Восьмая всероссийская научная молодежная школа "ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ” Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова Об экологических и стоимостных показателях возобновляемой и традиционной энергетики. Безруких Павел Павлович, Зам. Генерального директора ЗАО « Институт энергетической стратегии» , Председатель Комитета Российского Союза научных и инженерных общественных организаций по проблемам использования возобновляемых источников энергии (Комитет ВИЭ «Рос. СНИО» ) , академик-секретарь секции «Энергетика» РИА, д. т. н. 20 -23 ноября 2012 Москва, МГУ имени М. В. Ломоносова Географический факультет 1
Качественная оценка истощаемых топливных ресурсов /уголь, нефть, газ, уран/ Преимущества * Высокая плотность энергии * Высокая степень освоения технологий от разведки запасов до потребления * Ориентация мирового хозяйства на использование ресурсов в качестве топлива и сырья * Развитая инфраструктура на всех стадиях: добыча, транспортировка, переработка и использование * Развитая структура подготовки научных и эксплуатационных кадров * Развитая структура производства оборудования и приборов * Развитая инфраструктура научных учреждений Недостатки * Истощаемость ресурсов * Глобальное влияние на изменение климата вследствии эмиссии СО 2 , теплового загрязнения * Загрязнение среды обитания человека отходами производства (жидкие, газообразные, твердые) * Неравномерность распределения по земному шару – источник нестабильности * Угроза загрязнений среды обитания человека и пожаров при авариях во время транспортировки и хранения * Потенциальная угроза аварий на АЭС с выбросом радиоактивных веществ и других техногенных катастроф * Изменение структуры земной коры вследствие добычи газа, нефти и угля с непредсказуемыми последствиями * Большая потребность в воде 2
Качественная оценка возобновляемых топливных ресурсов /Солнце, ветер, биомасса, гидроэнергетика большая и малая, низкопотенциальное тепло/ Преимущества * Неистощаемость * Отсутствие дополнительной эмиссии углекислого газа * Отсутствие вредных выбросов * Сохранение теплового баланса планеты * Доступность использования (солнце, ветер) * Возможность использования земли для хозяйственных и энергетических целей (ветростанции, тепловые насосы, бесплотинные ГЭС) * Возможность использования земель, не приспособленных для хозяйственных целей (солнечные, ветровые установки и станции) *Низкая (ничтожная) потребность в воде (солнечные, ветровые электростанции) *Невозможность техногенных катастроф (за исключением мощных ГЭС) *Повышенная надежность Недостатки * Низкая плотность энергии (солнце, ветер) * Необходимость использования концентраторов (солнце) * Непостоянный, вероятностный характер поступления энергии (солнце, ветер, в меньшей степени ГЭС) * Необходимость аккумулирования в большей степени для автономных систем * Необходимость резервирования (солнечная, ветровая) для автономных систем * Неразвитость промышленности и отсутствие инфраструктуры (для России) * Затопление плодородных земель (большие ГЭС) * Локальное изменение климата (большие ГЭС) 3
Технологические компоненты устойчивой эффективной энергетики Энергетическая и экологическая эффективность производства и передачи электроэнергии Энергетическая и экологическая эффективность использования (потребления) электрической и тепловой энергии, а также топлива (энергосбережение) Энергетическая и экологическая эффективность производства и передачи тепловой энергии Энергетическая и экологическая эффективность производства (добычи) и транспортировки топлива Эффективное использование минеральносырьевых ресурсов и изделий (ресурсосбережение) Использование возобновляемых источников энергии (возобновляемая энергетика) 4
Глобальное преимущество СЭС, ВЭС, ГЭС /энергия к установкам поступает не в результате деятельности человека и неистощима/ где Эвыр- годовое производство электроэнергии , Эсн - расход энергии на собственные нужды, Тсл- срок службы, Эсв – энергия, затраченная на производство оборудования и материалов , Этек – энергия, затраченная на монтажные , строительные и транспортные работы и утилизацию станции. СЭС, ВЭС, ГЭС ТЭЦ ТЭС и АЭС (на быстр. тепл. нейтронах) Этоп = 0 Этоп - 0 Кэн. эф. 1 Кэн. эф. Кит 1 Кэн. эф. КПД 1 Кэн. эф. 1 5
Значения коэффициента энергетической эффективности по данным различных исследований Источник: Алексеев B. B. , Синюгин O. A. , Определение коэффициента энергоотдачи в ядерной энергетике // Труды ИЭМ. Вып. 19 (152). Экологогеофизические аспекты мониторинга районов АЭС. M. , 1992, Гидрометеоиздат. с. 173 -183. “Energiekette von A bis Z -Energiefactor und energetische Amorfizationszeit” Pof. Hermann-Josef Wagner Universität Gezamthochschule Essen/ Electrizitatsswirtscla ft, Yg/ 95 (1996)/Heft 8 AWEA: Wind Power Myths vs. Facts http: //www. awea. or g ТЭС 3 -7 43 -150 11 АЭС 16 -20 29 -45 16 Тип ЭС 6
Индикаторы состояния и темпы развития ВЭ мира Источник: REN 21. Renewables 2011. Global status report 7 7
Динамика установленной мощности ВЭС в мире за период 1996 -2011 гг. 8
Динамика установленной мощности ФЭС в мире за период 1996 -2011 гг. 9
Комментарий к сценариям развития энергетики МЭА (прогноз ИЭС) Сценарий: I «New Policies Scenario» II «Current Policies Scenario» III « 450 Scenario» Производство электроэнергии в мире , всего, млрд. к. Вт*ч 27881 28569 26535 млрд. к. Вт*ч 2332 2063 2712 То же , % 8, 4 7, 2 10, 1 Сценарий МЭА на 2020 г. В т. ч. на базе ВИЭ Производство электроэнергии в Сценарий ИЭС мире , всего, млрд. к. Вт*ч минимальный сценарий. 26700 В т. ч. на базе ВИЭ млрд. к. Вт*ч 4000 То же , % 15 10
Основные экологические ограничения использования ВИЭ * Не располагать ВЭС на путях миграции и массового гнездования птиц и летучих мышей. * Располагать ВЭС не ближе 250 -300 м от ближайшего жилого дома, либо офиса. * Не располагать м. ГЭС на реках с нерестилищем ценных проходных рыб. *Обеспечивать проход рыб по основному руслу. * Обеспечивать на Гео. ЭС и Гео. ТЭС обратную закачку сепарата в пласт, а так же утилизацию вредных газов. * Перейти на экологически чистые технологии производства кремния. *Перейти на экологически чистые технологии производства биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья. 11
25 Сравнительная характеристика источников шума Источники шума d. B (A) Турбина самолета 150 140 Порог слышимости 0 130 Сельская ночь, фон 20 -40 Пневматический молоток 120 Спальная комната 35 Ветроустановка на расстоянии 350 м 35 -45 Легковой автомобиль, скорость 70 км/ч, расстояние 100 м Оживленный офис в максимум активности Грузовой автомобиль, скорость 50 км/ч, расстояние 100 м Промышленные помещения Салон автомобиля 55 60 Жилое помещение (холодильник) 110 100 90 80 70 65 Пневматический бур на расстоянии 7 м 95 Самолет на расстоянии 250 м 105 Болевой порог 140 Шорох падающих листьев Помещение офиса 60 50 Спальня Стереомузыка 40 30 Ветротурбина на расстоянии 200250 м от башни Шепот 20 10 Децибеллы 12
Данные о гибели птиц в результате человеческой деятельности в США NN пп Вид деятельности человека, препятствия, сооружения Оценка количества гибели птиц 1. Домашние кошки 1 млрд. в год. 2. Высотные здания от 100 млн. до 1 млрд. в год 3. Охотники 100 млн. в год 4. Автомобили от 60 млн. до 80 млн. в год 5. Коммуникационные башни от 10 млн. до 40 млню в год 6. Пестициды 67 млн. в год 7. Линии электропередач от 10 тыс. до 174 млн. в год (Источники: WWW. nationalwind. org/ и WWW. bards. fws. gov/mortality-foct-sheet. pat). Гибель от столкновений с ВЭС: не более 1 птицы в год на 1 ВЭУ! 13
Экологические преимущества ВИЭ Ветроустановка или малая ГЭС или фотоэлектрическая станция мощностью 1 МВт, производит 1, 5 -2, 0 млн. к. Вт∙ч. Предотвращается эмиссия СО 2 по сравнению с электростанцией на газе – 0, 8 -1, 1 тыс. тонн. на нефтепродуктах – 1, 1 -1, 5 тыс. тонн на угле – 1, 7 -2, 3 тыс. тонн 14
Безвозвратные потери воды на электростанциях США. Вид ЭС АЭС Потери воды, л/к. Вт*ч 2, 3 ТЭС (уголь) 1, 9 ТЭС (нефть) 1, 6 ТЭС (комб. , газ) 0, 95 ВЭС 0, 004 ФЭС 0, 11 15
К вопросу использования земли под ВЭС Как правило ВЭС сооружаются на землях не пригодных для использования в сельском хозяйстве. Собственно под ветроустановку требуется мало земли: площадка порядка 25 на 25 метров плюс дорога. Между ветроустановками расстояние составляет 5 -10 диаметров ветроколеса (70 -90 м. ), т. е. от 0, 5 до 1 км. Плодородная земля между ветроустановками используется как сельскохозяйственные угодья для выращивания овощей, кормов, рапса. Между ветряками пасется скот, живут насекомые и черви , о жизни которых так заботятся противники ветроэнергетики. Сказанное может подтвердить любой, кто бывал в странах Европы. 16
Много ли надо земли под ФЭС, если ими заменить все электростанции России? В 2010 г. Nуст = 214, 8686 млн. к. Вт, Эвыр = 1004, 72 млрд. к. Вт*ч - Киум = 0, 53 Приход солнечной энергии на оптимально ориентированную площадку на широте Екатеринбурга (угол 50 гр. ) составляет 1480 к. Вт*ч/м 2 в год. Потери на ФЭС составляют до 25%, а КПД преобразования из постоянного в переменный ток составляют 92%, принятый КПД модуля – 15%. Удельная годовая выработка составляет: 1480*0, 75*0, 92*0, 15=153, 75 к. Вт*ч/м 2 в год. Потребная площадь для фотоэлектрических преобразователей равна: 1004, 72*109/153, 75=6, 159*109 м 2=6159 км 2 Площадь модулей при коэффициенте заполнения 0, 89 равна Sм = 6159/0, 89=6920 км 2 Площадь ФЭС с учетом расстояния между рядами модулей: Sфэс= 6920*3, 5=24200 км 2 Площадь России равна Sр= 17075400 км 2 Под ФЭС нужно: 24200/17075400=0, 001417 или 0, 142%*Sр 17
А сколько нужно средств? Средний коэффициент использования установленной мощности Киум=0, 12 Nфэс=1004, 72*109 к. Вт*ч / ( 0, 12 *8, 76*103) = 955, 8 млн. к. Вт В 2004 г. удельная стоимость модуля составила на кристаллическом кремнии 1, 48 $/Вт Стоимость ФЭС составляет порядка 3 $/Вт Общая стоимость полной замены действующих электростанций на ФЭС: 955, 8*106*3*103 = 2867, 3 109 долл. США 18
Усреднённые максимальные и минимальные значения стоимости электроэнергии (cost production) от электростанций на возобновляемых источниках энергии и различных видах топлива (1997 год) 19 Источник: EWEA
Существующие и перспективные стоимостные ориентиры в области ВИЭ 2005 1000 -2500 1700 -5700 2030 950 -1900 1500 -5000 Себестоимость производства, цент $/к. Вт*ч 2005 2030 3, 1 -10, 3 3, 0 -9, 6 3, 3 -9, 7 3, 0 -8, 7 1500 -5500 3, 4 -11, 7 3, 4 -11, 5 2500 2200 5, 6 5, 2 3750 -3850 1400 -1500 17, 8 -54, 2 7, 0 -32, 5 2000 -2300 1700 -1900 10, 5 -23, 0 8, 7 -19, 0 2900 900 -1100 1500 -2500 1500 -1800 1000 -1200 450 -600 2200 800 -900 1500 -1900 1000 -1250 400 -500 12, 2 4, 2 -22, 1 6, 6 -21, 7 3, 0 -5, 0 2, 2 -5, 9 3, 0 -3, 5 9, 4 3, 6 -20, 8 6, 2 -18, 4 3, 5 -4, 0 3, 5 -4, 5 Капитальные вложения, $/к. Вт Биомасса Геотермальная энергетика Традиционная гидроэнергетика Малая гидроэнергетика Солнечная фотоэнергетика Солнечная теплоэнергетика Приливная энергетика Наземная ветроэнергетика Морская ветроэнергетика АЭС ТЭС на угле ТЭС на газе Источник: Международное энергетическое агентство (IEA) 20
Изменение удельной стоимости установленной мощности сетевых ВЭУ за рубежом (усредненные данные) 21 Источник: EWEA
Состояние (2000 -2008 гг. ) и перспективы (2008 -2030 гг. ) изменения удельной стоимости установленной мощности наземных и морских ВЭУ. Источник: European Commission and EWEA, 2008 22
Изменение стоимости электроэнергии сетевых ВЭС за рубежом (усредненные данные) 23 Источник: EWEA
Динамика удельной стоимости фотоэлектрических модулей в мире в 1983 -2008 годах Источник: PV World, 2009 24
К вопросу стоимости ФЭС Динамика цен на модули ($/Втпик) (усредненные значения производителей США) Годы 2006 2007 2008 2009 2010 2011 % сниж. за 5 лет Среднего д. абс. снижение за 5 лет Тонкоплен. 3, 00 3, 25 3, 00 1, 65 1, 58 1, 07 -19% 3, 04 раза Крист. 3, 39 3, 50 3, 25 2, 18 1, 64 1, 48 -15% 2, 4 раза Источник: Ren. Energy World, 07 -08/2011 Стоимость современных фотоэлектрических станций в Европе примерно в два раза дороже стоимости модулей Куд = 2000 – 3000 Евро/к. Вт 25
Levelised Cost of Energy (LCOE) Levelised Cost of Electricity (LCOE) Levelised Energy Cost (LEC) Выровненная (осредненная) себестоимость энергии Где t = 1. . n- время службы станции (количество полных лет); It инвестиционные расходы в год ($, руб. ) ; Mt - расходы в год на эксплуатацию и техническое обслуживание ($, руб. ); Ft - стоимость топлива в год ($, руб. ); Et - произведено электроэнергии в год (МВт*ч) ; r - учетная ставка. 26
Расчет выравненной стоимости электроэнергии по различным источникам генерации (США) Тип станции Обычные угольные Усовершенствованные угольные с CCS (сист. улав. и погл. ) Нормированная стоимости электроэнергии (LEC) (2010 USD / МВт*ч) Минимальная Средняя Максимальная 90, 1 99, 6 116, 3 103, 9 112, 2 126, 1 129, 6 140, 7 162, 4 61, 8 58, 9 82, 8 94, 6 80, 4 108, 4 85, 0 101, 5 78, 2 307, 3 122, 2 182, 7 58, 6 65, 5 92, 8 132, 0 105, 3 112, 7 99, 6 120, 2 96, 8 330, 6 156, 9 251, 0 89, 9 88, 1 83, 3 110, 9 164, 1 133, 0 120, 1 113, 9 142, 8 114, 1 350, 4 245, 6 400, 7 149, 7 На природном газе (тип): Обычные комбинированного цикла Усовершенствованные CC (комб. цикл) с CCS Обычная газотурбинные Усовершенствованные ядерные Геотермальные Биомасса ВЭС – «Оффшорные» Солнечные фотоэлектрические Солнечные тепловые Гидро Источник: Levelized Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2011. Released January 23, 2012. Report of the US Energy Information Administration (EIA) of the US Department of Energy (DOE) 27
Данные, используемые для расчета выровненной себестоимости электроэнергии на 2015 -2035 гг. CCGT (ПГУ) European Union (ЕС) Киум Коэфф. исп. топлива (брутто, НТС) Капитальные затраты ($ 2009 за к. Вт) Срок строительства (лет) Срок службы (лет) Удельная стоимость топлива (различная *) Затраты на обсл. и эксп. ($ 2009 за к. Вт) United States (США) Киум Коэфф. исп. топлива (брутто, НТС) Капитальные затраты ($ 2009 за к. Вт) Срок строительства (лет) Срок службы (лет) Удельная стоимость топлива (различная *) Затраты на обсл. и эксп. ($ 2009 за к. Вт) China (Китай) Киум Коэфф. исп. топлива (брутто, НТС) Капитальные затраты ($ 2009 за к. Вт) Срок строительства (лет) Срок службы (лет) Удельная стоимость топлива (различная *) Затраты на обсл. и эксп. ($ 2009 за к. Вт) Coal (Уголь) Coal CCS Nuclear (Уголь УХУ) (АЭС) Wind (Ветер) 60% 61% 900 3 25 9. 8 23 75% 50% 2 100 5 35 105 63 80% 41% 3 550 5 35 105 90% 33% 4 200 7 40 3 125 24% n. a. 1480 1. 5 20 n. a. 22 55% 61% 900 3 25 6. 6 23 80% 51% 2 550 5 35 55 89 80% 42% 3 800 5 35 55 130 90% 33% 4 600 7 40 3 125 28% n. a. 1 550 1. 5 20 n. a. 23 60% 650 2 25 10 20 80% 49% 1200 4 35 70 48 80% 40% 2 100 4 35 70 85 90% 33% 3 000 6 40 3 110 25% n. a. 1 320 1. 5 20 n. a. 20 Примечание: Стоимость топлива - газ ($/MVtu); уголь ($/тонну); АЭС ($/МВт*ч) Источник: OECD/IEA 2011. ARE WE ENTERING A GOLDEN AGE FOR GAS? GIE Annual Conference. 23 June 2011. 28
Выровненная себестоимость производства электроэнергии при различных ценах на газ, 2015 -2035 гг. Coal Уголь сверхкритических (пар) supercritical Coal ultra Уголь суперсверхкритические (пар) supercritical Coal IGCC Уголь (станции с газифик. и комб. циклом) Gas CCGT Газ ПГУ (станции с комб. циклом) Coal oxyfuel with CCS Coal IGCC with CCS Gas CCGT with CCS Уголь (станции с сжиганием кислорода, улавливанием и захорон. СО 2) Уголь IGCC с CCS (станции с газифик. и комб. циклом , улавливанием и захорон. СО 2) Газ ПГУ (станции с улавливанием и захорон. СО 2) Примечание: Предположения, приведены в таблице Затраты на производство электроэнергии в странах Европейского союза включают C 02 по цене $ 40 за тонну. Центральный цены на газ отражает среднюю цену «газового сценария» . Источник: OECD/IEA 2011. ARE WE ENTERING A GOLDEN AGE FOR GAS ? GIE Annual Conference. 23 June 2011. 29
Наземные ВЭС - капитальные затраты по отдельным странам, 2003 – 2010 гг. Australia Austria Canada China Denmark Finland Germany Greece India Ireland Italy Japan Mexico Netherlands Norway Portugal Spain Sweden Switzerland United Kingdom United States Onshore wind power system installed cost 2010 USD/k. W 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2566 2 477 865 785 1 367 1 855 2 268 1 749 2 336 0 0 1 472 1 463 1 392 790 725 886 1 331 1 503 1 759 1 840 922 836 924 0 1 893 2126 2 134 1 044 956 1 084 1 750 1 979 2174 2 122 959 862 952 1426 1 586 1 639 2 265 0 0 1 075 1 152 1 194 1 034 973 0 0 2 883 2 533 2 268 846 853 943 1 629 2 595 2 682 2 463 818 734 943 1 643 1 856 2 980 3 185 1 477 1 466 1 982 1 044 956 1 037 1 494 1 637 1 788 1 876 1 175 853 971 1 652 1 977 2 227 2 196 1 063 939 1 094 1 589 1 874 1 932 1 982 903 802 896 1 657 1 802 2 086 1 770 969 853 0 0 1 893 2 239 2 598 1 688 2 808 2 669 0 879 1 433 1 714 J 1 981 1 955 1 858 752 683 849 1 522 1 840 2124 2144 Sources: IEA Wind, 2007, 2008, 2009, 2010 and 2011: and WWEA/CWEQ 201 h 2010 1 991 -33181 2 256 - 2 6543 1 975 - 2 468 1 287 -1354 а 1 367 б 2 100 1 773 -2 330 1 460 -1 858 1 460 в 2 419 2 339 3 0242 2 016 1 781 1 830 1 327 -1 858 1 882 2123 2 533 1 734 2154 30
Тенденция изменения выравненной стоимости LCOE (энергии ветра) за период Q 2 2009 -Q 2 2011 гг. Source: BNEF, 2011 b. 31
Типичные значения удельной выравненной стоимости электроэнергии солнечных фотоэлектрических систем Module cost factory gate or spot (2010 USD/W) Installed cost (2010 USD/W) Efficiency (%) Levelised cost of electricity (2010 USD/k. Wh) c-Si PV system 1. 02 - 1. 24 3. 8 -5. 8 14 0. 25 - 0. 65 c-Si PV system with battery storage 1. 02 - 1. 24 5 -6 14 0. 36 -0. 71 0. 84 - 0. 93 3. 6 - 5. 0 8 -9 0. 26 -0. 59 Residential Utility-scale Amorphous Si thin film Примечание: Предполагается, 10% стоимости капитала. Источник: RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGIES: COST ANALYSIS SERIES Volume 1: Power Sector Issue 4/5 Solar Photovoltaics June 2012 32
Сценарий EPIA ежегодного мирового ввода новой установленной мощности PV –станций , 2000 – 2015 гг Source: EPIA, 2011 b. 33
Выравненная стоимость электроэнергии: Сценарии для систем PV на 2010 - 2030 гг. Sources: IEA, 2010; and EPIA and A J. Kearney, 2011. 34
Выравненная стоимость производства электроэнергии из биомассы для различных технологий Примечание: Co-firing -Совместное сжигание; Digester-сбраживание биомассы; Gasifier CHP- газификация и комбинированное производство электроэнергии и тепла ; BFB/CFB – сжигание в кипящем циркулирующем слое; Stoker – слоевое сжигание; Stoker CHP- комбинированное производство электроэнергии и тепла при слоевом сжигании. Источник: RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGIES: COST ANALYSIS SERIESVolume 1: Power Sector Issue 1/5 Biomass for Power Generation June 2012 35
Выравненная стоимость электроэнергии гидроэлектростанций по странам и регионам Sources: ACIL Tasman, 2008; Ecofys, et oi, 2011; IEA, 2010 b; IRENA, 2011; Pletka and Finn, 2009; and WGA, 2009. 36
Выравненная стоимость электроэнергии малой гидроэнергетики для ряда проектов в развивающихся странах Source: IRENA/GIZ. 37
Выводы 1. Существует достаточно высокая вероятность, что темпы развития возобновляемой энергетики превысят самые оптимистические прогнозы и доля ВИЭ в производстве электроэнергии у 2020 г. достигнет 15% (без крупных ГЭС). 2. В развитии возобновляемой энергетики на первый план выдвигается фотоэнергетика на базе кремния. К 2015 -2016 гг. ожидается снижение удельной стоимости модулей на кристаллическом кремнии до 0, 8 -1, 0 $/Ватт (пик) , что снимает последний барьер в развитии фотоэнергетики. 3. Влияние ожидаемого мирового финансового кризиса на развитие возобновляемой энергетики прогнозируется неоднозначным. В зависимости от политических решений Правительств стран возможен вариант сохранения и даже увеличения темпов развития возобновляемой энергетики. 4. В России появились отдельные примеры строительства биогазовых установок, малых ГЭС, тепловых насосов, ВЭС и малых ВЭС, ФЭС, однако, продолжается катастрофическое отставание в объемах использования ВИЭ из-за отсутствия подзаконных актов по государственному стимулированию использования ВИЭ. 38
Спасибо за внимание! П. П. Безруких Секция «Энергетика» РИА, Комитет ВИЭ Рос. СНИО, ЗАО «Институт энергетической стратегии» Эл. почта : bezruky@yandex. ru тел. 8(495) 916 -14 -61 8(495) 698 -52 -34 39
Скачать презентацию Восьмая всероссийская научная молодежная школа ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
0c8fff1916ac8da79fe13b9423380076.ppt