№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.311.23/25.003.13
© 2008 г. МАРЧЕНКО О.В., СОЛОМИН C.B.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА И ВОДОРОДА В АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМАХ
Проведен технико-экономический анализ использования энергии ветра для производства водорода - топлива для электрохимической энергоустановки. Рассмотрена автономная энергосистема, включающая дизельные агрегаты, ветроэнергетические установки, электролизеры, ресиверы и топливные элементы. Определены оптимальная структура и режимы работы энергоисточников, стоимость водорода и электроэнергии. Найдена область параметров, в которой производство и использование водорода оказывается экономически эффективным.
Введение. Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) и водорода в энергетике позволяет:
- экономить органическое топливо, что становится все более актуальным в связи с ростом мировых цен на нефть и предстоящим исчерпанием наиболее дешевых категорий топливно-энергетических ресурсов;
- уменьшить выбросы вредных веществ в окружающую среду и, тем самым, сократить неблагоприятное воздействие энергетики на природу и здоровье людей;
- повысить экономичность энергоснабжения;
- улучшить качество жизни людей в отдаленных и труднодоступных местностях.
Указанные факторы особенно важны в малых изолированных (автономных, или
децентрализованных) системах энергоснабжения, где в настоящее время используется дорогое (в т.ч. из-за необходимости его транспортировки) органическое топливо. В автономных системах энергоснабжения НВИЭ, использующие энергию солнца, ветра, малых рек, биомассы и геотермальную энергию, могут обеспечить не только экологический, но и экономический эффект, т.е. оказаться конкурентоспособными с энергоисточниками на органическом топливе [1-5].
В настоящее время самой быстроразвивающейся технологией использования возобновляемых энергоресурсов является ветроэнергетика: мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире ежегодно возрастает на 20-30%. В период 1995-2005 гг. суммарная мощность ВЭУ увеличилась от 4,8 до 59 ГВт, ежегодные вводы мощностей -1,3-11,5 ГВт. К 2010 г. ожидаются ежегодные вводы ВЭУ ~17,8 ГВт, а установленная мощность должна вырасти более, чем в два раза (до 135 ГВт) [6]. Вместе с тем, развитие мировой ветроэнергетики мало коснулось России, где масштабы строительства ВЭУ весьма незначительны.
Основные достоинства ветроэнергетики:
- отсутствие выбросов вредных веществ в процессе производства электроэнергии;
- относительная дешевизна вырабатываемой электроэнергии (3-5 цент/кВт • ч для лучших установок при хороших ветровых условиях);
- возможность существенной экономии органического топлива.
Главный недостаток ВЭУ - непостоянство выработки электроэнергии (ее зависимость от изменяющейся скорости ветра). В связи с этим ВЭУ обычно применяются в
сочетании с энергоисточниками, которые работают в управляемом режиме и снабжают энергией нагрузку в периоды недостаточной выработки ВЭУ или их простоев. В этом случае ВЭУ входят в состав ветро дизельных систем. Мощность агрегатов дизельной электростанции (ДЭС) выбирается из условия обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей даже в случае простоя ВЭУ во время штилей. В периоды сильного ветра часть выработки ВЭУ оказывается избыточной и появляется возможность использования этой электроэнергии для производства водорода методом электролиза с последующим электрохимическим преобразованием в электрическую энергию. Введение в ветродизельную систему подсистемы производства, хранения и энергетического использования водорода может при определенных условиях привести к уменьшению потребления дизельного топлива (или даже полного исключения ДЭС из системы) и уменьшению затрат на производство электроэнергии.
Водород является универсальным и экологически чистым энергоносителем. Он имеет высокую теплоту сгорания, практически неограниченные ресурсы сырья для его производства и экологически безопасен (продуктом сгорания является вода). К настоящему времени водород в небольших масштабах применяется в качестве топлива электрохимических энергоустановок в автономных энергетических системах малой мощности, на транспорте, в системах энергоснабжения космических аппаратов. Основные проблемы водородной энергетики - высокая стоимость установок и аппаратуры, сложность хранения и транспортировки водорода в газообразном и сжиженном состояниях.
Получение водорода электролизом на основе "избыточной" электроэнергии, выработанной ВЭУ непосредственно в месте потребления, удешевляет процесс и избавляет от необходимости транспортировки водорода. По мере совершенствования технологий и увеличения масштабов производства и использования водорода следует ожидать существенного улучшения экономических характеристик основных элементов водородной системы - электролизеров и топливных элементов.
Анализ эффективности комбинированных систем, включающих НВИЭ со стохастическим режимом выработки энергии, требует учета необходимости дублирования их мощности, перераспределения выработанной энергии между потребителями, ее аккумулирования или использования для производства вторичных энергоносителей, например водорода.
Для этого необходимо:
- математическое моделирование режимов работы энергосистемы и потоков энергии между ее отдельными элементами;
- выбор оптимальной структуры энергосистемы;
- определение условий (метеорологических, климатических, экономических и др.), при которых внедрение той или иной энергетической технологии обеспечивает положительный экономический или экологический эффект.
Экономические оценки вариантов использования водорода для энергоснабжения конкретных потребителей в автономных энергосистемах приведены в работах [7-10], но в них нет обобщенных оценок эффективности и рекомендаций по применению энергии ветра и водорода в составе автономных энергосистем.
Цель настоящей работы - исследование в широком диапазоне параметров (скорость ветра, цена органического топлива, мощность и форма графика нагрузки потребителей, современные и прогнозные технико-экономические показатели элементов энергосистемы) экономической эффективности производства и использования водорода в автономных системах энергоснабжения.
Расчетная схема. Рассматривались два варианта производства и использования водорода: упрощенная (линейная) схема 1, в которой электрическая энергия или водород последовательно проходят через элементы системы (рис. 1, а) и более сложная схема 2 автономной энергосистемы (рис. 1, б), в которой для электроснабжения потребителей используется комбинация энергоисточников - ВЭУ, ДЭС и топливных элементов (ТЭ).
Рис. 1. Расчетные схемы энергосистемы: схема 1 (а) и схема 2 (•)
В схеме 1 электрическая мощность ТЭ постоянна. Это означает, что объединение ВЭУ со стохастической выработкой энергии с водородной системой (электролизер, ресивер и топливные элементы) позволяет (за счет дополнительных затрат) получить новое качество источника энергии - постоянную выработку. Если установленная мощность электролизера меньше мощности ВЭУ, то часть ее выработки может оказаться избыточной, она срабатывается на балластном сопротивлении (на рисунке не показано). Использование этой избыточной электроэнергии для теплоснабжения (как и тепловой энергии, выделяемой топливными элементами) в настоящей работе не рассматривалось. Использование этого тепла может оказаться экономичным и повысить эффективность всей системы, но оно потребует введения в схему дополнительных элементов (теплообменники, трубопроводы, насосы и др.), а также более детального учета особенностей потребителей, что выходит за рамки настоящей работы.
В схеме 2 ВЭУ непосредственно снабжает электроэнергией потребителей с переменной нагрузкой (если этой электроэнергии недостаточно, то одновременно могут работать ДЭС и ТЭ), избыточная энергия ВЭУ потребляется электролизером (если ресивер не полностью заполнен водородом) или срабатывается на балластном сопротивлении.
Анализ схемы 1 позволяет сделать предварительные оценки стоимости водорода и электроэнергии, которые могут быть сопоставлены со стоимостью дизельного топлива и электроэнергии, вырабатываемой ДЭС. Такие оценки оказываются весьма наглядными и позволяют сузить область параметров, в которой следует проводить расчеты автономной энергосистемы с учетом взаимодействия ее элементов и переменных режимов производства и потребления энергии (схема 2).
Исходные данные. Факторами, определяющими экономическую эффективность использования ВЭУ и водородной системы в дополнение к дизельной электростанции (или вместо нее) в автономных энергосистемах, являются: скорость ветра; цена дизельного топлива; максимальная мощность и степень неравномерности нагрузки; технико-экономические показатели энергоустановок.
Самая важная энергетическая характеристика ветра - его средняя многолетняя скорость, измеренная на высоте флюгера (~10 м).
В России наибольшей величины средняя скорость ветра достигает на побережьях морей и океанов (8-9 м/с) и снижается в континентальных областях до 2-5 м/с [11]. Высокие скорости ветра (> 6 м/с) характерны для прибрежных районов Архангельской и Мурманской обл., Ямало-Ненецкого и Таймырского автономных округов, Магаданской обл., Чукотки, Камчатки, Сахалина, островов Северного Ледовитого и Тихого океанов, побережий Балтийского и Черного морей, для некоторых горных районов Северного Кавказа и Полярного Урала. Зоны средних скоростей ветра (4-6 м/с) охватывают некоторые горные районы, побережья крупных озер (Каспийского, Ладожского, Байкала), долины больших сибирских рек (Оби, Енисея, Ангары, Лены) и территории Европейской части страны, Сибири и Дальнего Востока, примыкающие к
зонам наибольших скоростей ветра. Зона слабых ветров (< 4 м/с) - большая часть континентальных районов страны.
В настоящей работе расчеты проведены для средних скоростей ветра 4-8 м/с, что соответствует диапазону ветровых условий от "относительно плохих" до "очень хороших".
В конце 2006 г. средняя оптовая цена дизельного топлива на российском рынке составляла 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.