Альтернативная энергетика

     Матвеев В.И., к.т.н., ЗАО НИИ Интроскопии МНПО «Спектр», г. Москва

Рентабельных запасов нефти в России при нынешних технологиях извлечения хватит не более чем на 21 год. Об этом на Тюменском нефтегазовом форуме заявил представитель «Роснедр» Е. Петров. При этом он подчеркнул, что срок увеличится по мере усовершенствования способов добычи трудноизвлекаемых запасов. Самым перспективным регионом для разведки запасов нефти названа Западная Сибирь. Что касается Восточной Сибири, то там пока неразвита инфраструктура, чтобы разработка месторождений могла приносить прибыль.

Премьер-министр России Михаил Мишустин предупредил о важности подготовки к поэтапному сокращению использования углеводородов. По мнению главы кабинета министров, необходимо повышать энергоэффективность, развивать альтернативную энергетику и строить соответствующую инфраструктуру. Он также заявил, что правительство готовит сводный план действий по адаптации российской экономики к глобальному энергетическому переходу, а курировать вопросы декарбонизации в кабмине поручено первому вице-премьеру Андрею Белоусову. В конце сентября «Росгеология» сообщила, что запасов нефти в России хватит на 30 лет, а запасов газа — на 70 лет.

Немного истории. Ещё в далёком 1943 году П.К. Ощепков (основатель отечественной радиолокации [1]) написал монографию «Может ли человечество использовать энергию окружающей среды?». Позже им была написана книга «700 лет спора». Данные монографии посмертно были изданы в Ижевске в 2014 году издательством ИжГТУ имени М.Т. Калашникова [2-3]. В книгах приводятся авторские идеи преобразования окружающего тепла в электричество и весьма интересные данные об энергетических природных запасах человечества, их нарастающем потреблении и делается вывод о необходимости своевременно на будущее разрабатывать и использовать возобновляемые источники энергии.

Фредерик Жолио-Кюри, находясь в Москве в 1949 году и выступая в Политехническом музее с лекцией, посвящённой будущему атомной энергетики, заявил: «Хотя я и верю в будущее атомной энергии и убеждён в важности этого изобретения, однако я считаю, что настоящий переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем осуществлять массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу, или даже более высокого качества».

Передовыми учёными во всём мире было сделано немало ценных предложений по эффективному использованию атомной и термоядерной энергии, солнечной энергии, ветроэнергетики, энергии рек, приливов и геотермальных источников, водородной энергетики и множества других термоэффектов.   

Реальность. Климат на планете заметно меняется и стало неизбежным принятие срочных мер по ограничению тепловых и других вредных выбросов при использовании ископаемых источников энергии. Естественный путь – развитие и совершенствование возобновляемой «зелёной» энергетики, всех её направлений.

Одно из них ветроэнергетика. Первые ветрогенераторы для выработки электроэнергии были созданы в 1887-88 годах, в Шотландии и США. Максимальная мощность тогда не превышала 12 кВт. Сейчас ветроэнергетика используется во многих передовых странах. По общему мнению, лидирует Дания. Российский завод «Вестас Мэньюфэкчуринг Рус», запущенный в Ульяновске в декабре 2018 года, производит композитные лопасти для турбин ветроэнергетических установок (ВЭУ), не имеющие аналогов в РФ. Производственная площадка расположена на территории авиационного кластера, лопасти предназначены для ВЭУ мощностью от 3,4 до 4,2 МВт. В 2020 году выпущено более 250 лопастей, в 2021 году - 300 лопастей, в том числе поставляемых в Данию.

Наиболее яркими примерами ВЭУ сегодня являются ветряные электростанции в США и Киргизии.  

             Ветряная электростанция в Калифорнии (США) и один из участков ВЭУ в Киргизии.

  В 7 км от п. Мирный и 27 км от г. Евпатория (Крым) находится действующая ветряная электростанция - Мирновская ВЭС, которая введена в эксплуатацию в 1998 г. и расположилась на двух площадках: Мирновская площадка, рядом с посёлком Мирный - 158 установок: USW 56-100 — 155 шт. и T600-48 — 3 шт.; Воробьёвская площадка, рядом с посёлком Воробьёво - 22 установки: USW 56-100 — 22 шт. Всего в парке 180 ветроэнергетических установок, общей мощностью 22,6 МВт.

                                     Мирновская ВЭС 

     «Башни ВРС» - ведущий производитель башен ветроэнергетических установок в России. «Зеленые» электростанции, построенные с использованием оборудования предприятия, уже установлены в Каменском, Азовском и Верхнедонском районах Ростовской области.

Однако следует указать на некоторые недостатки ветроэнергетики: повышенный шум в зонах установки ветрогенераторов и уменьшение эффективности их работы при низких температурах. Тем не менее, это не снижает общего интереса к ветроэнергетике, так как указанные недостатки со временем будут устранены.

Наибольшее распространение в мире завоёвывает солнечная энергетика. Причины кроются в постоянном повышении КПД преобразования солнечной энергии в электричество, широкой доступности и окупаемости солнечных батарей и наличии большого количества солнечных дней на многих территориях планеты. Хорошо известна практическая реализация проектов использования солнечной энергии в США, Франции, Японии, ЮАР, России.

Солнечная электростанция в селе Кош-Агач Республики Алтай, Россия [4].

 В России разработали проект перспективной солнечной космической электростанции. Комплекс электростанции будет состоять из двух частей: космической и наземной. Он также сможет выполнять роль орбитальной "зарядной станции" и передавать энергию другим спутникам. На поверхности расположится принимающий модуль — система антенн, получающих солнечную энергию по лазерному каналу, преобразующих и распространяющих её потребителям. Срок службы солнечных модулей 25 лет с тенденцией увеличения до 40 лет. А земных вариантов применения солнечных модулей очень много (два простейших из них показаны на рисунке ниже).

              «Бытовка» и «солнечная» тетрадь размером А4 (для зарядки мобильных средств связи)

Новочебоксарский завод группы компаний «Хевел» за первый квартал 2020 года выпустил более 187 тыс. высокоэффективных гетероструктурных солнечных модулей общей мощностью 63,6 МВт, 90 тысяч ячеек и 1800 их цепочек объемом 0,5 МВт. Выпуск продукции на 34,7% превышает аналогичные показатели 2019 года. За счет повышения эффективности ячеек и применения новых материалов максимальная мощность односторонних модулей достигла 330 Вт, двусторонних, без учёта коэффициента двусторонности – 393 Вт. В соответствии с проведенными собственными измерениями средний КПД ячеек, выпускаемых по гетероструктурной технологии, составил 23,3% при максимальном значении 23,8%.

У коммерческих предприятий растёт интерес к созданию собственной солнечной генерации. Сибирский федеральный округ занял второе место после Южного ФО по объему мощностей солнечных фотоэлектрических установок, введенных в эксплуатацию бизнесом за последние несколько лет. В СФО этот показатель составил 1 МВт 583 кВт, в ЮФО - 11 МВт 377 кВт. На третьем месте оказался Дальневосточный федеральный округ с 1 МВт 240 кВт.

Недавно компания «Конкордия» поставила 46 электроавтобусов со смешанной системой питания – от аккумуляторных батарей и от солнечных элементов, встроенных в крышу автобусов. Автобус едет и по дороге заряжается. Благодаря обновлению зарядка аккумуляторов (летом) требовалась всего один раз в четыре дня.

В Сингапуре построили крупнейшую в мире морскую плавучую солнечную электростанцию. Если земли мало, а возобновляемая энергетика наступает, то можно воспользоваться водной гладью. В мире немало пресных водоёмов, на поверхности которых плавают солнечные электростанции, но совсем немного солнечных ферм плавает по поверхности морей и океанов.

                                             Сингапур, морская солнечная электростанция

Мощность морской солнечной фермы в Джохорском проливе между Сингапуром и Малайзией сравнительно небольшая - всего 5 МВт. В год она будет вырабатывать до 6 млн кВт/ч электроэнергии. Но главное, что электростанция не занимает драгоценного места на суше и для прибрежных районов это ценный опыт. Для постройки объекта использовано 13 312 панелей, 40 инверторов и более 30 000 плотов. При оптимальной выработке установка поможет избежать выбросов углекислого газа на уровне 4258 тонн в год.

При строительстве солнечной электростанции пришлось решать ряд вопросов, включая безопасность для судоходства и проблему с обрастанием плотов ракушками. Также электростанцию жёстко закрепили на месте, чтобы избежать пагубного влияния штормов. Выработанное электричество по кабелю передаётся на берег в национальную энергораспределительную систему. Для преобразования и контроля сети на станции установлен трансформатор на 22 кВ и система управления.

Российская компания «Энерговольт» поставляет на российский рынок уже не первый год качественные солнечные батареи для солнечных электростанций   с КПД 20%, предоставляя гарантию солнечных панелей до 10 лет, при сроке службы более 25 лет.

«Рязанский завод металлокерамических приборов» выпускает целую серию солнечных модулей: RZMP 72, 60, 54, 48, 36 и 18 (количество элементов), обеспечивая диапазон мощности от 315…330 Вт (RZMP 72) до 63…83 Вт (RZMP 18). Закалка стекла обеспечивает высокую прочность модуля, предохраняя его от повреждений при воздействии града, снега, льда, ветра. Низкое содержание оксидов железа в стекле обеспечивает его высокую прозрачность и гарантирует повышенный КПД. Текстурированная поверхность стекла обеспечивает повышенную выработку энергии вследствие более эффективного собирания диффузного и прямого излучения. Специальное покрытие стекла препятствует скапливанию грязи на поверхности, увеличивая его прозрачность. Высокая прозрачность ламинирующего материала в ультрафиолетовой области с лицевой стороны модуля обеспечивает повышенную выработку энергии даже при пасмурной погоде и в зимнее время.

Солнечные модули компании Topray Solar (КНР) используются в качестве основного источника энергии в целом ряде оборудования: светодиодные дорожные объекты, табло контроля скорости, уличное светодиодное освещение, локальные метеостанции и многое другое. Солнечные модули разработаны таким образом, чтобы выдерживать экстремальные температуры и суровые погодные условия: град, снег, сильный ветер, ливни и высокие уровни ультрафиолетового излучения. Различные модификации позволяют рассчитать систему под любые требования заказчика.

    За последние восемь лет мощности ВИЭ (солнечная и ветровая энергия) выросли в 21 раз, что объясняется развитием технологий, которые обеспечивают удешевление производства электроэнергии, и повышенным вниманием к вопросам экологии во многих государствах мира. К 2050 году солнечная и ветряная энергетика будут совместно вырабатывать около половины используемого в мире электричества — 22% будет произведено солнечными электростанциями, а 26% — ветряными.

Ещё одним перспективным направлением является водородная энергетика, получившая наибольшее применение в современном автотранспорте. Водородное топливо является экологически абсолютно чистым и многие компании стали специализироваться на этом направлении.

                                Варианты автотранспорта на водородном топливе

Так, компания Ineos (Великобритания) существенно продвинулась в создании водородного транспорта, имея собственное производство водорода. Химический концерн Ineos, в рамках которого работает автомобильное подразделение, уже сейчас выпускает по 400 тысяч тонн водорода ежегодно. В компании уверяют, что при использовании в автомобилях это количество эквивалентно двум миллиардам тонн дизтоплива. В ближайшей перспективе Ineos намерена вложить 2 млрд евро в создание новых заводов по выработке водорода по всей Европе. Помимо собственного внедорожника Гренадера, компания включилась в еще один водородный проект: это экскурсионные электробусы StreetDeck Hydroliner британской компании Wrightbus. Первая опытная партия используется в Лондоне с 2020 года и Ineos будет принимать участие в развитии этой программы.

Губернатор Сахалинской области В. Лимаренко заявил о планах датской компании Copenhagen Infrastructure Partners арендовать курильский остров Шумшу. Датская компания специализируется на инвестициях в возобновляемые источники энергии. Произведённый водород датчане планируются продавать, в том числе в Японию.

В Подмосковье появится новый генерирующий объект на возобновляемом источнике энергии - биогазе.

В Министерстве энергетики Московской области завершили конкурс на строительство генерирующего объекта, функционирующего на основе возобновляемого источника энергии (биогаза), его планируют установить на полигоне ТКО «Тимохово» в городском округе Богородский.

Конкурсный отбор инвестиционного проекта проходил с января по март 2020 года, это первый конкурс в этом году. Ранее в 20182019 были отыграны конкурсы на строительство 8 генерирующих объектов, функционирующих на основе возобновляемых источников энергии: Торбеево (г.о. Люберцы), Тимохово (г.о. Богородский), Царево (г.о. Пушкинский), Кучино (г.о. Балашиха), Ядрово (Волоколамский г.о.), Непейно (Дмитровский г.о.), Кулаковский (г.о. Чехов), Съяново (г.о. Ступино). Генерирующие установки на этих полигонах будут перерабатывать свалочный газ в «зеленую электроэнергию». Общая установленная мощность объектов – 16,36 МВт, а общий прогнозируемый объем вырабатываемой электроэнергии – 108,203 млн кВт/ч.

Генерирующий объект на полигоне ТКО «Тимохово» станет девятым объектом в Подмосковье, который будет работать на возобновляемом источнике энергии, и первым, функционирующим на биогазе. Подобные установки появятся в регионе впервые, это даст возможность не только получать «зеленое электричество», но и позволит улучшить экологическую обстановку в регионе.  

Разработки в области возобновляемых источников энергии ведутся в самых разных направлениях. Так научная группа из Китайской академии наук создала уникальную систему - переносной электрический генератор, собирающий энергию ветра даже при обычной ходьбе. Хоть установка и работает от потоков ветра, это далеко не турбина. Ведь данный генератор производит сбор энергии за счет механизма по аналогии сравнимым с генератором статического электричества, а именно трибоэлектрического эффекта. Так вот, когда воздух проходит через трубку, плоскости лент начинают хлопать и таким образом   накапливают энергию. Как утверждают разработчики, сконструированный ими нано-генератор способен функционировать даже при слабом потоке ветра в 5 км/ч. Проведенные тесты продемонстрировали работоспособность даже на человеке при ходьбе. При этом КПД такого устройства составляет скромных 3,23 %. Как предполагают китайские инженеры, их разработка может найти применение для питания небольших современных электронных устройств.

На выставке Renwex - 2021 по возобновляемой энергетике более 50% продукции на стендах было посвящено солнечной энергетике, а около 25% ветроэнергетике [7].

Новая выставка Renwex - 2022 состоялась в ЭкспоЦентре Москвы 21-23 июня 2022 г. Цель выставки – способствовать развитию использования возобновляемых источников энергии в энергетике России посредством предоставления доступа участникам рынка к передовым технологиям и оборудованию, создания высокоэффективной коммуникационной площадки для обсуждения и решения актуальных вопросов отрасли в диалоге бизнеса, органов власти и общества.

Для смягчения последствий глобального потепления 190 стран мира подписали Парижское соглашение по климату в декабре 2015 года. Оно определяет план действий по сдерживанию роста температуры на планете. Соглашение не предполагает полного отказа от ископаемого топлива. Однако все стороны должны принять меры по сокращению выбросов, технологическому перевооружению, адаптации к климатическим изменениям и постепенному переходу на возобновляемые источники энергии.

Задачи выставки: интенсификация международного сотрудничества в области передачи технологий и обмена опытом развития ВИЭ; демонстрация и насыщение российского рынка передовыми технологиями и решениями в области строительства и эксплуатации энергетических объектов, использующих ВИЭ; способствование реализации «Энергетической стратегии России на период до 2035 года»; привлечение к работе в России зарубежных производителей с целью трансферта технологий и локализации на российских предприятиях производства комплектующих для электростанций, работающих на ВИЭ; развитие отечественной научно-технической базы и освоение передовых технологий в области использования ВИЭ; презентация потенциала развития энергетики на возобновляемых источниках энергии в регионах России.

Примеры основных тем деловой программы: Зеленая экономика и декарбонизация промышленности России: перезагрузка и новые точки роста; Развитие распределенной генерации в удаленных и изолированных районах Дальнего Востока и Арктики; Развитие зарядной инфраструктуры для электротранспорта; Инновационные технологии в ВИЭ: успешные кейсы локализации.

Специалисты отметили, что в 2022 году треть от общемирового объема электроэнергии может быть получена с использованием возобновляемых источников, при этом потребление угля продолжит снижаться.
«Прогнозы по мощностям дают основание предположить, что установленная мощность электростанций на основе возобновляемых источников увеличится на 295 ГВт – рекордный показатель второй год подряд», – указано в исследовании.

Самая большая доля в приросте мощностей в 2022 году придется на солнечную энергетику и ветроэнергетику, особенно в США и Китае, передает агентство «Прайм». Отмечается, что это облегчит переход к чистой энергетике с учетом выполнения принятых на COP26 обязательств по постепенному отказу от использования угля и прекращению к концу 2022 года международной государственной поддержки энергетики, работающей на ископаемом топливе без использования технологий по сокращению выбросов углекислого газа.

Согласно прогнозам и анализу текущей ситуации человеческая цивилизация преодолела знаковую веху на пути к выработке электроэнергии от света Солнца. Сообщается, что установленные на Земле совокупные мощности солнечных ферм достигли отметки 1 ТВт.

Наибольший вклад в установленную солнечную мощность вносит Китай. Границу в 100 ГВт установленных мощностей Поднебесная преодолела к началу 2017 года. Европа достигла аналогичного рубежа в 2015 году. В США преодолели ту же границу в первом квартале 2021 года. На эти три региона и приходится свыше половины установленных в мире солнечных мощностей.

«Мы ожидаем, что в обсуждениях по возобновляемым источникам энергии станут рассматриваться вопросы, связанные с системами хранения и передачи, которые являются одним из ключевых элементов процесса повышения устойчивости энергосетей», – отметили специалисты.

Всем людям на Земле нужна энергия: для приготовления пищи, для обогрева и освещения, для производства товаров, словом, для полноценной жизни. Временами энергии много, в избытке, значит её надо запасать, а это непросто. Дрова и уголь можно заготавливать, природный газ и нефть можно хранить в резервуарах, а солнечную и ветряную энергию надо надёжно аккумулировать. А в этом пока проблема – в эффективной аккумуляции «зелёной» энергии. Ископаемое топливо однажды закончится, поэтому возобновляемая энергетика будет развиваться – неизбежный процесс.

В экспозиции «Renwex-2022» 74 компании из России, Австрии, Испании, Китая, Франции, Швейцарии представили оборудование и технологии ветро-, гидро-, солнечной, геотермальной и биоэнергетики; электротранспорт, электромобили и зарядную инфраструктуру, а также услуги сервисных компаний по монтажу, наладке и обслуживанию оборудования.

Впервые свои экспозиции представили такие компании, как «Мовиком Электрик», «Лазерные системы», «Рэнера», «Акку-​Фертриб», «ФАП», KEB-RUS, «Гермес-​Телеком», «Титанат» - солнечные инверторы, ветряные конверторы, преобразователи частоты и системы для накопления энергии. Впервые была показана линейка стринговых инверторов и мощных зарядных преобразователей для систем накопления энергии.

Компания ООО «Аккутрэйд Плюс» - ведущий российский поставщик стационарных и тяговых аккумуляторных батарей для различных областей применения, специализируется на поставках АКБ для использования в источниках бесперебойного питания, системах резервного электропитания, для охранно-пожарных систем, телекоммуникаций, медицинского оборудования, уборочной техники, альтернативной энергетики.

Компания Fronius, Австрия, занимается фотовольтаикой с 1992 года, разрабатывает и производит высокопроизводительные инверторы для подключенных к сети фотоэлектрических систем мощностью от 1 кВт и выше. Ассортимент продукции дополняется компонентами для системного мониторинга, визуализации и анализа данных - все они доступны в виде автономных дополнений к продукту.

Компания «Аэрокомпакт», Австрия (Intelligent Solar Racking), специализируется на производстве аэродинамических подконструкций для фотоэлектрической промышленности, уделяя особое внимание производству и продаже фотоэлектрических подконструкций для плоских крыш без прямого подключения, а также программному обеспечению для проектирования Aerotool, которое доступно бесплатно онлайн для каждого клиента. Между тем, крепежные решения для наклонных крыш или открытых площадок дополняют портфель продуктов. Все устройства тестируются в соответствии с самыми высокими отраслевыми стандартами, а расчет ветровой и снежной нагрузки выполняется для каждого отдельного проекта в собственном онлайн-программном обеспечении 3D Engineering Aerotool. Компания «Аэрокомпакт» имеет 14 офисов по всему миру с основными местами расположения в Австрии, США и Индии. Системные решения компактны и аэродинамичны, на какой бы поверхности они не крепились. Стабильность и безопасность основаны на особой форме компонентов носителя и его высококачественной обработке.

Компания Shenzhen Growatt New Energy Co., Ltd (Китай) поставляет высококачественные солнечные устройства по конкурентоспособной цене, делая «зеленую» энергию более доступной во всем мире. Growatt разрабатывает, производит и продает ведущие международные солнечные инверторы для фотоэлектрического применения. Это тип электрического преобразователя, который преобразует исходный постоянный ток фотоэлектрической солнечной панели в переменный ток определённой частоты и напряжения, который может подаваться в общую электрическую сеть или использоваться домашней электросетью. Это критически важный элемент в солнечной электростанции, который позволяет обычному оборудованию, потребляющему переменный ток, работать в сочетании с солнечными панелями и/или аккумуляторами на постоянном токе. Инверторы солнечной электростанции имеют специальные функции, необходимые для использования с солнечными панелями, включая отслеживание точки максимальной мощности и автоматическое выключение при исчезновении сети.

ECM Technologies (Франция) предложила готовые решения для фотовольтаических линий, охватывающих всю производственную цепочку: от очистки кремния до систем фотовольтаических панелей с использованием промышленных печей для выращивания фотовольтаического кремния и   установок для производства возобновляемых источников энергии и её хранения (литий-ионные батареи).

Испанская компания «Орбисэлек» специализируется на производстве: реле времени, датчиков движения, реле контроля уровня, фотореле, австрономических таймеров, комнатных термостатов, терморегуляторов и др. Продукция включает номенклатуру более чем 300 изделий.

Специалисты компании ENERGON (Россия) демонстрировали оборудование для строительства коммерческих и частных солнечных электростанций под брендами DELTA Solar Series и SMARTWATT.
Отдельный акцент был сделан на новинках: Li-ion накопителях POWERWALL на основе LiFePO₄ ячейки класса А и DELTA DSS – системе накопления энергии на основе Li-ion ячеек.

Компания WepfAir AG (Швейцария) лидирует в разработке и производстве различных модификаций высокоэффективных ветровых турбин класса до 1 МВт.

Три отечественных ветроэлектростанции введут в эксплуатацию до конца 2025 года на Курильских островах в рамках модернизации объектов электроэнергетики на базе возобновляемых источников энергии. Они должны появиться на островах Кунашир (ввод в 2023 году), Шикотан (ввод 1-й очереди в 2025 году) и Парамушир (ввод в 2025 году).

                                                   Будущие Курильские ветряки

Заключение: Выставка показала существенный прогресс в развитии зелёной энергетики и её внедрения в быт и промышленные технологии человечества.

Литература:

1. Военная энциклопедия в 8 томах. Том 6, с.215. М.: Военное издательство, 2002.
2. Ощепков П.К. Избранное. Ижевск: Изд-во ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, 2014. 284 с. (с.59-213).
3. Ощепков П.К. 700 лет спора. Ижевск: Изд-во ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, 2014. 212 с.
4. Эпинатьев И.Д., Матвеев В.И., Панин Е.О., Ковалева Н.Ю. Химическая безопасность промышленных территорий. ХИМИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2018, Том 2, №1, с.252-262, http://www.chemsafety.ru.  
5. Клюев В.В., Матвеев В.И. Форум «АРМИЯ – 2017». Территория NDT, №4, 2017, с.42-49.
6. Матвеев В.И. Ресурсосберегающие технологии на основе диагностики и средств неразрушающего контроля. Материалы конференции ХIМеждународного форума «Высокие технологии ХХI века», 19-22 апреля 2010 г. – М.: ЗАО «ИНФЕСТ», 2010, 384 с. (с. 84).
7. Матвеев В.И. RENWEX Возобновляемая энергетика и электротранспорт. «Справочник. Инженерный журнал», 2021, №12, с.45-52.