Повышение эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики

Не решенной на данный момент проблемой аэростатных солнечных электростанций является размещения их в пространстве. Возможны различные варианты размещения таких электростанций : в горной местности, над поверхностью океанов и морей, в воздушном пространстве. При рассмотрении каждого варианта имеются свои положительные и отрицательные стороны. Необходимо учитывать все возможные факторы: климатические и географические условия, длину паропровода, возможные помехе воздушному транспорту [19].

Данный вид солнечных электростанций имеет неплохую перспективу, так как затраты на строительства таких аэростатных станций не большие. Серизной проблемой является закрепления паропровода и большое расстояния от непосредственно аэростата до турбины. Данные технические проблемы можно решить, используя в паропроводе материалов термостойких и имеющих большой теплоизоляционный КПД.

СЭС башенного типа. Принцип действия солнечных электростанций башенного типа заключается в получении водяного пара при помощи нагрева специального резервуара с водой с использованием концентрированного солнечного излучения, и дальнейшего получения электроэнергии за счет подачи пара на турбогенератор.

В центре всей системы расположена башня, на вершине которой размещен резервуар-приемник с водой, окрашенный в черный цвет для большего поглощения концентрированного солнечного излучения, и, соответственно, получения большей температуры нагрева самого резервуара с водой. В самой башне также расположена насосная система, осуществляющая доставку водяного пара из резервуара на турбогенератор, расположенный вне башни.

Концентрация солнечного излучения на резервуаре-приемнике осуществляется с помощью системы гелиостатов, размещенных вокруг центральной башни. Гелиостат представляет собой зеркало площадью в несколько квадратных метров, закрепленное на опоре и подключенное к общей системе позиционирования. Система позиционирования, в зависимости от текущего положения солнца, ориентирует каждый гелиостат на центральную башню так, чтобы отраженные лучи попадали точно на приемник. Сложность реализации системы позиционирования заключается в необходимости вращать каждый гелиостат вокруг двух осей практически в реальном времени. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе, помимо использования воды (водяного пара), могут использоваться воздух и гелий, синтетические масла. Также производители экспериментируют с другим теплоносителем -- расправленными солями. Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником.



Рисунок 15. Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником.

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов (в соответствии с рисунком 15). Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482⁰C.

Первая башенная электростанция под названием "SolarOne" близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать "SolarOne" для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из "холодного" бака при температуре 288⁰C и проходит через приемник, где нагревается до 565⁰C, а затем возвращается в "горячий" бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3-13 часов.

"SolarTwo" - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550⁰C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта "SolarTwo" должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт[20].

Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как системы тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт. Параболоцилиндрические установки - на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер "тарелок" позволяет использовать их в небольших установках. Башни и "тарелки" позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у параболических концентраторов. Однако остается неясным, смогут ли эти технологии достичь необходимого снижения капитальных затрат. Параболические концентраторы в настоящее время - уже апробированная технология, ожидающая своего шанса на совершенствование. Башенные электростанции нуждаются в демонстрации эффективности и эксплуатационной надежности технологии расплавленных солей при использовании недорогих гелиостатов. Для систем тарельчатого типа необходимо создание хотя бы одного коммерческого двигателя и разработка недорого концентратора.

СЭС тарельчатого типа.

Рисунок 16. Солнечная установка тарельчатого типа.

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки (в соответствии с рисунком 16). Жидкость в приемнике нагревается до 1000 градусов и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.

Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP (SolarTotalEnergyProject) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике.

Совместным использованием параболических зеркал и двигателей Стирлинга заинтересовались и другие компании. Так, фирмы "StirlingTechnology", "StirlingThermalMotors" и "DetroitDiesel" совместно с корпорацией "ScienceApplicationsInternationalCorporation" создали совместное предприятие с капиталом 36 млн долларов с целью разработки 25-киловаттной системы на базе двигателя Стирлинга[21].

СЭС использующие двигатель Стирлинга.СЭС, использующие двигатель Стирлинга, состоят из непосредственно двигателя Стирлинга с газообразным или жидким рабочим телом соединенного с ним электрогенератора и концентратора в форме параболической антенны.

Поверхность параболической антенны покрыта отражающим световой поток материалом. Именно параболическая форма отражающей поверхности обеспечивает концентрацию солнечных лучей таким образом, что они собираются в одной точке -- фокусе параболоида, создавая там очень высокую температуру, превышающую 3,5 тысячи градусов Цельсия. При этом температура напрямую зависит от размеров параболоида. Таким образом, с помощью параболической антенны, осуществляется преобразование солнечной энергии в тепловую энергию.

Для преобразования тепловой энергии, полученной на предыдущем этапе, в электрическую энергию используется двигатель Стирлинга в связке с электрогенератором. Двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объеме. Принцип работы объема рабочего тела основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения.

В роли газообразного рабочего тела может выступать не только воздух, но также водород или гелий. В роли жидкого рабочего тела -- сжиженный пропан-бутан, вода. В последнем случае вода остается в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла.

Двигатель Стирлинга может работать не только от сжигания топлива, а от почти любого перепада температур, вплоть до перепада температур между разными слоями воды в океане. Именно эта особенность сделала возможным применение двигателя Стирлинга в солнечных электростанциях, где нагрев рабочего тела происходит за счет сконцентрированного солнечного излучения.

Стоит отметить ряд преимуществ двигателя Стирлинга по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. Главное преимущество заключается в том, что в случае преобразования солнечной энергии двигатель Стирлинга дает больший КПД, чем тепловые машины на пару, и может достигать 31,25 процентов. Еще одним важным преимуществом является простота конструкции двигателя, и, как следствие, небывалый для других двигателей ресурс работы. Еще один плюс -- бесшумность работы двигателя. Двигатель Стирлинга не расходует рабочее тело и не имеет выхлопа, а значит и не шумит, и более того, практически не имеет вибраций.

В итоге, процесс преобразования солнечной энергии в электрическую выглядит следующим образом: концентратор превращает солнечное излучение в тепло; двигатель Стирлинга превращает тепло, отданное ему концентратором, в механическую энергию, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую с помощью электрогенератора.

СЭС, использующие параболические концентраторы.

Рисунок 17. СЭС использующие параболические концентраторы

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель (в соответствии с рисунком 17). Эта жидкость нагревается почти до 400⁰C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой "LuzInternational", девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества. Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. "LuzInternational" установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему "SolarElectricGeneratingSystem I" (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт. В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343^оC и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция "SEGS I" предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации. Эта же компания построила аналогичные электростанции "SEGS II - VII" мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены "SEGS VIII и IX", каждая мощностью 80 МВт [22].

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

СЭС распределенного типа. Солнечная электростанция распределенного типа состоит из большого числа модулей, каждый из которых, в свою очередь, состоит из концентратора солнечного излучения и приемника в виде трубки, в котором концентрируются отраженные солнечные лучи. По трубке-приемнику течет теплоноситель, в качестве которого чаще всего выступает синтетическое масло.

Солнечные электростанции распределенного типа в зависимости от конструкции концентратора подразделяются на два типа -- СЭС, использующие параболические концентраторы, и СЭС тарельчатого типа.

СЭС, использующие параболические концентраторы, состоят из зеркал-отражателей в форме желобов. В фокусе параболы устанавливается трубка-приемник, в которой концентрируются отраженные солнечные лучи.

Теплоноситель, протекающий по трубке, нагревается и отдает тепло воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор, где и происходит выработка электричества.

Отличие СЭС тарельчатого типа от СЭС, использующих параболические концентраторы, заключается только в конструкции самого концентратора. СЭС тарельчатого типа состоят из зеркал-отражателей в форме тарелок

Приемник устанавливается на некотором удалении от отражателя, в нем концентрируются отраженные солнечные лучи. Сам процесс выработки электричества полностью совпадает с таковым на СЭС с параболическими концентраторами.

1.3.3 Комбинированные СЭС

Солнечная комбинированная электростанция запускает теплорегуляционые петли теплоотдачи от фотоэлектрических и фототермических термогенераторов оснащенных зеркальными параболоцилиндрическими модулями-концентраторами предпочтительно арсенид-галлиевыми термостойкими солнечными элементами с максимально возможной высокоточной коррекцией оптических потерь. Электростанция так же оснащена низкотемпературной петлей с гелио корректорами, по сравнении с водой рабочие тело паросилового контура имеет большей КПД и более выгодные термодинамические свойства. Двигатели электростанции выполнены в виде объемной роторной паровой машины по металлоемкости и надежности превосходящею паровую турбину. Общий фотодинамический коэффициент превышает другие термобарические солнечные электростанции.

Коэффициент полезного действия чисто термодинамического пароводяного цикла Ренкина не превышает 16%, что является недостатком данного вида электростанций. С этим связана большое снижение эффективности землепользования и соответственно высокая стоимость оборудования и очень большой срок окупаемости.

В качестве прототипа принимается известная фототермодинамическая солнечная комбинированная электрическая станция, содержащая циркуляционные контуры теплопередачи, первый из которых включает теплопередающую петлю из расположенных последовательно приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, парогенератора, пароперегревателя, циркуляционного насоса, соединенного одним своим выходом с входом теплопередающей петли приемников модульного концентратора солнечной энергии, а вторым выходом через дублирующий источник тепла соединенного с входом указанного пароперегревателя, содержащая второй паросиловой контур с пароводяным рабочим телом, состоящий из последовательно размещенных: экономайзера, паросиловых частей парогенератора и пароперегревателя, теплового двигателя с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением и конденсатного насоса, содержащая электролизер разложения воды на водород и кислород, инвертор с аккумулятором, систему низкопотенциального теплоснабжения с циркуляционным насосом.

С помощью известной фототермодинамической электростанции не представляется возможным достигнуть выше 20% суммарный фототермодинамический коэффициент преобразования солнечной энергии при получении электроэнергии.

Данный недостаток, в первую очередь, обусловлен тем, что прототипом предусмотрено применение низкотемпературных, в том числе кремниевых фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей, работоспособных с КПД 10% лишь при температуре не выше 55^oC. Поэтому они располагаются на экономайзерах, которые используются, главным образом, для низкотемпературного подогрева с помощью приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии при коэффициенте концентрации менее 20, воды, циркулирующей в сети теплоснабжения и лишь в малой степени для подогрева конденсата, образующегося в паросиловом цикле.

В связи с этим фактором весьма незначителен вклад (менее 5%) сбросного тепла, получаемого при охлаждении низкотемпературных фотоэлементов, в выработку электроэнергии турбогенератором.

Другим фактором, обуславливающим низкий термодинамический КПД прототипа, являются невыгодные термодинамические свойства применяемого рабочего тела - воды в комбинированном фототермодинамическом паросиловом цикле солнечной электростанции. Это, прежде всего, высокие критические параметры водяного пара: давление 21,8 МПа, температура 374^oC при высокой теплоте испарения 539 ккал/кг.

По указанным принципиальным причинам суммарный фототермодинамический коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую в прототипе может быть даже ниже 20%.

Помимо низкого КПД, использование воды в качестве рабочего тела в паросиловом цикле, обуславливающее применение высоких температур и давлений, влечет за собой требование высокой прочности и соответственно металлоемкости оборудования при высокой стоимости, низкой надежности работы и опасности при эксплуатации прототипа.

В прототипе нерационально применение низкотемпературного экономайзера, снабженного приемниками модульного зеркально параболоцилиндрического концентратора со следящей системой.

Низкотемпературный подогрев конденсата и теплофикационной воды может быть осуществлен значительно проще, надежней и дешевле с помощью неподвижных солнечных коллекторов, не требующих концентрации и систем слежения за солнцем.

Экологическим недостатком прототипа является выброс окислов азота в атмосферу с продуктами сгорания, дублирующим источником тепла, выполненным в виде традиционной котельной установки с горелками на газообразном топливе, сжигаемом в периоды отсутствия солнца. При сжигании газообразного топлива в горелке при температуре пламени порядка 2000oC идет интенсивный синтез окислов азота и в атмосферу выбрасывается до 1400 см³ названных окислов на 1 м3 дымовых газов (в пересчете на NO2), крайне токсичных для человека и животных [24].

1.3.4 Космические солнечные электростанции

Конструктивный облик типовой крупномасштабной космической солнечной электростанции в основном определен. При полезной мощности энергосистемы 5 млн. кВт электростанция будет представлять собой грандиозное сооружение массой 20--50 тыс. т. Площадь солнечного коллектора, основанного на малоэффективном, но простом и надежном фотоэлектрическом способе преобразования энергии, составит около 50 км². Другой, более эффективный термодинамический способ преобразования отличается наличием сложных систем, включая узлы вращения, большой материалоемкостью конструкции, но габариты коллектора-концентратора солнечного излучения у него будут существенно меньшими.

Выведенная на геостационарную орбиту (высота 36 тыс. км). Электростанция станет круглосуточно освещаемая Солнцем "повиснет", одной точкой земной поверхности практически непрерывно передовая и вырабатывая электроэнергию для Земли. Гелио электростанции небольших мощностей уже достаточно давно используются в космических программах. Принципиальной и нерешённой технологической задачей использования космических электростанций остаётся транспортировка электроэнергии. Транспортировка энергии из космоса на землю теоретический возможна при использовании лазера или СВЧ-излучению. Первый способ предпочтительнее по ряду причин: СВЧ-излучение беспрепятственно проникает сквозь толщу атмосферы, не боится туманов и грозовых туч. У него сравнительно низкие потери при обратном и прямом преобразовании энергии. Диаметр передающей антенны принимается равным 1 км. Излучаемый такой антенной пучок попадает на приемную антенну, диаметр которой составляет не менее 10 км. Здесь его энергия преобразовывается в электрический ток промышленной частоты, который направляется в энергосистему страны.

Положительные свойства лазерного метода заключается в формировании узкого луча, в малых размерах приемного и передающего устройств. Однако эффективность прямого и обратного преобразования энергии является невысокой, велики также потери лазерного излучения в атмосфере.

Суммарная эффективность процесса производства, передачи и приема энергии для всей энергосистемы, включая космическую и наземную части, оценивается в 5--20%, в том числе производство электроэнергии -- 10--30%, передача-прием энергии -- в 50--70%.

Для выведения с Земли на низкую космической солнечной опорную орбиту только одной электростанции потребуется не менее 200 пусков грузовых сверхмощных ракет-носителей, грузоподъемность которых составляет не менее 200 т. При эксплуатации космической солнечной электростанции и их развертывании необходимы дополнительные орбитальные комплексы -- грузовые и гражданские корабли-буксиры, ремонтно-эксплуатационные и сборочно-монтажные станции, наземный центр управления системой [25].

Создание энергосистемы нового типа потребует больших расходов. Только разработка космической солнечной электростанции, включая НИОКР и создание первого полномасштабного образца электростанции, требует 100 млрд. долл. В эту сумму входят расходы на создание сверхмощных грузовых ракет-носителей, межорбитальных буксиров, сборочно-монтажных и ремонтно-эксплуатационных станций. Развертывание системы из 60 космических солнечных электростанций с соответствующими наземными приемными устройствами потребует дополнительно 1 трлн. (1012) долл.

При ресурсе работы каждой электростанции 30 лет, темпах ввода в эксплуатацию 2 шт/год и эксплуатационных расходах около 500 млн. долл/год на каждую электростанцию затраты на 1 кВт установленной мощности составят 4--5 тыс. долл., а коммерческая цена вырабатываемой электроэнергии 8--10 цент/кВт-ч.

Следует отметить, что возмещение затрат на разработку системы (1011 долл.) предполагается осуществлять только через 20--30 лет после начала работ. Это означает удвоение расходов из-за необходимости оплаты процентов на ссуду. Возможность выделения таких средств встретит большие трудности. Напомним читателю, что разработка технических средств по программе "Аполлон" потребовала 25 млрд. долл., а эксплуатация системы началась через 8 лет после начала работ. Изыскание этих средств в 60-е годы встретило значительные трудности, которые были преодолены политическим руководством США на волне антикоммунистической кампании под лозунгом противостояния мнимому господству СССР в космосе.



Выводы по первому разделу

СЭ является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономически выгодный способ получения электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья. Солнечная энергетика -- направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Она использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. На данный момент суммарная мощность всех солнечных электростанций по всему миру составляет 39778 МВт. В процентном отношении эта мощность составила пока только около 0,1% общемировой генерации электроэнергии, в связи с тем, что основная научная деятельность в энергетики была направлена на развитие атомной энергетики, а солнечной энергии не уделялось должное внимание.

Солнечная энергетика вслед за ядерной в настоящий момент переживает подъем. Такой "ренессанс" связан с ведением политики ужесточения экологических норм для поставщиков электроэнергии и непрерывным ростом.

Солнечная электроэнергетика - наиболее эффективный вид альтернативной, безопасной энергетики в обозримой перспективе человечества.

Основными лидерами по выработке электроэнергии из фотоэлектрических установок и на солнечных электростанций является Германия - 17320 МВт, Испания - 3892 МВт, Италия - 3502 МВт и США - 2519 МВт.

На сегодняшний день ведутся исследования по усовершенствованию преобразователей солнечной энергии в электрическую. Тестируются новые виды ТСЭС, подбираются наиболее подходящие теплоносители. В фото электротехники так же ведутся работы по увеличению КПД фото модулей за счет использования примесей различных химических элементов к кремневой основе фото покрытия.



2. Состояние производства солнечной электроэнергетики в Казахстане и предложения по рациональным перспективам ее развития

2.1 Состояние энергетической отросли в Казахстане и государственные планы ее развития

Казахстан имеет крупные запасы энергетических ресурсов (нефть, газ, уголь, уран) и является сырьевой страной, живущей за счет продажи природных запасов энергоносителей. До 2010 года Казахстан являлся нетто-экспортёром электроэнергии, а после 2010 года является нетто-импортером, то есть потребляет больше электроэнергии, чем производит. Север Казахстана экспортирует электроэнергию, производимую на построенной еще в советское время Экибастузской ГРЭС-1, в Россию, а юг покупает её у Киргизии и Узбекистана.

Производство электроэнергии.

Суммарная установленная мощность всех электростанций Казахстана составляет 19 тысяч МВт, а фактическая мощность -- 14 558,0 МВт. Казахстан вырабатывает 87,2 млрд. КВтчас электроэнергии в год (данные 2012 г., против 1053 млрд. КВтчас Россией, и 3900 млрд. КВтчас - США, 4744 млрд. КВтчас - Китаем), то есть электровооруженность Казахстана 3,9 МВтчас/чел в год против 6,7 - в России, 14 - США, 3,2 - в КНР. К сожалению, выработка большинства электростанций не достигает установленной мощности (уровень выработки 1990 года - 87,4 млрд. КВтчас). Выработка по типу электростанций распределяется следующим образом:

-ТЭС (тепловые электростанции) -- 87,7%, в том числе:

- КЭС (конденсационные электростанции) -- 48,9%;

- ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) -- 36,6 %;

- ГТЭС (газотурбинные электростанции) -- 2,3%;

-ГЭС (гидроэлектростанции) -- 12,3% [2].

Около 72% электроэнергии в Казахстане вырабатывается из угля, 12,3% -- из гидроресурсов, 10,6% -- из газа и 4,9% -- из нефти. Таким образом, четырьмя основными видами электростанций вырабатывается 99,8% электроэнергии, а на альтернативные источники приходится менее 0,2%.

Электрические станции разделяются на электростанции национального значения, электростанции промышленного назначения и электростанции регионального назначения.

К электрическим станциям национального значения относятся крупные тепловые электрические станции, обеспечивающие выработку и продажу электроэнергии потребителям на оптовом рынке электрической энергии Республики Казахстан:

ТОО "Экибастузская ГРЭС-1;

АО "Станция Экибастузская ГРЭС-2";

АО "Евроазиатская Энергетическая Корпорация" (Аксуская ГРЭС);

ТОО ГРЭС "Корпорация Казахмыс";

АО "Жамбылская ГРЭС",

а также гидравлические электростанции большой мощности, используемые дополнительно и для регулирования графика нагрузки ЕЭС РК:

Бухтарминская ГЭК АО "Казцинк",

ТОО "AES Усть-Каменогорская ГЭС",

ТОО "AES Шульбинская ГЭС".

К электростанциям промышленного значения относятся ТЭЦ, с комбинированным производством электрической и тепловой энергии, которые служат для электро-теплоснабжения крупных промышленных предприятий и близлежащих населенных пунктов:

ТЭЦ-3 ТОО "Караганда-Жылу;

ТЭЦ ПВС, ТЭЦ-2 АО "АрселорМиттал Темиртау";

Рудненская ТЭЦ (АО "ССГПО");

Балхашская ТЭЦ, Жезказганская ТЭЦ ТОО Корпорация "Казахмыс";

Павлодарская ТЭЦ-1 АО "Алюминий Казахстана";

Шымкентская ТЭЦ-1,2 (АО "Южполиметал") и другие.

Электростанции регионального значения -- это ТЭЦ, интегрированные с территориями, которые осуществляют реализацию электрической энергии через сети региональных электросетевых компаний и энергопередающих организаций, а так же теплоснабжение близлежащих городов.

Установленные мощности

Суммарная установленная мощность электростанций Казахстана составляет 18,99 млн. кВт. В структуре мощностей 88% приходится на ТЭС, 12% - на ГЭС и менее 1% - на прочие виды генерации. Всего в эксплуатации находятся 63 электростанции.

Основу электроэнергетики Казахстана составляют крупные ГРЭС:

- Экибастузская ГРЭС-1 - 4 млн. кВт;

- Аксуская ГРЭС - 2,1 млн. кВт;

- Жамбылская ГРЭС - 1,2 млн. кВт;

- Экибастузская ГРЭС-2 - 1 млн. кВт.

На р. Иртыш сооружены Бухтарминская ГЭС - 0,7 млн. кВт, Усть-Каменогорская ГЭС - 0,3 млн кВт и Шульбинская ГЭС - 0,7 млн. кВт. На р. или построена Капчагайская ГЭС - 0,4 млн. кВт.

В число крупнейших ТЭЦ, осуществляющих тепло- и электроснабжение крупных промышленных предприятий и близлежащих населенных пунктов, входят: Павлодарская ТЭЦ, Шымкентская ТЭЦ, Балхашская ТЭЦ, Рудненская ТЭЦ и др.

Крупнейшими новыми проектами, которые планируется ввести в ближайшее время, являются:

- Мойнакская ГЭС на р. Чарын (ввести в строй планируется в 2011 году, мощность составит 0,3 млн. кВт),

- Балхашская ТЭС (ввод в эксплуатацию планируется в 2013 году, мощность на первом этапе - 1,3 млн. кВт, к 2016 году - 2,6 млн. кВт).

С 1973 по 1999 года на п-ове Мангышлак функционировал Мангистауский атомно-энергетический комплекс (бывшая Шевченковская АЭС) мощностью 52 тыс. кВт (на момент закрытия). Производимая электроэнергия использовалась для опреснения морской воды.

Производство и потребление электроэнергии.

В 2011 году в Казахстане было произведено 85,9 млрд. кВт ч электроэнергии (+5,4% к 2010 году). В структуре производства электроэнергии доля ТЭС составила 91%, ГЭС - 9%, ВИЭ - менее 0,5%.

Согласно Государственной программе по форсированному индустриально-инновационному развитию Республики Казахстан доля возобновляемых источников энергии в общем объеме производства электроэнергии к 2015 году должна превысить 1%.

Потребление электроэнергии в Казахстане в 2010 году составило 83,8 млрд. кВт-ч, при этом доля промышленности достигла 85,3%, населения - 11,9%, транспорта - 2,5%.

В 2010 году Казахстаном было импортировано 6,2 млрд. кВт-ч электроэнергии, в том числе 4,6 млрд. кВт-ч из России и 1,6 млрд. кВт-ч - из Киргизии. Электроэнергия из России поставляется потребителям Западного Казахстана, из Киргизии - потребителям южных регионов страны.

В 2010 году экспорт электроэнергии из Казахстана, по предварительным данным, составил 4,7 млрд. кВт-ч.

Потребители электроэнергии:

промышленность -- 68,7%

домашние хозяйства -- 9,3%

сектор услуг -- 8%

транспорт -- 5,6%

сельское хозяйство -- 1,2%.

Электрические сети

Эффективность использования электроэнергии из-за концентрации производителей в одном месте и нахождении потребителей в другом, а также от большой разницы в пиковых потреблениях, во многом зависит от эффективности системы передачи электрической энергии, которая в Казахстане развита совершенно недостаточно и неравномерно. Большая часть ЛЭП построена еще в советское время и имеет износ (возрастание омического сопротивления от коррозии, ухудшение электроизоляции и пр.) порядка 75%.

Общая протяжённость электрических сетей общего пользования в Республике Казахстан составляет:

сети с напряжением 1150 кВ -- 1,4 тыс. км (в настоящее время эксплуатируются на напряжении 500 кВ)

сети с напряжением 500 кВ -- более 5,5 тыс. км

сети с напряжением 220 кВ -- более 20,2 тыс. км

сети с напряжением 110 кВ -- около 44,5 тыс. км

сети с напряжением 35 кВ -- более 62 тыс. км

сети с напряжением 6--10 кВ -- около 204 тыс.

При передаче и распределении электроэнергии имеются большие потери -- 21,5%, а для сельских линий типичным уровнем является 25-50% потерь.

Линии электропередачи и распределительные сети Казахстана разделены на 3 части: две на севере и одна на юге, каждая из которых соединена с какой-либо внешней энергетической системой (Единой энергетической системой России на севере и Объединённой энергетической системой Средней Азии на юге). Соединяются эти системы между собой только одной линией. В настоящее время ведётся строительство второй линии, соединяющей Северную и Южную энергосистемы и рассматривается возможность строительства линии, соединяющей Западную энергосистему с Северной.

Наиболее выгодным для Казахстана является расширение, модернизация и коренное улучшение инфраструктуры государственной системы электрических сетей, которая обеспечит доступность дешевой и стабильной электроэнергии для всех потребителей и полное использование мощности угольных и гидроэлектростанций.

Основными энергетическими компаниями Казахстана являются:

Мангистауский Атомно-Энергетический Комбинат -- генерирующая компания Актау, энергоснабжающая организация Мангистауской области

Самрук-Энерго -- государственный энерго холдинг

KEGOC -- национальный оператор сетей

Алатау Жарык Компаниясы -- распределительная электросетевая компания Алматы

АлматыЭнергоСбыт -- энергоснабжающая организация Алматы

Алматинские Электрические Станции -- генерирующая компания Алматы

Актобе ТЭЦ -- генерирующая компания Актобе

АстанаЭнергоСбыт -- энергоснабжающая организация Астана

Атырау Жарык -- распределительная электросетевая компания Атырау

Уран Энерго -- сетевая компания

Основные ЛЭП Казахстана и их связь с иностранными сетями

Угольная энергетика

72% электроэнергии в Казахстане вырабатывают 37 тепловых электростанций, работающих на углях Экибастузского, Майкубинского, Тургайского и Карагандинского бассейнов. Крупнейшая из построенных в Казахстане -- ГРЭС-1 Экибастуза -- 8 энергоблоков с установочной мощностью 500 МВт каждый, работающих на бурых углях местных угольных разрезов, однако, в настоящее время располагаемая мощность станции составляет 2250 МВт. Наибольшую выработку электроэнергии осуществляет Аксусская (Ермаковская) ГРЭС. В 2006 году эта станция выработала 16% всей электроэнергии, произведённой в Казахстане. Таким образом ресурс имеющейся мощности используется только на 55%. Мешает полному использованию два основных фактора: низкий уровень добычи углей и неразвитость казахстанской инфраструктуры ЛЭП, когда электрическая энергия не может быть эффективно доставлена на всю территорию страны. Это привело к такой ситуации, когда значительная часть электрической энергии экспортируется в Россию по ЛЭП, построенным еще в советское время.

Угольная энергетика, к сожалению, дает и основное загрязнение природной среды. Так как в Экибастузе используется бурый уголь с высоким, более 30% содержанием минеральных веществ, то шлейф выбросов угольных тепловых электростанций распространяется на весь северо-восток Казахстана, Сибирь и Монголию. Среди этих минеральных веществ много экологически очень вредных, ядовитых.

Альтернативной технологией является подземная газификация угля, которая позволяет:

- исключить подземные (шахтные и карьерные) работы, а значит исключить травматизм и жертвы среди шахтеров;

- более полно вырабатывать месторождения угля;

- существенно меньше затрачивать средств на разработку месторождений угля;

- сохранять нетронутым природный ландшафт в местности разработки;

- сохранить природную среду от загрязнения продуктами сгорания угля;

- получать ценное сырье для химической промышленности.

Комплексная технология газификации угля заключается в поджиге угольного пласта через скважины, извлечение горючего газа, образующегося при нагреве угольного пласта, выделения из него от него конденсированием ценных органических веществ и использование газа для получения электроэнергии на тепловой газовой электростанции.

Гидроэлектроэнергия.

В Казахстане имеются значительные гидроресурсы, теоретически мощность всех гидроресурсов страны составляют 170 млрд. кВт·ч в год, то есть только незначительная часть гидроэнергоресурсов используется в настоящее время.

Основные реки: Иртыш, Или и Сырдарья. Экономически эффективные гидроресурсы сосредоточены в основном на востоке (горный Алтай) и на юге страны. Крупнейшие ГЭС: Бухтарминская, Шульбинская, Усть-Каменогорская (на реке Иртыш) и Капчагайская (на реке Или) обеспечивающие 10% потребностей страны.

В Казахстане планируется увеличение использования гидроресурсов в среднесрочном периоде. В стадии строительства находится Мойнакская ГЭС (300 МВт), проектируются Булакская ГЭС (78 МВт), Кербулакская ГЭС (50 МВт) и ряд малых ГЭС.

К сожалению, постройка гидроэлектростанций часто связана с нарушением природной среды: из оборота изымается много сельскохозяйственных и заповедных земель, нарушается нерест рыбы и вся речная экология, вырубаются леса под строительство ЛЭП.

Электроэнергия из природного газа.

В Казахстане имеются значительные ресурсы попутного газа, добываемого вместе с нефтью. Его сжигание дает до 10% электроэнергии страны, составляя основную ее часть на западе Казахстана.

Хотя электростанции на газе высокоэкологичны, но сжигание такого ценного для химической промышленности продукта совершенно нерационально и полностью соответствует фразе великого химика Д.И. Менделеева, который сравнивал такое сжигание с использованием банковских ассигнаций в качестве топлива.

Электроэнергия из мазута, нефтяных отходов.

К сожалению, Казахстан экспортирует большую часть своей нефти в сыром виде. Это несет в себе многократный ущерб: фактически отнимается собственность будущих поколений, продаваемая за рубеж по цене как минимум на порядок ниже той, которая будет в будущем, из-за отсутствия переработки основной части нефти в Казахстане теряется выгода от продажи готовых дорогих продуктов крекинга, теряется возможность развития собственной нефтехимии на базе продуктов перегонки нефти. Теряется возможность развития мазутной и нефтешламовой электроэнергетики, которая в Казахстане составляет менее 5% от вырабатываемой электроэнергии, тогда как, к примеру, в США этот сектор энергетики является основным. В результате США имеет очень дешевую электроэнергию и ее мировой максимум на душу населения.

Альтернативным рачительным и экологичным решением может быть постройка нефтеперегонных заводов, производящих с помощью крекинга - разделения нефтяных фракций более дорогих и готовых к употреблению нефтепродуктов, и веществ для химической промышленности, а для энергетики - производство дешевого и более экологичного, чем бурый уголь, топлива - мазута.

Атомная энергия.

Единственная атомная электростанция в Казахстане находилась в городе Актау с реактором на быстрых нейтронах с мощностью в 350 МВт. АЭС работала в 1973--1999 годах. В настоящий момент атомная энергия в Казахстане не используется, несмотря на то, что запасы урана в стране оценены в 469 тысяч тонн. Основные залежи находятся на западе в Мангыстау, на востоке Казахстана и между реками Чу и Сырдарья. Сейчас рассматривается вопрос о строительстве новой атомной электростанции мощностью 1900 МВт около озера Балхаш. По мнению экспертов - сейсмологов данная местность находится в зоне повышенного сейсмического риска, что показало Баканасскоеземлетрясение 1979 года магнитуды Ms=6. Сам проект является "наследственно-лоббируемым", так как остался как наследство от проекта военной АЭС, разработанного в советское время для полигона ПРО "Сарышаган-Приозерск", предназначенный для импульсной работы, то есть кратковременных пусков системы лазерной ПРО, то есть совершенно непригоный для гражданских нужд, но ныне лоббируемый Атоммашем РФ, так как уже разработан и готов к продаже.

Атомная энергетика является источником повышенного риска катастрофического типа, когда все текущие малые преимущества по ее использованию перекрываются ущербом от возможных и реально происходящих катастроф, таких как Чернобыльская катастрофа и Фукусимская катастрофа.

Альтернативные источники электроэнергии.

Удельный вес альтернативных энергоресурсов в Казахстане сегодня составляет не более 0,2% суммарной выработки электроэнергии электросетей, так и совершенно не учитывает интересов основных производителей электроэнергии, выдающих дешевую, стабильную, высококондиционную электроэнергию в общую сеть.

Солнечная энергетика.

Использование солнечной энергии в Казахстане также незначительно, при том, что годовая длительность солнечного света составляет 2200--3000 часов в год, а средняя мощность 130--180 Вт/м².

Такое положение связано с тем, что стоимость электрической энергии и энергоносителей в Казахстане относительно низка, а поэтому солнечным электростанциям трудно конкурировать с тепловыми и дизельными;

Ветровая, солнечная энергетики являются идеально экологичными, так как совершенно не загрязняют природную среду. Кроме того при правильной организации солнечные электростанции могут улучшить инсоляционный баланс поверхности в условиях аридной переинсоляции на юге, и тем самым создать микроклимат для более эффективного сельскохозяйственного использования земли.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) в течение последних лет позиционируются Казахстаном в качестве одного из векторов развития энергетического комплекса. Об этом свидетельствуют и усиление внимания к процессу их внедрения со стороны государства и ряда бизнес структур. Однако, формирование устойчивого комплекса ВИЭ в Казахстане обуславливает значительные финансовые и технологические вливания при непосредственном участии государства, без которых возобновляемая энергетика останется на фактически нулевом уровне.

Потенциал ВИЭ в Казахстане Казахстан имеет достаточно обширный потенциал возобновляемой энергетики.

Текущее состояние дел, по сути, ключевым фактором использования ВИЭ в Казахстане, также как и во всем мире, является необходимость снижения негативного воздействия энергетики на окружающую среду. В частности, по итогам 2009 года, как показывают данные Министерства охраны окружающей среды РК, объем выбросов в атмосферу загрязняющих веществ составил 3,4 млн. т, из которых 85% приходится на 43 крупных предприятия. При этом именно доля энергетики составляет 87% от общих национальных эмиссий выбросов парниковых газов или 214,4 млн. т СО2 эквивалента [28].

Напомним, что в настоящее время в Казахстане до 85% от общей выработки электроэнергии производится путем сжигания органического топлива, в основном, местных углей, в меньшей степени - углеводородного сырья. Около 10% выбросов в атмосферу страны от стационарных источников и образование значительной доли токсичных отходов приходится и на предприятия, занятые в сфере добычи сырой нефти и попутного газа. Общее сокращение выбросов парниковых газов от энергетики при использовании возобновляемых источников энергии может составить от 500 тыс. т до 2,5 млн. т СО2. Кроме экологических преимуществ имеются и существенные экономические выгоды. В частности, использование ВИЭ для выработки и поставки электроэнергии в существующие сетевые энергосистемы может быть экономически оправданным в энергодефицитных районах Казахстана. При этом именно возобновляемая энергетика может стать ключевым фактором развития отдаленных регионов страны. Однако объективно, что объекты возобновляемой энергетики остаются менее рентабельными и значительно более капиталоемкими по сравнению с традиционными. При этом использование ВИЭ достаточно скептически воспринимается частным бизнесом, в том числе ввиду недостаточной осведомленности и отсутствия опыта и их использования. Это обуславливает необходимость избирательного подхода к их внедрению, в то время как придает особое значение государственной поддержке сектора.

Несмотря на предпринимаемые на государственном уровне меры, в Казахстане возобновляемая и альтернативная энергетика (исключая крупные ГЭС) не развита. Вплоть до настоящего времени в республике не реализовано ни одного крупного проекта в этой сфере, несмотря на ряд попыток строительства, в частности, ветроэнергетических комплексов. К примеру, по данным Министерства охраны окружающей среды РК, доля альтернативных источников энергии к общему объему энергогенерации в 2010 году составила только 0,03%; по данным Министерства индустрии и новых технологий РК - 0,46% (с учетом малых ГЭС). Согласно информации КазНИИ энергетики им. Ш. Чокина, действующие мощности ВИЭ представлены, главным образом, несколькими мини-ГЭС. Это кардинально ниже фиксируемого уровня развития ВИЭ в развитых странах мира. Для сравнения, даже в России, которая находится в числе мировых аутсайдеров по использованию передовых ВИЭ, их доля фиксируется на уровне 1% от общей выработки электроэнергии, в то время как удельный вес производства тепловой энергии, полученной на их базе, достигает около 3%.

Определенные надежды можно связывать с принятием в течение последних нескольких лет законодательной базы и ряда отраслевых программ, которые нацелены на поддержку ВИЭ. Уже сейчас можно говорить о повышении интереса со стороны инвесторов, в том числе и иностранных (прежде всего Китай и Германия), к проектам ВИЭ в Казахстане, в связи принятием ключевых положений республиканской законодательной базы. Казахстан первым из центральноазиатских государств разработал стратегию перехода к низкоуглеродной экономике, уделяющей место и ВИЭ. К примеру, на конференции по изменению климата в Копенгагене, состоявшейся в декабре 2009 года, в рамках реализации Киотских соглашений Казахстан принял добровольные обязательства по снижению парниковых газов: к 2020 году на 15%, к 2050 году - на 25% по отношению к уровню 1992 года.

В частности, в рамках отраслевой Программы "Жасыл даму" на 2010-14 годы предусматривается снижение выбросов в атмосферу по сравнению с 2009 годом как минимум на 5,9%. Принятый в 2009 году Закон Республики Казахстан "О поддержке использования возобновляемых источников энергии" установил правовые, экономические и организационные основы стимулирования использования ВИЭ для производства электрической и тепловой энергии и определяет меры их поддержки. В частности, рассматриваемый Закон предусматривает предоставление инвестиционных преференций для проектов ВИЭ, приоритетность использования "чистой" электроэнергии на рынке и при ее передаче по сетям, а также поддержку через систему сертификатов, контролируемую государством[29].

В соответствии со Стратегическим планом развития Республики Казахстан до 2020 года доля альтернативных источников энергии в общем объеме электропотребления должна составить 1,5% к 2015 году, и более 3% - к 2020 году (для сравнения, в ЕС - 20%, в России - 4,5%). Приоритеты, поставленные Государственной программой по форсированному индустриально-инновационному развитию Республики Казахстан на 2010-14 годы, предусматривают достижение объема вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии электроэнергии в 2014 году на уровне 1 млрд. кВт/ч в год. Напомним, что согласно Программе по развитию электроэнергетики в Республике Казахстан на 2010-14 годы, выработка электроэнергии в 2014 году до 97,9 млрд. кВт/ч при прогнозном потреблении 96,8 млрд. кВт/ч. Общая сумма инвестиций в проекты ВИЭ может составить более 107 млрд. тенге, в том числе собственных средств - 21,4 млрд. тенге, заемных - 85,6 млрд. тенге.



2.2 Роль и значение солнечной электроэнергетики для Казахстана и рациональнее перспективы ее развития

Исходя из того, что в Казахстане мощность солнечного излучения достигает 1,5 кВт. час на м², можно прогнозировать потенциал годового использования солнечной энергии в Казахстане не менее 75 тыс. т.у.т. уже в ближайшие годы. Для развития солнечной энергетики требуется принятие ряда нормативно-правовых актов на уровне Кабинета Министров, определяющих механизм экономического стимулирования, а также введение в нормативы по промышленному, коммунальному и курортному строительству условий обязательного использования технологий использования возобновляемой энергии на стадии проектных разработок.

В каких отраслях есть наибольшие перспективы использования солнечной энергии?

Безусловно, на первом месте стоит жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ), которое сегодня является одной из самых энергоемких отраслей в народном хозяйстве Казахстана и занимает третье место по объемам использования энергоресурсов в регионе. Прогнозы показывают, что только за счет реализации программы социального развития в Казахстане в ближайшие 15 лет возможен рост жилищного строительства на 15-20 %, что приведет к значительному увеличению потребности в органическом топливе на нужды теплоснабжения зданий.

Конкурентоспособность систем централизованного теплоснабжения в жилищно-коммунальном секторе практически полностью определяется надежностью и эффективностью эксплуатируемых и вновь строящихся систем транспортирования тепловой энергии. Физический износ основного теплотехнического оборудования существующих котельных постоянно увеличивается и требует проведения капитального ремонта. В критическом состоянии находятся многие трубопроводы тепловых сетей. Планы капитальных ремонтов по замене изношенных теплопроводов не выполняются из-за отсутствия достаточных средств, что снижает общую надежность систем городского централизованного теплоснабжения. Рассчитывать на существенное улучшение ситуации в ближайшие годы вряд ли возможно.