Исследование эффективности использования комбинированных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии

Актуальность проблемы. Развитие науки и техники, а главное самосознание человечества сегодня достигли уровня, когда получение энергии определятся не только экономической целесообразностью, а также рядом других факторов, наиболее значимыми из которых являются: экологический, социальный и факторы связанные с перспективой развития человечества и энергетической безопасностью. В таком контексте повышенный интерес к использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) очевиден, даже, несмотря на более высокую стоимость по сравнению с традиционной энергетикой на сегодняшний день. При этом они имеют существенные преимущества с точки зрения экологии и социальной значимости. Существенное развитие возобновляемые источники энергии получили в странах с ограниченной ресурсной базой, чья энергетическая безопасность напрямую зависит от поставок энергоносителей (в первую очередь нефти и газа) из других стран. К таким странам можно отнести США, Китай, Японию, страны Евросоюза, Австралию. Первым и достаточно серьезным сигналом для таких стран был энергетический кризис 1973 года, когда страны ОПЕК по политическим мотивам резко снизили объемы добычи нефти, что привело к повышению ее стоимости в четыре раза с 3-х до 12 долларов США за баррель. Зависимость от ввозимых энергоносителей делала заложниками страны Европы в период политического кризиса в Украине, являющейся транзитной страной российского газа. Поэтому неудивительно, что в области возобновляемой энергетики они занимают одно из лидирующих положений в мире. Вследствие определенных особенностей развития Евросоюза, основная часть установок работающих на основе возобновляемых источников энергии подключены к централизованной системе электроснабжения.

Что касается России, то, в отличие от Европы она имеет достаточный запас энергоносителей, чтобы обеспечить свои энергетические потребности. Однако данный фактор не означает, что развитие возобновляемой энергетики в нашей стране является второстепенной задачей. Как известно, только 1/3 территории России «подключена» к объединенной энергетической системе. Следовательно, более 20−25 млн. человек проживающих на остальной части вынуждены использовать автономные системы энергообеспечения. К этой категории потребителей можно отнести и тех, кто подключен на конце тупиковой электрической сети. Как правило, для энергообеспечения таких потребителей используются бензиновые или дизельные генераторы, которые, в условиях российской действительности не всегда являются надежным и экономически приемлемым источником электрической энергии. Например, стоимость электроэнергии полученной дизельной электрической станцией (ДЭС) на о. Соловки составляет 27 руб/кВт*ч. В некоторых регионах стоимость одного кВт*ч полученного от ДЭС может доходить до 100 рублей и более (мыс Сеть-Наволок, Кольский полуостров). Такая высокая стоимость на электрическую и на тепловую энергию связана с необходимостью доставки органического топлива на значительное расстояние в труднодоступные районы. В таком контексте использование возобновляемой энергии в России имеет свои, весьма большие, перспективы. В связи с этим вышло распоряжением Правительства РФ1 от 8 января 2009 г. N 1-р «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г».

Мировой опыт освоения ресурсов ВИЭ показывает, что использование только одного вида ВИЭ в системах энергоснабжения автономных потребителей не всегда позволяет обеспечить надежное и бесперебойное энергоснабжение из-за физических особенностей самих ВИЭ. Как правило, энергообеспечение автономного потребителя за счет ВИЭ' стараются обеспечить путем комбинации разных видов первичной и вторичной энергии в так называемых энергокомплексах (ЭК). В их состав, обычно, входят как энергоустановки на базе ВИЭ, так и дизельные (бензиновые) энергоустановки (ДЭУ, БЭУ), а также разного вида системы аккумуляции энергии. Крайне усложняется сама система проектирования параметров и режимов ЭК на базе ВИЭ, что требует применения очень развитого информационного, математического и программного обеспечения, для" решения задачи финансово-экономического обоснования проектируемых ЭК в условиях России—где рыночные отношения находятся. только? на стадии, своего становления и имеется очень много случайных и неопределенных, по своей сутифакторов, которые влияют на эффективность самих ЭК на базе ВИЭ. Весьма сложнойно весьма актуальной задачей становитсяпроблема-создания? современного специального математического обеспечения по обоснованию проектов ЭК на базе ВИЭ? работающихв системах энергоснабжения многочисленных автономных потребителей России: .

Автономный? энергетический комплекс должен обеспечить надежное электрои теплоснабжениепотребителя: В работе исследуется: эффективность энергетического комплекса состоящегоиз ветровых, теплонасосных, дизельных" энергетических установок с применением? системы аккумуляции водорода.

Цель диссертационной работы:

— разработка математического? программного? обеспечения, и исследование параметров и режима работы энергетического комплекса (ЭК) состоящего из: ветровых, теплонасосных, дизельной энергоустановок, системы аккумуляции водорода^ на основе топливных элементов для автономного потребителя:

Основные задачи исследований.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ на основе печатных источников и ресурсов интернета состояния ветровой энергетики, состояния водородной энергетики, теплонасосных установок (ТНУ), существующих ЭК, состоящих из ветровых и дизельных (бензиновых) энергетических установок,.

2. Разработать методику обоснования параметров и режима работы ЭК на основе ветровых, дизельных, ТНУ с системой аккумуляции водорода на основе топливных элементов (ТЭ).

3. Для проведения исследовательских работ по разработанной методике создать программное обеспечение в среде Microsoft Excel с использованием методов динамического программирования в среде Visual Basic Application предназначенное для определения оптимальных параметров ЭК для энергоснабжения автономного потребителя.

4. С помощью разработанной методики и программыполучить и проанализировать результаты технико-экономического обоснования с учетом различных сценариев изменения инфляции, цен на топливо, оборудования работающего на основе ВИЭ и нескольких вариантов стоимости органического топлива для автономного объекта — автоматизированного радиотехнического поста «Сеть-Наволок» (АРТП Сеть-Наволок).

Научная новизна работы.

Результаты расчетно-теоретических исследований, представляемые к защите, являются обобщением работы автора в области обоснования состава и режимов работы ЭК на основе ВИЭ.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

— созданы методика и программное обеспечения для исследования режимов работы и определения состава и параметров оборудования ЭК состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельных энергетических установок с использованием системы аккумуляции на основе водорода с применением топливных элементов и электролизера.

— проведен анализ влияния технических и экономических факторов на состав, параметры и режимы работы ЭК состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельных энергетических установок с использованием системы аккумуляции на основе водорода с применением топливных элементов и электролизера для автономного потребителя. проведены исследования зон экономической целесообразности использования ЭК состоящего из ветровыхтеплонасосных, дизельных энергетических установок с использованием, системы аккумуляции водорода с применением топливных элементов и электролизера для различных сценариев динамики экономических факторов.

Основные положения выносимые на защиту:

1.Методика.обоснования, параметров и режима работы ЭК состоящего из ветровых, теплонасосных, дизельных энергетических, установок с использованием системы, аккумуляции на основе водорода с применением топливных элементов и электролизера .

2. Основные принципы работы программного обеспечения:

3. Результаты оценки технико-экономической эффективности: энергокомплекса на примере автономного потребителя АРТП «Сеть-Наволок».

Достоверность полученных результатов и выводов в работе, обеспечивается:

1. Применением широко известных методик и подходов применяемых в научно-технических исследованиях ВИЭ;

2. Эксплуатационным опытом ветро-дизельного энергетического комплекса! (ВДЭК) созданного для энергообеспечения автономного потребителя автоматизированного радиотехнического поста (АРТП) Сеть-Наволок в 2005 году.

Личный вклад автора заключается в:

— разработке методики обоснования параметров и режима работы ЭК основанного на использовании ветровых, дизельных, теплонасосных установок с использованием системы аккумуляции водорода на основе топливных элементов и электролизерасоздании на основе методики системы автоматизированного проектирования ЭК;

— проведении исследований параметров, состава оборудования и режимов работы ЭК для автономного потребителя;

— анализе полученных результатов.

Практическая значимость.

Нахождение оптимальных параметров ЭК, который состоит из множества элементов, представляет собой достаточно трудоемкую задачу.

Созданная методика ипрограммное обеспечение позволяют автоматизировать процесс технико-экономического обоснования ЭК, который может состоять из ветровых, дизельных, теплонасосных установок с системой аккумуляции водорода на основе топливных элементов, а также определить экономически выгодные параметры ЭК для автономного потребителя с заданными координатами и технико-экономическими параметрами.

Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: Шестнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в МЭИ (ТУ), Семнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в МЭЩТУ), Международная школа-семинар молодых учены и специалистов «Энергосбережение — теория и практика» в МЭЩТУ), Седьмая всероссийская научная школа «Возобновляемые источники энергии» в МГУ, Первая всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи: «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и-сооружений» в МГСУ, II Международная Научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦ.

По результатам данной работы были получены следующие награды и премии:

— Почетная" грамота «Победитель программы «Участник Молодежного Научно — Инновационного Конкурса» (УМНИК). Был заключен контракт сроком на 2 года на проведение НИР в области исследования энергетических комплексов на основе ВИЭ.

— Почетная грамота «Победитель программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (УМНИК) (номинация «УМНИК-Сколковец»);

— Диплом победителя конкурса «Кадровый резерв' молодых ученых и специалистов Фонда «Сколково» от 15 марта 2014 г;

— Диплом за лучший, доклад на II Международнойнаучно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях»;

— Диплом Лауреата Всероссийского* конкурса «Студены, аспиранты и молодые ученые — малому наукоемкому бизнесу — «Ползуновские гранты" — Диплом победителя первого тураконкурса «Инженерное искусство молодых» в номинации «Возобновляемые источники энергии».

Результаты^ диссертационной работы были использованы в ходе исследований и расчетов, проводимых ООО Корпорация «Русский Сверхпроводник». Получен акт о внедрении.

Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна статья в печатном издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 113 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 12 таблиц, и списка литературы из 134 наименований.

4.3 Выводы по четвертой главе .

1. С помощью разработанных методики и программного обеспечения проведены исследования для! реального объекта — АР 111 Сеть-Новолок.

2. В результаты исследований? технико-экономическойэффективности энергетического комплекса основанного на использовании ВЭУ, ТНУ, ДЭУ и системы аккумуляцишводорода былиюпределеныфяд зависимостей:

— при увеличении установленной мощности ВЭУ при фиксированноймощности электролизера, требуется меньший объем водородохранилища;

— чем меньше при фиксированной мощности ВЭУ объем водородохранилища, тем мощнее должен быть электролизер.

3. В: данною главе представлены в табличном виде результаты исследований оптимальной структуры ЭК при начальной стоимости топлива в 30, 100 и 300 руб/л. Рассмотрены все 27 сценариев развитии экономики. Данные таблицы были составлены на основе, полученных с помощью разработанного программного-' обеспечения! расчетов, часть которых, представлена в приложении. Окончательное решение по составу энергетического комплекса должно базироваться, на: основе самого вероятногосценарияэкономическогопрогнозированияиреальнойстоимости топлива для объекта исследования.

4. В! программу были заложены ценовые показатели на топливо и энергетическое оборудование на. момент начала строительства ЭК, а также параметры инфляции за время эксплуатации^ комплекса. Результат расчета соответствует ранее проведенному технико-экономическому* обоснованию проекта и эксплуатационному опыту: ветродизельной станции для энергообеспечения автономного потребителя АРТП Сеть-Наволок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В работе выполнен анализ современного состояния ветровой энергетики, использования теплонасосных установок, водородной энергетики, применения энергетических комплексов на основе ветровых и дизельных энергетических установок, рассмотрены существующие ветровдородные энергетические комплексы в Канаде и Австралии.

2. В зависимости от географического положения и построения внутренних и внешних экономических взаимоотношений каждая страна выбирает свой путь энергетического развития. Европейский союз пошел по пути создания Единой энергетической системы и, следовательно, основной вектор развития в области применения ВИЭ — это создание крупных энергетических установок и станций, которые подключаются к энергосистеме. Особенностью США и Канады является тот фактор, что в области энергетики конкурируют ряд энергетических компаний, которые имеют свои энергетические системы и сети. Надежность такой системы несколько ниже, чем при использовании единой энергетической сети. Поэтому, экономика этих стран базируется на стремлении потребителей энергии к независимости от энергетических компаний. Этот фактор способствует активному развитию рынка систем автономного энергоснабжения, особенно основанных на использовании ВИЭ.

3. В России имеется широко развитая объединенная энергетическая система, а также достаточный запас углеводородов. Однако часть потребителей энергии находятся в удаленных от централизованного энергоснабжения местах. Основным источником энергии для данных потребителей являются автономные ДЭУ и небольшие энергосистемы, построенные на основе ДЭС. Для части таких потребителей, как правило расположенных в условиях Крайнего Севера и на Дальнем Востоке, доставка топлива является трудоемким и дорогостоящим процессом, который можно осуществить лишь в определенный период времени года. Данные территории обладают хорошими ветровыми ресурсами, что свидетельствует о возможности применения ВЭУ.

4. В процессе выполнения диссертационной, работы была разработана методика обоснования параметров и состава ЭК на основе ветровых, дизельных, теплонасосных установок с системой аккумуляции водорода на основе топливных элементов.

5. На основе данной методики было создано программное обеспечение в среде Microsoft Excel с использованием, методов динамического программирования в среде Visual Basic Application предназначенное для определения оптимальных параметров ЭК для энергоснабжения автономного потребителя. Данная программа позволяет проводить расчет за период времени до 20 лет и имеет следующие функциональные возможности:

5.1 Определение-параметров и режимов работы оборудования следующих комплексов:

1) Автономное энергообеспечение за счет ДЭС;

2) ВЭС + ДЭС;

3) ДЭС + ТНУ;

4) ДЭС + ВЭС + ТНУ;

5) — ДЭС + ВЭС + система аккумуляции водорода на основе ТЭ;

6) ДЭС + ВЭС + ТНУ + система аккумуляции водорода на основе ТЭ;

5.2 Учет прогноза динамики инфляции, цен на топливо и на оборудование, работающее на основеВИЭ;

5.3 Определяет время ремонта и замены основного оборудования.

6. С помощью разработанных методики и программногообеспечения были получены и проанализированы результаты технико-экономического обоснования с учетом различных сценариев изменения инфляции, цен на топливо, цен на оборудование, которое работает на основе ВИЭ, и несколько вариантов начальной стоимости органического топлива (30, 50, 100, 200, 300 руб/л) для автономного объекта — АРТП Сеть-Наволок. Проведенные исследования показали высокую эффективность использования ВЭУ и ТНУ для энергообеспечения объекта.

7. Эффективность применения ВЭУ также подтверждается эксплуатационным опытом. На исследуемом объекте расположены 2 ВЭУ мощностью 30 кВт каждая.

8. Использование системы аккумуляции водорода с ТЭ элементами также представляется потенциально возможным, правда при наличии соответствующих экономических условий:

1. Высокая начальная стоимость топлива (более 60 руб/л);

2. Благоприятный сценарий экономического развития, то есть нормальный или пессимистический сценарии изменения цен на топливо и оптимистичный и нормальный сценарии изменения стоимости оборудования работающего на основе ВИЭ.

9. Результаты проведенных исследований в области обоснования ветродизельного ЭК близки к результатам, полученным при ранее проведенных расчетах и совпадают с реальным эксплуатационным опытом.