Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«Северный (Арктический) федеральный университет
имени М.В. Ломоносова»
Энергообеспечение Арктической зоны
Российской Федерации
Учебно-методическое пособие
Архангельск
САФУ
2019
1
Стр.1
УДК 620.92/8
ББК 31.15
Э61
Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом
Северного (Арктического) федерального университета
имени М.В. Ломоносова
Авторы:
А.А. Горяев, доц., канд. техн. наук;
С.В. Петухов, доц., канд. техн. наук;
Н.Б. Баланцева, доц., канд. техн. наук;
С.В. Бутаков, доц., канд. техн. наук
Энергообеспечение Арктической зоны Российской Федерации [ЭлектЭ61
ронный ресурс]: учебно-методическое пособие / А.А. Горяев, С.В. Петухов,
Н.Б. Баланцева, С.В. Бутаков; Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова.
– Электронные текстовые данные. – Архангельск: САФУ, 2019. –
68 с.
ISBN 978-5-261-01368-6
Приведены источники тепловой и электрической энергии, методика расчета
потребляемой мощности, варианты заданий, примеры расчета и необходимые
справочные данные.
Предназначены для студентов направлений подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика
и теплотехника» и 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».
УДК 620.92/8
ББК 31.15
Издательский дом им. В.Н. Булатова САФУ
163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56
ISBN 978-5-261-01368-6
© Северный (Арктический)
федеральный университет
им. М.В. Ломоносова, 2019
2
Стр.2
ВВЕДЕНИЕ
На огромной территории России, в так называемой Арктической зоне
(АЗ), где проживает 2,5 млн человек находится около 17000 населѐнных
пунктов, нет централизованного энергоснабжения. Это районы, расположенные
севернее 64° с.ш., удалѐнные районы Сибири и Дальнего Востока, Камчатки
и Курильских островов, а также острова Северного Ледовитого океана.
Здесь создаѐтся 15 % ВВП страны и 25 % экспорта РФ, добывается 80 % российского
газа, алмазов, 100 % сурьмы, апатитов, редких металлов, 90 % никеля
и кобальта, 60 % меди, 35 % рыбы. Запасы сырья арктических недр превышают
30 трлн долларов. В этих районах электроэнергия вырабатывается
на дизельных электростанциях, а тепловая энергия производится местными
котельными, использующими в качестве топлива уголь, мазут, дизельное
топливо, завоз которого в удалѐнные районы непомерно увеличивает стоимость
получаемой энергии. Так, например, доставка топлива в Ненецкий АО
в 2009 г. составила от стоимости топлива: дизельного 45–54 %, каменного
угля 58–73 %, дров – 50–70 %. Экстремальные природные условия – низкие
температуры, полярные день и ночь, магнитные бури, сильные ветра и метели
– заставляют в арктических городах и посѐлках создавать резервы нефти,
угля, продуктов, источников энергии. Продолжительность отопительного сезона
в Арктической зоне от 9 до 12 месяцев. В АЗРФ ежегодно завозят
25 тыс. тонн угля за 1000 км, расходуя на это сотни миллионов рублей.
В АЗРФ необходим перевод электроэнергетики на возобновляемые источники
энергии и местные виды топлива. Стратегия развития АЗРФ предполагает
реализацию крупных проектов. Это новые транспортные коридоры,
в т.ч. через Берингов пролив, Северный морской путь, железнодорожный,
трубопроводный, автомобильный транспорт, строительство буровых и ледостойких
нефтедобывающих платформ и т.д. Всѐ это потребует надѐжного
тепло- и энергообеспечения.
Значительные изменения предполагаются ещѐ в одной критической
сфере арктического жизнеобеспечения – малой энергетике. Здесь будут созданы
ветропарки на побережье СМП, геотермальные станции, построены
новые мини-ТЭЦ, парогазовые и паротурбинные установки. Фундаментом
для арктического инновационного процесса станет создаваемая инфраструктура.
Еѐ образуют исследовательские университеты (в том числе и САФУ) и
колледжи АЗРФ, технопарки, технико-внедренческие зоны и т.д.
3
Стр.3
Для устойчивого развития Арктики необходимость подготовки собственных
кадров безальтернативна. Произойдѐт стыковка университетских
программ с потребностями арктических мегапроектов.
Безопасность поселений Арктики невозможна без устойчивого теплоэнергообеспечения.
Здесь самый трудный случай – обеспечение теплом и
энергией сотни децентрализованных потребителей, которые не имеют круглогодичной
наземной связи. Нет лучшего места для тестирования новых
технологий, развѐртывания пилотных проектов для подбора индивидуального
инновационного решения по использованию местных видов топлива и
возобновляемых источников энергии.
Значительный эффект обеспечит перевод энергоснабжения с дизельных
электростанций и котельных на ТЭЦ малой мощности ввиду замещения дорогостоящего
дизельного топлива местным углѐм, более высокого КПД котлов у
ТЭЦ малой мощности и совместной выработки тепловой и электрической
энергии. Управление этих станций будет автоматизировано. Для энергоснабжения
малых сѐл будут использованы малые ГЭС на горных реках и ветроэнергетические
установки, которые широко применялись в Арктике до 1970-х
годов. На полярных станциях и базах действовали около 150 ветровых электростанций
мощностью от 1,5 до 18 кВт. В десятках арктических поселений
будут развѐрнуты пилотные проекты по возобновляемой электроэнергетике
для замещения завоза сотен тысяч тонн дизельного топлива в год.
В теплоснабжении арктических поселений станут применяться комбинированные
схемы – оснащение дизельных электростанций и газотурбинных,
парогазовых установок котлами-утилизаторами для попутного получения
тепловой энергии. Малые котельные начнут переводиться на облагороженное
твѐрдое топливо.
Для устойчивого топливоснабжения малых и средних арктических поселений
будут использоваться уголь мелких местных месторождений, нефть,
конденсат и газ опытно-промышленных скважин в местах добычи углеводородов.
Модернизация
малой энергетики и энергообеспечения арктических сѐл
потребует подготовить сотен специалистов-энергетиков из местного населения
в университетах Арктики.
Энергетика поселений составляет, как правило, небольшую мощность, а
обеспечение электро- и теплоснабжением от централизованных сетей требует
строительства электрических, тепловых и газовых сетей большой протяжѐнности,
что требует нерациональных капитальных затрат. Так, на прокладку
электрических сетей затраты составят не менее 500 тыс. руб./км, газовых – до
250 тыс. руб./км. Потери в электрических сетях от 20 до 30 %, в тепловых сетях
до 60 %, плата за подключение более 50 тыс. руб./кВт [1]. Кроме того,
рост стоимости электро- и теплоснабжения на углеводородном сырье, их
4
Стр.4
ограниченность, экологические проблемы, загрязнение окружающей среды
и т.д. приводят к ухудшению условий жизни населения. Автономная система
работает независимо от сети централизованного энергоснабжения.
Гибридная энергосистема – это использование нескольких источников
энергии (микро-ГЭС, дизельные электростанции, ветроустановки, биоэнергетические
котлы, мини-ТЭЦ на местных топливах и т.п.).
В ряде стран мира успешно решаются проблемы совместного производства
энергии с использованием возобновляемых и традиционных источников
энергии.
В Арктической зоне наиболее продуктивны – это энергия ветра, тепловые
насосы, малая гидроэнергетика, биоэнергетика при совместном использовании
с дизельными электростанциями. Это приводит к значительному сокращению
поставок традиционного топлива.
На территории Арктической зоны во всех регионах есть те или иные источники
возобновляемой энергии. Это солнечная энергия, энергия ветра,
энергия океана и морей, низкопотенциальное тепло, био- и геотермальная
энергия. Для обеспечения электро- и теплоснабжением таких регионов на
70–90 %, а то и 100 % с аккумулированием энергии наиболее целесообразно
создание комбинированных энергообеспечивающих источников. Для комбинирования
энергокомплексов следует подбирать наиболее экономичные источники
энергии. Например, солнечная батарея + ветроэнергоустановка
(ВЭУ) + аккумуляторная батарея (АБ) + дизельная электростанция (ДЭС)
для покрытия дефицита электроэнергии и для подзарядки батарей на период
недостаточной выработки электроэнергии от ВЭУ + контроллер + инвертор
однофазный или трѐхфазный или тепловой насос + ВЭУ + аккумуляторы +
контроллер + инвертор + ДЭС. Для энергообеспечения крупных промышленных
объектов и городов, потребляющих десятки тысяч кВт, необходимы
крупные энергостанции, такие как меговаттные ветропарки, плавучие атомные
электростанции (ПАЭС), конденсационные электростанции (КЭС) и
теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) с парогазовыми установками на местном топливе.
Энергоснабжение
районов возобновляемой энергетикой необходимо
рассчитывать с учѐтом климатических особенностей и фауны местности.
Например, перевод котельных с каменного угля на биотопливо рационален
при достаточном количестве в районе древесных отходов. Кроме того, всегда
надо учитывать местные ресурсы полезных ископаемых. Из-за низкой
энергетической плотности ВИЭ и непостоянства еѐ выработки стоимость
энергии, полученной от ВИЭ, как правило, выше тарифа на электроэнергию,
полученную от традиционных источников энергии в центральных районах
страны. Поэтому конкуренция ВИЭ с традиционными источниками энергии
5
Стр.5
актуальна именно в децентрализованных районах, удалѐнных от центральных
энергосистем [2].
При внедрении ВИЭ предварительно оценивают необходимые объѐмы
электро- и теплоснабжения. Определяют приоритетность ВИЭ в данном районе,
учитывают социальные и экологические аспекты и определяют экономическую
эффективность перевода традиционной энергетики на ВИЭ. Поэтому
не всегда экономичен полный отказ от традиционной энергетики.
Возможно, что какую-то часть еѐ необходимо оставить. Например, использование
ДЭС для подзарядки аккумуляторов или для обеспечения недостатка
электроэнергии в период ветрового затишья.
Наибольшую эффективность можно получить от комбинирования различных
источников энергии. Для электро- и теплоснабжения могут быть
рассмотрены:
1) солнечная энергетика;
2) микрогидроэлектростанции (МГЭ);
3) тепловые насосы (ТН);
4) ветроэнергетика (ВЭ);
5) котлы для отопления, работающие на древесном топливе;
6) газогенераторы;
7) парогазовые установки;
8) атомная энергия (ПАЭС);
9) водородная энергетика;
10) аккумуляторы;
11) дизельные электростанции «ДЭС» (приложение).
В северной части Арктической зоны – это острова и побережье северных
морей, удалѐнные районы Сибири, Камчатки, и Курильские острова,
где высокие среднегодовые скорости ветров, будут превалировать ветроэнергетические
установки (ВЭУ). В южной части – биоэнергоустановки и
микрогидроэлектростанции. Тепловые насосы применимы во всей Арктической
зоне. В северной части Арктической зоны среднегодовая скорость ветра
в приземном слое на высоте 10 м равна 6–8 м/с, а с увеличением высоты
скорость ветра увеличивается в степенной зависимости. Так, например, в
п. Амдерма (НАО) среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м – 7,9 м/с, на
высоте 30 м – 9,8 м/с, 50 м – 11,9 м/с. При таких среднегодовых скоростях
безветрия практически не бывает, а скорости ветра до 3 м/с могут быть до
3 дней в году. Население северной части АЗ в основном проживает в небольших
посѐлках, в деревянных домах. Помимо посѐлков имеются метеорологические
станции, маяки, пограничные заставы, военные городки и другие
спецобъекты, которым необходима высокая надѐжность энергоснабжения.
Это может обеспечить внедрение небольших ветроэнергетических уста6
Стр.6
новок с аккумуляторными батареями и ДЭС. Для рыболовецких посѐлков
уровень надѐжности может быть не очень высоким. Здесь можно использовать
ветродизельные установки без аккумуляторных батарей. Для военных
объектов, навигации и связи источник питания должен быть очень надѐжным.
В этих условиях можно использовать две-три небольших ВЭУ с вертикальной
осью вращения совместно с двумя ДЭС и системой аккумулирования
энергии. Таким образом, главным направлением автономного энергоснабжения
в условиях Заполярья и Крайнего Севера является гибридная
схема: несколько маломощных ветроустановок с ДЭС и аккумуляторными
батареями или без них. в северной части АЗ с холодным и полярным климатом
имеются районы с богатыми ископаемыми ресурсами и там, как правило,
имеются централизованные электрические сети. С целью уменьшения сезонных
поставок топлива целесообразно строительство мощных ветропарков
с горизонтальной осью вращения и подключения их в общую электросеть.
Отопление и ГВС при необходимости можно обеспечивать тепловыми насосами,
используя низкопотенциальное тепло Земли, вод озѐр или моря, или
электродными котлами. В каждом конкретном случае необходимо подготовить
ветроэнергетический кадастр, определить потенциальные возможности
ВИЭ и затем разработать технический проект по энергообеспечению города
или участка. В южных районах АЗ превалирующим источником энергии являются
биоресурсы. Это древесное сырьѐ (опилки, щепа, пеллеты, дрова и
т.д.). Вспомогательные источники энергии – это тепловые насосы, микрогидроэлектростанции,
ВЭУ, солнечные панели. Плавучая атомная электростанция
мощностью до 300 МВт способна обеспечить энергоснабжением и
пресной водой значительный прибрежный район на десятки лет.
7
Стр.7
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .....................................................................................................................
Задание на выполнение работы. Предварительные расчеты ................................
3
8
1. Солнечная энергия ................................................................................................. 11
1.1. Основные компоненты солнечной энергетической установки ................. 11
1.2. Расчет и подбор системы на солнечных батареях ...................................... 12
1.3. Пример расчета автономной системы электроснабжения ......................... 16
2. Малая гидроэнергетика ......................................................................................... 18
3. Тепловые насосы ................................................................................................... 21
3.1. Источники низкопотенциальной тепловой энергии ................................... 23
3.2. Системы отопления тепловыми насосами ................................................... 27
4. Ветроэнергетика .................................................................................................... 30
4.1. Повторяемость скоростей ветра ................................................................... 31
4.2. Удельные мощность и энергия ветрового потока ....................................... 33
4.3. Ветроэнергетические ресурсы ...................................................................... 37
4.4. Равномерность обеспечения потребителей энергией ................................. 37
4.5. Пример расчета ветроэнергетического кадастра Мезенского района ...... 38
5. Котлы для отопления, работающие на древесном топливе .............................. 45
6. Газогенераторы ...................................................................................................... 49
7. Парогазовые установки ......................................................................................... 50
8. Плавучие атомные электростанции (ПАЭС) ...................................................... 51
9. Водородная энергетика ......................................................................................... 53
10. Аккумуляторы ...................................................................................................... 60
68
Стр.68