Экономический потенциал возобновляемых источников энергии

Каждый день на Землю поступает огромное количество энергии, имеющее возможность покрыть все потребности современного мира. Если бы человек научился перерабатывать хотя бы 0,5% этой энергии, то можно было покрыть все мировые затраты в электричестве и тепле. Но из-за природных барьеров мы не можем этого сделать.

Солнечное излучение зависит от широты места - на экваторе достигается максимальная величина излучения (солнечная радиация), а в направлении полюсов происходит убывание радиации. Россия располагается между 41 и 82 градусами северной широты. Солнечная радиация в южных районах превышает 1400 кВт*ч/м2 в год, а в отдалённых северных районах оценивается в 810 кВт*ч/м2 в год. Естественно, солнечная радиация испытывает сезонные колебания. Например, на широте 55 градусов солнечная радиация составляет в январе 1,69 кВт*ч/м2 в день, а в Июле - 11,41 кВт*ч/м2 в день.

Более значимым потенциалом солнечной энергии, согласно рисунку 5, обладают Южная Сибирь и Дальний Восток, а также юго-западные районы России (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей).

Рис. 5 - Солнечные ресурсы России

Электроэнергия вырабатывается с помощью солнечных элементов (батарей) на солнечных электростанциях (СЭС).

Солнечный элемент представляет собой переход, это, по сути, два соприкасающихся полупроводника различной проводимости с разделяющим слоем между ними. В полупроводнике электронов недостаток, а в полупроводнике напротив, избыток. В сторону источника излучения направлен полупроводник (внешний электрод, т.е. катод), он располагается на подложке поверх полупроводника (внутреннего электрода, т.е. анод). При попадании на элемент солнечных лучей электроны полупроводника выбиваются с атомных орбит и переходят в лежащий ниже полупроводник. Образуется направленный поток электронов, который можно замкнуть на внешнюю нагрузку с протеканием в ней непрерывного электрического тока.

Для получения электрического тока под воздействием солнечного света в объемах, значимых для экономики и домашних хозяйств, были разработаны две технологии:

Фотогальванические панели солнечных батарей моментально преобразовывают солнечное излучение в электричество;

Во второй для преобразования используются термоэлектрические установки - жидкий промежуточный теплоноситель.

Также как отдельный вид выводят комбинированные СЭС. Для правильной работы и высокой эффективности фотоэлектрических модулей их необходимо постоянно охлаждать. Это стало точкой соприкосновения обеих технологий. Смешанные системы собирают электроэнергию как с панелей, так и с контура охлаждения, что значительно повышает КПД, а следовательно, и прибыльность установки.

Принцип первой технологии основан на фотоэлектрическом эффекте. Основными действующими лицами являются электрон и квант света:

Поглощение кванта электроном приводит к его переходу на более высокий энергетический уровень, то есть на внешнюю орбиту атома. Тут связь с ядром ослабевает, электрон выходит за пределы атома и под действием потенциала Гальвани (внутреннего электрического поля) устремляется к аноду. Подобным образом формируется одна составляющая электрического тока.

После того, как электрон выходит, остается свободное место, которое называется «дыркой». Он занят электронами от соседнего атома, находящегося в зоне меньшего положительного потенциала. По сути, «дырочки» перемещаются к катоду. Это вторая составляющая фотоэлектрического тока.

Наиболее распространены монокристаллические (в основе лежит Монокристалл кремния с однородной структурой) и поликристаллические (соединения разнородных мелких кристаллов кремния) панели. Еще одной модификацией является полимерная пленка солнечных элементов, но КПД участка значительно ниже.

Второй же принципом заключается в том, что электричество производится опосредованно. Главным элементом конструкции являются гелиостаты - огромные зеркала, соединенные с механизмом позиционирования относительно Солнца. Гелиостаты могут принимать различные формы: круглые параболические, параболические цилиндрические концентраторы. Они собирают солнечный свет в концентрированном пучке и направляют его в теплоотвод, заполненный жидким хладагентом. Чаще всего для этих целей используются минеральные масла с высокой температурой кипения, которые получили название терминол.

Нагретый хладагент устремляется в парогенератор. Полученный водяной пар подается на лопатки турбогенератора, который вырабатывает электроэнергию. После конденсации вода повторно направляется в паровую установку.

Остальные элементы системы такие же, как и у классической тепловой электростанции. Кроме того, если в качестве единственного источника электроэнергии используется солнечная электростанция, то резервный котел предоставляется на сжигаемом топливе -- в пасмурные дни или при большой нагрузке в ночное время.

Несмотря на низкий спрос на солнечную энергию в России, московская компания "Hevel" производит солнечные модули с эффективностью преобразования энергии 22%, что является самым высоким показателем в мире.

Кроме Hevel, только две другие компании в мире производят солнечное оборудование с аналогичной эффективностью: Panasonic (Япония) и Sun Power (США). Большинство других крупных мировых производителей, включая китайские и корейские компании, которые имеют самую большую долю рынка, преобразуют солнечную энергию в электричество только с эффективностью преобразования энергии, которая редко превышает 15%.

В 2014 году в России открылась первая солнечная электростанция, а сегодня в стране их уже 35 и ещё порядка 35 строятся и проектируются. Это электростанции, которые являются частью национальной Единой энергетической системы.

В целом, однако, общая мощность этих солнечных установок составляет 834,2 МВт и это всего лишь 0,34% от всей мощности Единой энергосистемы страны, а также лишь часть от 300 ГВт, которые производятся во всем мире. Для удовлетворения своих потребностей в электроэнергии, страна в значительной степени опирается на традиционные источники энергии с высокой эффективностью преобразования, такие как газ, нефть, гидроэнергетика и атомная энергетика. Тем не менее, в последние три года Россия активно развивает солнечную энергетику.

Россия начала строить солнечные электростанции не потому, что это было модно, а потому, что их растущая эффективность сделала их прибыльными в регионах, которые очень далеки от традиционных источников энергии и которые в то же время имеют много солнечного света. Даже в некоторых регионах Сибири количество солнечных дней составляет почти 300 в год, несмотря на низкие дневные температуры.

В Крыму есть 13 СЭС общей мощностью 400 МВт, но они не интегрированы в Единую энергетическую систему России, а поставляют энергию только на полуостров. Эти заводы были построены в 2011-2012 годах австрийской компанией Activ Solar. Проекты получили кредиты от группы банков, которые надеялись получить прибыль от инвестиций через специальный «зеленый тариф», который был установлен украинским правительством. Сегодня, при удешевлении электроэнергии, вырабатываемой российскими тепловыми электростанциями, австрийские заводы нерентабельны. Сейчас используется лишь часть их силового потенциала и их судьба не ясна.

Помимо электростанций, входящих в Единую энергетическую систему России, существуют также солнечные электростанции, функционирующие автономно. Например, солнечная ферма в сибирской деревне Менза (6115 км к востоку от Москвы) обеспечивает энергией три отдаленных населенного пункта, а автономная солнечная электростанция в селе Яйлю на Алтае (4023 км к востоку от Москвы) более выгодна для местных жителей, чем старый дизель-генератор. Кроме того, на знаменитом острове Валаам (1039 км к северу от Москвы) есть небольшое растение, которое обеспечивает энергией монастырские теплицы.

Большинство из этих солнечных электростанций - за исключением крымских заводов, одного в Оренбургской области, одного в Белгородской области и заводов в Хакасии - были построены компанией "Hevel". И два самых больших также используют фотоэлектрические модули Hevel.

В ближайшее время Россия планирует использовать еще 334 МВт солнечной энергии в Оренбургской, Саратовской, Волгоградской и Астраханской областях, а также в республиках Алтай, Бурятия и Башкортостан. К 2022 году "Hevel" планирует построить солнечные электростанции мощностью до 1 ГВт.

Обширные планы по строительству новых заводов связаны с тем, что компания Hevel научилась производить солнечные модули с КПД преобразования энергии более 22%. Это значительно повысило рентабельность солнечной энергетики.

В 2017 году компания модернизировала свой завод в Чувашии солнечными модулями, оснащенными гетероструктурной технологией. Средняя мощность этих модулей составляет 300 Вт, что соответствует двум модулям предыдущего поколения.

Кроме того, новые модули более эффективны в пасмурную погоду, и они также двухсторонние. Ячейки поглощают свет, отраженный от снега, воды, песка или земли, а срок службы составляет 25 лет в диапазоне температур от -40 до 85 градусов Цельсия.

Солнечная энергия наиболее выгодна для потребителей на юге России, Дальнем Востоке, в Южной Сибири и в некоторых центральных регионах, где традиционные источники энергии являются отдаленными и труднодоступными.

Некоторые страны, такие как Германия, имеют так называемые «зеленые тарифы», означающие, что потребитель может продать свой излишек в национальную сеть. Однако в России в жилых домах используются только автономные солнечные установки.

Таким образом, гелиоэнергетика постепенно получает одно из приоритетных мест в энергетическом развитии многих стран. Государства, в свою очередь, принимают законы, которые оказывают существенную поддержку развитию данной отрасли. Без принятия таких законов развитие солнечной энергетики гасло бы на начальных стадиях развития.

В России фактическое использование солнечной энергии весьма ограничено, невзирая на обширные изучения, которые велись и ведутся в этом направлении. Но расположении территории Кавказа даёт возможность с оптимизмом производить оценку перспектив использования солнечной энергии в регионе. Плоские солнечные коллекторы используются для получения горячей воды с температурой до 60-65 ?. Простота, а также надежность этой конструкции и экологическая чистота дают возможность применять их для широкого спектра потребителей в промышленности, сельском хозяйстве и в коммунально-бытовой сфере. Период возврата капитала составляет 3-5 лет.

Аналогичные установки в настоящее время работают на Черноморском побережье, в Нальчике, Махачкале, Ростове-на-Дону и пр. городах. Многолетний опыт работы установок с пластмассовыми коллекторами имеется в Ростовской области и Дагестане.

Необходимо выделить, что все фабрики по производству коллекторов пребывают в средней полосе России, но устанавливаются на Северном Кавказе, что увеличивает их себестоимость на 25%. В настоящее время принято решение о строительстве 2-ух СЭС в Ставропольском крае. Для постройки СЭС выделена площадка около 7 га в северо-западной части Кисловодска. Эти запасы будут использоваться в те дни, когда мощности солнечного излучения будет недостаточно для работы станции. Объем инвестиций в проект составляет порядка 3 млрд. руб. Общая мощность солнечной электростанции в 2020г составит более 100 МВт, из которых половина придется на выработку электроэнергии, а половина - на тепловую энергию.

Кроме выработки электроэнергии она также обогреет жилплощади близлежащих населенных пунктов.

Стоимость СФЭУ. На сегодняшний день солнечные электростанции считаются одними из более дорогостоящих применяемых технологий изготовления электричества. Однако по мере снижения стоимости 1 кВт*ч выработанной электроэнергии солнечная энергетика становится конкурентоспособной. Спрос на установки зависит от снижения стоимости 1 Вт вырабатываемой мощности. Снижение стоимости достигается за счет повышения КПД, снижения технологических затрат.

Экологические нормы. На рынок солнечной энергетики положительно может повлиять ужесточение экологических ограничений и штрафов. Совершенствование этих механизмов может дать новый экономический стимул для рынка СФЭУ.

Значимой причиной развития солнечной энергетики считается сравнение себестоимости электроэнергии, полученной от СФЭУ, со стоимостью электроэнергии, полученной из традиционных источников. Признаком перспективности солнечной энергетики, а соответственно и экономической целесообразности применения СФЭУ в регионе, является достижение равенства этих стоимостей.

В результате всего можно отметить, что нам есть, куда стремиться. Гелиоэнергетический потенциал нашего государства огромен, необходимо только с умом подойти к развитию данной отрасли энергетики.

Заключение

В данной работе были рассмотрены виды возобновляемых источников энергии, их классификация и возможности развития в России.

Проведенная работа включала несколько этапов:

Первый этап включал в себя обзор литературных источников в области нетрадиционной энергетики.

На втором этапе были рассмотрены виды и структура ВИЭ, а также их классификация.

На третьем этапе был экономический потенциал использования ВИЭ в России.

В рассмотрении экономического потенциала возобновляемых источников энергии России я постарался рассмотреть территорию Кавказа.

Кавказ обладает не малым потенциалом энергоресурсов (геотермальная энергия, гидроэнергия, энергия ветра, солнца и биогаза).

Имеющийся потенциал альтернативных источников на Кавказе не используется в полной мере.

Несмотря на высокую стоимость, устройства альтернативной энергетики могут окупаться и приносить экологические, социальные и экономические выгоды.

Таким образом, развитие ВИЭ в мире представляется актуальным и перспективным проектом. В первую очередь, развитие и использование ВИЭ положительно влияют на экологическую ситуацию в мире, которая в последнее время итак «хромает». Во-вторых, в будущем нехватка традиционных ресурсов может сказаться на рынке, возможно, будет мировой энергетический кризис, посему важно начать сейчас развивать нетрадиционные источники энергии, чтобы спустя несколько десятилетий, а быть может и меньше, предотвратить экономический коллапс.

От себя хотелось бы добавить, что на данный момент в Дагестане наиболее перспективным и экономически выгодным является Гидроэнергетика, т.к. Дагестан в связи с наличием горного рельефа, обладает большим гидроэнергетическим потенциалом - 55 млрд кВт*ч. И как говорилось выше, КПД составляет 92-94%, а срок службы (до 100 лет и выше).

На данный момент в Дагестане действует 6 крупных, 11 малых ГЭС и ещё 9 строиться и планируется.

Крупнейшие ГЭС Дагестана:

- Чиркейская ГЭС, расположена на реке Сулак, вблизи посёлка Дубки, мощность - 1000 МВт

- Ирганайская ГЭС, р. Аварское Койсу, мощность - 400 МВт

- Миатлинская ГЭС, расположена в горном районе Дагестана на р. Сулак, мощность - 220 МВт.

Установленная мощность эксплуатируемых ГЭС Дагестана составляет 1885.5 МВт.

Список использованной литературы