2 .1. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И КРИТЕРИИ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЙАЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Все существующие критерии оценки пригодности тех или иных нетрадиционных преобразователей энергии (НПЭ) в качестве основы для альтернативных энерготехнологий можно подразделить на три группы: 1) качественные; 2) количественные; 3) технологические.
К основным качественным критериям выбора среди НПЭ будущих альтернативных преобразователей энергии (АПЭ) относятся: экономичность, экологичность, безопасность, стабильность, надёжность, долговечность. Однако в реальной практике каждый качественный критерий требует количественной оценки.Количественные критерии: стоимость электроэнергии и установленной мощности; эффективность (в качестве этого показателя могут быть использованы коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент преобразования, количество вырабатываемой мощности на единицу площади или массы и т.п.); период окупаемости затрат на создание объекта; рентабельность; срок службы (рассчитанный срок эксплуатации) и ДР-
Технологические критерии: материалоёмкость; энергоёмкость; кон-структивная и технологическая сложность (возможность серийной промышленной осуществимости); унифицированность производства; экологическая безвредность производства и др.
В связи со значительным количеством критериев задача выбора из всего многообразия НПЭ преобразователей, действительно пригодных в качестве альтернативных для широкомасштабного использования, су-щественно усложняется из-за отсутствия интегральных критериев, а также неопределённости, связанной с использованием «качественного» сравнения. Следует подчеркнуть, что в отечественной нетрадиционной энергетике, к сожалению, такие критерии не определены в силу того, что основной её стратегией является развитие так называемой малой энергетики (локальное использование установок с НВИЭ, ограниченных по используемой мощности величиной в 30 МВт) [16]. В 1980-е - начале 1990-х гг, это, безусловно, было оправдано.
Однако на рубеже веков, когда формируется длительная стратегия в условиях принципиально иной информации об исчезающих запасах органического топлива, о колоссальной опасности ядерной энергетики (см. гл. 1), о глобальных изменениях климата, концепция малой энергетики уже не способна обеспечить решение острейших проблем энергетики. Отсюда и полная путаница в определении приоритетов развития НПЭ, и колоссальное отставание (в десятки раз) в области освоения НПЭ от развитых стран. Правда, здесь есть и своя позитивная сторона: развитие нетрадиционной энергетики за рубежом, хотя и более бурными темпами, чем у нас, пошло по пути создания множества проектов, которые впоследствии были признаны ошибочными, нерентабельными и даже тупиковыми. Так было с солнечными электростанциями (СЭС) башенного типа: с центральными приемниками - парогенераторами и множеством зеркал.Следует сказать, что вопреки расхожему мнению, далеко не все широко используемые в мире НПЭ экологичны и безопасны. Так, например, ставшие традиционными в ветроэнергетике горизонтально-осевые ветро-установки - один из экологически опасных НПЭ: главным фактором, вредным для биологических объектов, является акустическое поле широкого диапазона частот, в том числе биологически активных (диапазон до 50 Гц), длительное воздействие которых угнетает все живые организмы1. При длительном воздействии ветроустановок проявляется аккумулирующий негативный эффект, пропорциональный мощности и обратно пропорциональный удалению ветроустановки. Поэтому согласно законодательству, принятому в большинстве стран Европы, определены нормы: допустимый уровень шума от ветроустановки (ВУ) и минимальное расстояние ВУ от жилья (300 м), дорог (75 м), других объектов [17]. Очевидно, что аналогичное законодательство должно быть введено и в России, так как число изготовленных традиционных ВУ составляет уже десятки тысяч. В то же время, поскольку ВУ нельзя устанавливать ближе 300 м от жилья, то целесообразность применения широко рекламируемых лопастных ВУ малой мощности (до 10 кВт) вообще под сомнением, ибо требует отчуждения (или аренды) значительной территории, размещения линии передачи электроэнергии, что связано не только со значительными финансовыми, но и с электрическими потерями.
В связи с этим требуется существенное изменение отраслевой стратегии производства ветроустановок, разработка практически бесшумных ВУ нового типа (см.
подробнее в следующих разделах).' Епохович А.С. Справочник по физике и технике. М.: Просвещение, 1989. 225 с.
Другим примером может служить использование геотермальной энергии: извлечённая из скважин неочищенная термальная вода сливается в реки и другие водоёмы. Если учесть, что эта вода может содер-жать вещества и первой, и второй групп опасности (ртуть, мышьяк, уран и др.), то ясно, какой урон окружающей среде она наносит. Кроме того, при таком использовании месторождение геотермальной воды (в скважине) быстро исчерпывается (источник становится невозобновляемым), а все трубы, радиаторы и прочая арматура забиваются осадками и постепенно приходят в негодность. Это — одна из причин неразвитости в России геотермальной энергетики. В то же время совершенно очевидно, что для преобразования энергии нет необходимости извлечения термальной воды: достаточно использовать теплообменник, через который пропустить дополнительный теплоноситель (см. подробнее в следующих разделах). Главное, в этом случае геотермальная вода становится возобновляемым источником энергии, причём экологически безопасным, а скважина может работать веками [15].
Возможен и другой вариант: извлекаемую и использованную термальную воду закачивают обратно в пласт, соблюдая повышенные требования к защите от коррозии и засорения всего используемого оборудования.
Примером создания экологически опасного и высокозатратного энергетического источника может служить производство фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей). То же относится к про-изводству большинства химических источников тока: аккумуляторов, химических генераторов, батарей.
Из приведённых примеров можно сделать простые выводы: 1) критерию экологичности может отвечать только тот вид НПЭ, который не наносит вреда человеку и другим живым организмам — как в процессе его эксплуатации, так и в процессе его производства; 2) некоторые из наиболее распространенных сегодня НПЭ не удовлетворяют требованию критерия экологичности.
Эффективность НПЭ обусловлена стабильностью и непрерывностью режима их работы, которые определяются количеством часов работы преобразователя в году, что напрямую связано с зависимостью времени работы НПЭ от постоянства преобразуемого источника энергии. Так, солнечные батареи могут работать без аккумулятор ньгх батарей (АБ) 2 500-4 ООО ч, а традиционные ветроустановки - 3 000-5 000 ч, что составляет всего 30-60% времени в году.
Необходимость аккумуляторной системы многократно повышает стоимостные показатели НПЭ, делая его нерентабельным. Наличие аккумуляторов существенно сказывается на надежности всей системы и приводит к сокращению срока ее службы. Все количественные критерии тем или иным образом отражаются на основных экономических показателях НПЭ: стоимости единицы электрической энергии (киловатт-часа- кВтч) и стоимости единицы установленной мощности (ватта или киловатта — Вт, кВт). Причем первый показатель является главным, определяЕощим, так как показывает себестоимость производимого товара - электроэнергии. В силу известных причин в качестве денежного эквивалента при анализе и сравнении раз-личных энерготехнологий удобнее использовать доллар (США). При сравнении НПЭ с традиционными преобразователями энергии надо помнить, что удельная стоимость установленной мощности не имеет столь решающего значения (в определённых пределах), так как срок окупаемости затрат на освоение НПЭ существенно меньше (при равных других величинах), благодаря отсутствию затрат на топливо и транспорт. Себестоимость установленной мощности (и энергии) снижается экспоненциально с увеличением установленной мощности электростанции (рис. 3) [64].
Рис. 3. Усреднённая зависимость стоимости 1 кВт установленной мощности от величины последней для ветроустановки
Следовательно, выгоднее строить альтернативные электростанции большой мощности (десятки и сотни мегаватт), тогда они реально будут конкурировать с традиционными ЭС. Это - один из очевидных доводов в пользу «большой», полномасштабной альтернативной энергетики.
НПЭ сравнивают по производимой ими экономии (замещению) условного топлива; тонна условного топлива - это 8140 кВт-ч (тепловой) энергии [30], однако в электроэнергетике часто используют другое значение т у.т. - 3 260 кВт-ч (для средних значений эффективности ЭС). Эта величина особенно важна при расчете срока окупаемости. Необходимо также подчеркнуть (во избежание встречающегося заблуждения), что при сравнении разных НПЭ часто к.п.д. преобразователя имеет второстепенное значение (главное, как уже говорилось, - экономичность), однако в рамках одной технологии величина к.п.д. существенна, так как определяет материалоемкость, размеры занимаемой территории, габариты и т.д., что в конечном счете может оказаться решающим.
Следует отметить, что проводимые технико-экономические обоснования проектов НПЭ, как правило, не содержат экономической оценки всего экологического вреда, наносимого отдельной традиционной электростанцией, эквивалентной по мощности. В то же время такая оценка могла бы внести существенные коррективы в размеры себестоимости энергии традиционной ЭС, что решающим образом отразилось бы на конкурентоспособности НПЭ. Как уже говорилось в гл. 1, одна работающая на угле ЭС мощностью 1 ООО Вт создает убыток в 12 млн дол. из-за коррозии различных материалов. Если сюда добавить еще экологический налог, который сегодня в Европе составляет в среднем 10 дол. за 1 т выброшенного в атмосферу углекислого газа, то себестоимость энергии традиционных ЭС возрастёт на 20-30%. Если такой налог ввести в России, то это приведёт к банкротству большинства топливных ЭС или к существенному повышению тарифа на энергию.
К сожалению, сегодня не существует методик расчета стоимости энергии, учитывающих потери от заболеваемости, смертности, снижения урожайности агрокультур, появления мутантов среди различных организмов на Земле вследствие эксплуатации традиционной энергетики (расчёт этот пока невозможен из-за отсутствия полных достоверных статистических данных). Тем не менее все названные факторы говорят о том, что любой из традиционных видов энергопреобразователей не выдержит конкуренции ни с одним из альтернативных (АПЭ). Таким образом, экологические факторы начинают существенно влиять на экономические параметры анализируемых ЭС. Для того чтобы в нашей стране начались позитивные изменения в этом вопросе, необходимо принятие специального экологического законодательства (аналогичного законодательствам зарубежных стран) на федеральном уровне.
Можно сформулировать требования к качественным характеристикам модели «идеального» альтернативного преобразователя энергии (ИАПЭ): максимальная экологичность, безопасность, экономичность, стабильность, долговечность, эффективность, технологичность, экологически безвредное производство, независимость (или минимальная зависимость) от погодных условий, времени суток и года. Можно еще добавить: с качеством электроэнергии, соответствующим стандартам. Количественные критерии ИАПЭ: в общем случае, стоимость 1 Вт уста-новленной мощности и стоимость 1 кВт-ч электроэнергии не выше, чем для традиционных ЭС в конкретном регионе (с учётом экологических факторов допускается превышение стоимости указанных показателей для ТЭС на 30-60%). Для автономных установок стоимостные критерии базируются на таковых для дизельных энергоустановок в конкретном регионе; срок службы - не менее 30 лет (как в среднем для ТЭС и АЭС); срок окупаемости - не более 7 лет (как по нормативам для ЭС); экономия топлива - не менее 0,8-1 т у.т/год на 1 кВт установленной мощности; максимальная длительность работы в году (без аккумуляторных батарей): число часов работы без электроаккумуляторов - не менее 80%, т.е. более 7 000 ч/год.
Как качественные, так и количественные критерии выбора АПЭ должны учитывать всё многообразие «эталонных» экономических, экологических и технических параметров энерготехнологий. Для повышения объективности выбора необходимо и качественные критерии определить в количественном выражении. К сожалению, до сего времени не были определены интегральные критерии, обеспечивающие такой выбор. Следующий раздел посвящен определению интегральных критериев, позволяющих построить модель оптимального альтернативного преобразователя по совокупности эколого-экономических и технологических факторов, что обеспечит возможность объективного выбора приоритетных будущих альтернативных энерготехнологий. Важность правильности такого выбора определена тем, что при прогнозировании долгосрочного развития энергетической отрасли любые ошибки в формировании структуры стратегических программ могут привести к огромным материальным потерям в будущем, что неизбежно негативно отразится на всех сферах экономики.