспособности традиционных энергоресурсов (преимущественно угля, торфа, нефти) необходимо внедрение технологий, как переработки топлива, так и очистки образующихся выбросов, сокращающих до минимальных значений поступления вредных веществ в атмосферу. Возобновляемые же ресурсы, обладающие наилучшими экологическими показателями, в свою очередь, зависят от интенсивности работы природных ресурсов (яркости солнца, силы ветра и т. д.) и привязаны территориально к источникам их образования, что накладывает ряд ограничений на их применение.
В этой связи одним из возможных перспективных направлений может стать интеграция при использовании традиционных и возобновляемых источников энергии. Неоспоримым является тот факт, что изменения повлекут за собой трансформацию энергетической системы и поставят вопрос об обеспечении национальной энергетической безопасности страны.
Термин «гибридизация» в последнее время стал широко применяться в отношении энергетических систем. Так, гибридные возобновляемые энергетические системы представляют собой сочетание (комбинацию) возобновляемого и традиционного источника энергии, нескольких возобновляемых ресурсов и традиционных источников либо без них.
Одной из особенностей данных энергетических систем является объединение двух или более технологий производства возобновляемой энергии для повышения ее эффективности. Данные системы могут устранять ограничения с точки зрения гибкости в использовании топлива, эффективности, надежности, выбросов в окружающую среду и стоимости производимой энергии [1].
Понимая масштабы и сроки внедрения технологий, их адаптацию под существующие энергетические системы, более «безболезненно» отладить данный процесс на малых энергетических объектах. Тем более, что гибридизация использования традиционных и возобновляемых источников энергии является оптимальной для применения именно на объектах малой мощности.
Так, возможность комбинированного использования традиционных и возобновляемых ресурсов на энергетических объектах рассмотрена в работах российских и зарубежных авторов [2–8]. В предложенных авторами системах использование традиционного топлива в большинстве случаев предполагает не прямое его сжигание, а получение генераторного газа с последующим сжиганием в газотурбинной, дизель-генераторной установке либо в твердооксидном топливном элементе. Комбинация ВИЭ состоит из ветровых, солнечных и гидроэнергетических установок. Зачастую данные системы дополняются накопителями тепловой и электрической энергии.
В рамках предлагаемого исследования на примере Северо-Западного федерального округа авторами проведена оценка потенциала развития гибридных систем автономного энергоснабжения с учетом наличия местного традиционного топлива и доступности возобновляемых источников энергии.
В качестве традиционного местного топлива для Северо-Западного округа рассмотрены уголь, торф, природный газ и мазут, сланцы, для оценки возможности использования возобновляемых источников энергии проанализирована солнечная и ветровая энергия, а также энергия биомассы растительного происхождения.
Важно отметить, что аналогичная оценка может быть проведена и для других регионов нашей страны, использована при выстраивании энергетической политики и стратегии отдельных субъектов, а также в масштабе всей страны.
Оценка ресурсной базы Северо-Западного федерального округа
Северо-Западный федеральный округ представляет собой крупный промышленный субъект Российской Федерации, обладающий значительными запасами минерально-сырьевой базы [9, 10].
В объединенную энергетическую систему Северо-Западного федерального округа входят 8 региональных энергетических систем: Архангельская, Калининградская, Карельская, Мурманская, Ленинградская, Новгородская, Псковская и республики Коми. При этом Ленинградская энергосистема объединяет г. Санкт-Петербург и Ленинградскую область, Архангельская – Архангельскую область и Ненецкий автономный округ. Также за электроснабжение ряда потребителей Северо-Западного федерального округа отвечает Вологодская энергосистема, входящая в объединенную энергетическую систему Центрального федерального округа.
Вместе с тем, в электроэнергетике Северо-Западного округа существует ряд проблем, несомненно, характерных также для многих регионов нашей страны. Основными из них являются [11]:
– моральное и физическое старение генерирующих мощностей электрических сетей;
– низкая пропускная способность электрической сети на основных транзитных маршрутах. Это, в свою очередь, приводит к снижению надежности электроснабжения потребителей, и, соответственно, понижению выдачи мощности и недоиспользованию мощности электростанций.
Что касается состояния системы теплоснабжения в Северо-Западном федеральном округе, то здесь на первый план выходят проблемы, связанные с [11]:
– моральным и физическим износом оборудования и сопутствующее ему повышение частоты аварийных ситуаций;
– низкой эффективностью использования топлива, преимущественно угля и мазута;
– наибольшей зависимостью от использования мазута из всех регионов нашей страны, а в Мурманской области она наиболее высокая в округе;
– недостаточным уровнем, а по ряду вопросов и отсутствием проработанной нормативно-технической базы, которая регулирует создание энергетических объектов, работающих на возобновляемых источниках энергии;
– низкой заинтересованностью в использовании местного топлива в энергетическом балансе региона (например, биомасса, торф).
В таблице 1 выделены основные направления в развитии топливно-энергетического комплекса, а также малой энергетики Северо-Западного федерального округа, что находит отражение в ряде официальных документов [11, 12].
Анализ оценки доступности традиционного топлива, как отмечалось ранее, проведем на примере угля, торфа, сланцев, природного газа и мазута.
Уголь. На территории Республики Коми и Ненецкого автономного округа, входящих в состав Северо-Западного федерального округа, расположен Печорский угольный бассейн, который в нашей стране входит в тройку по запасам каменного угля и в силу своего географического расположения и ресурсных преимуществ обладает значительным потенциалом как для использования в округе, так и для соседних областей. Печорский угольный бассейн содержит всю гамму углей, обеспечивающих возможность существования и развития сырьевой базы коксохимии и энергетики.
Государственным балансом запасов учтено 11 месторождений в Печорском угольном бассейне. Вместе с тем Печорский бассейн характеризуется малой освоенностью запасов угля промышленностью, в связи с чем, добыча угля в Республике Коми в настоящее время ведется только АО «Воркутауголь». Увеличению степени освоения бассейна препятствуют сложные географические и горно-геологические условия (значительная часть бассейна находится севернее полярного круга), а также характеристика и показатели самих месторождений (повышенное содержание метана, наличие ложных кровли и почвы, зависающей основной кровли, повышенное содержание кремнезема в углевмещающих породах и др.).
Согласно [13], в настоящее время балансовые запасы угля категории А+В+С1 Северо-Западного федерального округа составляют 6838 млн т, категории С2–485 млн т, забалансовые запасы – 5952 млн т. Основные запасы угля категории А+В+С1, которые сосредоточены на территории Республики Коми, составляют 98,3 %. Более подробная информация по доступности и добыче угольного топлива по месторождениям приведена в таблице 2 [13].
Несмотря на малую изученность запасов Печорского бассейна, угольное топливо представляет собой крупную перспективную базу для развития энергетики европейской части страны и Урала. В настоящее время углем с месторождений Печорского бассейна снабжаются северные и северо-западные районы страны и в меньшей мере центральный район и Урал.
Торф и сланцы. В округе сосредоточены большие запасы торфа и горючих сланцев.
По запасам торфа на территории Северо-Западного федерального округа учтено 5778 месторождений. По данным [13], запасы по категориям А+B+C1 составляют 6,4 млн т, кат. С2–1,3 млн т, добыча – 464 тыс. т (28,6 % от добычи РФ).
Распределение запасов торфа по субъектам Северо-Западного федерального округа изображено на рис. 1 [14].
По запасам торфа (А+В) в округе можно выделить Ленинградскую, Вологодскую, Калининградскую, Псковскую и Новгородскую области, однако, на большинстве месторождений в настоящее время добыча торфа ведется в ограниченных объемах.
Доля запасов горючих сланцев составляет 43,9 % от общероссийских. При этом основные крупные запасы горючего сланца сосредоточены в Тимано-Печорском и Прибалтийском сланцевых бассейнах, расположенных на территории Республики Коми и на западе Ленинградской области. Стоит отметить низкую долю использования и вовлечения торфа в топливно-энергетический комплекс региона, что, несомненно, требует комплексных решений.
Сводная информация по запасам сланцев и торфа в округе представлена в таблице 3.
Природный газ. Согласно [11], на Северо-Западный федеральный округ приходится 10 % запасов газа, и это 2‑е место по запасам в России. Основные месторождения природного газа сосредоточены в Тимано-Печорской, Баренцево-Карской провинциях и на шельфе Баренцева моря. В Ненецком автономном округе сконцентрировано 9 % запасов (11 месторождений, из них 6 разрабатываемых и 5 разведываемых, в Республике Коми – 4 % (по состоянию на 2021 год учтено 24 месторождения свободного газа, из них 14 разрабатываемых и 10 разведываемых) и на шельфе Печорского моря – 1 %. Остальные 86 % приходятся на шельф Баренцева моря, где запасы газа сосредоточены на 4 месторождениях, включая 3 крупных и одно уникальное морское месторождение – Штокмановское, при этом на него приходится 72 % запасов.
Мазут. На территории Северо-Западного округа действуют 2 крупных нефтеперерабатывающих завода в Ленинградской области и Республике Коми, при этом практически весь мазут направляется на экспорт. Основная доля нефтепродуктов поступает в округ с нефтеперерабатывающих производств, находящихся в центральной части страны, что, несомненно, приводит к энергозависимости округа. Наибольшая зависимость по мазуту наблюдается для Мурманской, Архангельской областей и Республики Карелия, куда мазут ежегодно доставляется для обеспечения энергоснабжения.
По данным на конец 2021 года запасы нефти на территории Северо-Западного федерального округа составили 1317,6 млн т, что составляет 7,05 % от общероссийских. Запасы свободного газа и конденсата – 650,6 млрд кубометров(1,33 % от общероссийских) и 44,7 млн т (1,92 %). В 2019 году в округе добыто 27,6 млн т нефти (5,27 % от добычи по России), 2,2 млрд кубометровсвободного газа (0,32 % от добычи по России) и 0,08 млн т конденсата (0,31 % от добычи по России) [12]. Добыча данных природных ресурсов преимущественно ведется в Ненецком автономном округе, Республике Коми (Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция), а также в небольших объемах – в Калининградской области (самостоятельная Балтийская нефтеносная область).
Оценку по доступности возобновляемых источников энергии на территории Северо-Западного округа проведем на примере биомассы, энергии ветра и солнца.
Биомасса. Биомасса, обладающая особым потенциалом для использования, в Северо-Западном федеральном округе представлена энергией растительного происхождения (отходы лесоперерабатывающей и деревообрабатывающей отраслей промышленности), а также другими отходами органического происхождения (таблица 4). Наибольшим энергетическим потенциалом в силу высокого уровня развития отраслей лесного хозяйства в регионе обладает именно древесное топливо [15].
Другой интересный биоресурс растительного происхождения в рассматриваемом округе – жмых. Так, на долю Северо-Западного федерального округа приходится порядка 28 % от производства жмыха и прочих твердых остатков в России. На территории Калининградской области располагается единственный в стране рапсовый завод по производству жмыха (негранулированный и гранулированный). Применяемый на заводе метод прямого отжима позволяет осуществлять процесс производства без применения химических растворителей и по итогу получить расповый жмых с высоким остатком сырого масла. Основная часть рапсового масла (95 %), произведенного на предприятии, экспортировалась за пределы страны на заводы по производству биодизельного топлива, оставшиеся 5 % использовались на внутреннем рынке, а также направлялись на нужды предприятия.
Еще одним перспективным направлением в развитии использования биомассы может стать такой экологически чистый источник энергии, как солома. Солома представляет собой углеродно-нейтральное топливо, так как при ее сжигании выделяется то же количество углекислого газа, которое было поглощено из атмосферы. Для примера, в зернопроизводящих странах, таких как Дания, отопление жилого сектора соломой получило широкое распространение [17]. Важно отметить тот факт, что при использовании многотопливных котлов возможно проводить взаимозаменяемость по топливу и при необходимости работать помимо соломы на других видах топлива, таких как древесные отходы, торфяные брикеты и т. д., что является одним из конкурентных преимуществ технологий малой распределенной энергетики.
Солнечная энергия. Солнечное излучение имеет переменный характер вне зависимости от региона, в связи с чем сделать прогноз о климатических условиях в перспективе представляется непростой задачей. Местоположение объектов солнечных станций определяется следующими факторами: климатическими условиями, широтой, на которой будет располагаться станция, а также профилем солнечного цикла.
Проанализировав карты солнечной радиации нашей страны, можно сделать вывод, что для Санкт-Петербурга и Ленинградской области значение солнечной инсоляции достигает 4 кВт∙ч/м2, наименьшее значение в округе – менее 3 кВт∙ч/м2 определено для Калининградской и Мурманской областей, для остальных районов значение уровня солнечной инсоляции лежит в диапазоне от 3,5–4 кВт∙ч/м2. Продолжительность солнечного сияния для всего округа в среднем составляет 1700 часов/год.
Таким образом, наиболее перспективной по солнечной энергетике является Ленинградская область, в связи с чем по данному региону в работе [17] представлен более детальный анализ.
Ветроэнергетика. Наибольшим потенциалом по возможностям ветровой энергетики в Северо-Западном округе обладают преимущественно Ленинградская, Мурманская и Архангельская области. Самые продолжительные и сильные ветра в Ленинградской области отмечены вдоль Финского залива (г. Ломоносов, г. Сестрорецк, г. Приморск, поселок Усть-Луга и др.) и Ладожского озера (вблизи г. Петрокрепость, поселка Новая Ладога, Свирица и др.). В данных областях среднегодовая скорость ветра достигает от 6 до 8 м/с на высоте 10 м над водной поверхностью, в прибрежных зонах на открытых пространствах она составляет от 5 до 7 м/с на аналогичной высоте при необходимых для устройства ветряков 4 м/с. С учетом данных особенностей ветроэнергетический потенциал в названных районах можно оценить от 2000 до 4000 кВт∙ч/м2 в год [19].
В таблице 5 сведены значения среднегодовой скорости ветра на высоте 10 м и средней максимальной скорости ветра для округа, представленные в [20].
Стоит упомянуть также и перспективы развития гидроэнергетики в Северо-Западном федеральном округе, и наиболее актуально это направление представляется для таких областей, как республика Карелия, Псковская, Новгородская и Ленинградская области, где имеется целая сеть построенных ранее гидроэлектростанций малой мощности, находящихся сейчас в заброшенном состоянии. Также потенциал по гидроэнергетике имеется в Республике Коми, Мурманской и Вологодской областях.
Определение возможности гибридного использования энергетических ресурсов
Проанализировав доступность традиционных ресурсов и возможности по возобновляемым источникам энергии в Северо-Западном федеральном округе, авторами составлены карты по распределению данных энергоресурсов, а также определены области с возможным гибридным использованием ресурсов для последующей выработки энергии (рис. 2, 3).
Информация по районам, где использование гибридных станций представляется возможным при наличии необходимости в выработке тепловой и электрической энергии, сведена в таблицу 6.
*– традиционное топливо учтено, только если оно является местным для данной области
Анализируя данные, представленные в таблице, возможность гибридного использования энергетических ресурсов характерна, но в разной степени для всех областей Северо-Западного федерального округа. Преимущественно данные технологии могут быть востребованы в Ленинградской области, Республике Коми, Ненецком АО, Республике Карелии, Мурманской области, где имеется база по местному органическому традиционному топливу и возобновляемым ресурсам. Конечно, местное традиционное топливо может быть доставлено в соседнюю область, однако в каждом конкретном случае необходимо определять целесообразность транспортировки ресурса и наличие инфраструктурных возможностей.
В продолжение данного исследования, с использованием методов системного анализа, авторами в последующих работах будет реализован инструмент, позволяющий производить оценку потенциала гибридного использования ресурсов с учетом транспортной составляющей и экологических показателей по традиционному топливу и наличию возобновляемых ресурсов. Из возобновляемых ресурсов упор будет сделан на ветровую, солнечную энергетику и активное использование биоресурсов растительного происхождения, так как данный вид энергоисточника представлен практически во всех областях округа, следовательно, имеет большие перспективы для использования.
