Микроэнергетика

Человечеству в последнее время постоянно не хватает энергии. С другой стороны, оно в буквальном смысле купается в ней. Так, например, для удовлетворения своих энергетических потребностей человечеству достаточно утилизировать всего 5%-й КПД солнечной энергии, падающей на 0,13% поверхности земного шара. И, тем не менее, энергии не хватает. Именно поэтому производство энергии является серьезным бизнесом, ничуть не менее серьезным, чем телефонная связь -- американский рынок производства электроэнергии оценивается более чем в 220 млрд. долл., что превышает совокупную величину рынков сотовой и междугородной связи.

Энергетический рынок всегда развивался чрезвычайно динамично. Но особую стремительность эта динамика приобрела в последние годы. Все указывает на то, что в производстве энергии, особенно электричества, грядет настоящая революция. И секрет этой революции заключается в использовании так называемой "микроэнергетики" -- раздела энергетики, связанной с производством энергии при помощи компактных маломощных (от ватт до киловатт) источников различной природы.

Термин "микроэнергетика" был предложен Сетом Дунном из Института мировой экологии (Worldwatch Institute), который к этой категории отнес солнечные батареи, ветрогенераторы, водородные элементы и газовые микротурбины, т.е. маломощные генераторы электричества. Однако с учетом технических и экономических аспектов современной энергетики термин "микроэнергетика" необходимо трактовать более широко, рассматривая не только проблемы генерации электричества, но также и проблемы генерации тепла и холода.

В силу чрезвычайной привлекательности своей концепции и особенностей используемых технологий микроэнергетика способна проникать с одинаковой скоростью и на рынки промышленно развитых стран, и в неразвитые районы, где с ее помощью местная промышленность и население смогут получить доступ к энергии, не дожидаясь развития крупных станций и национальной энергосети. Эффективность современной микроэнергетики подтверждается значительным интересом, проявляемым к ней гигантами современной индустрии. Так, например, швейцарский энергетический гигант АВВ недавно объявил, что начинает сворачивать свой бизнес по созданию атомных электростанций и переключается на разработку возобновляемых источников энергии и небольших электростанций, расположенных поблизости от потребителей.

            Все,чтосейчаспроисходит с микроэнергетикой, очень напоминает историю становления и развития мобильной связи. В свое время и энергетика, и телефония традиционно были основаны на эксплуатации дорогостоящей и протяженной инфраструктуры, что автоматически превращало производителей в естественных монополистов. Но, как и в случае с телекоммуникациями, подобное обстоятельство только вредило развитию энергетики. Поэтому бурное развитие микроэнергетики фактически означает, что естественная монополия, представляющая собой систему энергостанций, линий электропередач и теплотрасс, сегодня больше уже не является единственным возможным источником производства энергии. Более того, энергетические корпорации, эксплуатирующие огромные и не безупречные в экологическом плане энергостанции, и дальше будут испытывать все большую конкуренцию со стороны микроэнергетических компаний, с их более компактными и "чистыми" источниками энергии. В прошлом, потери энергии при передаче ее от центральных энергостанций по сетям, с лихвой компенсировались огромной мощью этих станций. Сегодня, с появлением микроэнергетики, чьи источники энергии зачастую обладают гораздо большим КПД, чем наиболее совершенные традиционные генераторы, такой подход начинает утрачивать экономический смысл. Уже сейчас произведенная микроэнергетикой энергия зачастую дешевле, и разница в ценах будет продолжать увеличиваться. В результате это обязательно приведет к уменьшению цен для потребителей и к увеличению предложения энергии.

По сравнению с традиционными технологиями, микроэнергетика более эффективна и надежна. Напомним, что современная надежность традиционных источников и энергетических сетей описывается термином "три девятки", что означает гарантию работоспособности в течение 99,9% времени. Это означает практически запланированный отказ ежегодно на 8 часов. Однако многим современным производствам нужна совсем иная надежность, а именно "девять девяток". Достичь ее можно только с переходом на микроэнергетические установки и новые принципы работы энергосетей.

Несколько слов об экологическом преимуществе микроэнергетики. Солнечные батареи и коллекторы уже сейчас являются эталоном экологически чистых источников энергии. Топливо (водород и природный газ), используемое микроэнергетикой, также сравнительно спокойно воспринимается экологами.

Но что самое главное-- микроэнергетика позволяет пользователю почувствовать себя независимым от состояния централизованных электрических и тепловых сетей, надежность которых стремительно падает, что подтвердили события последних лет в России. Да и не только в России -- энергетики всего мира знают о страшной аварии, случившейся в американской энергетике 9 ноября 1965 года. Всего за 13 минут огромная площадь - 250 тыс. кв. км - в Северной Америке и Канаде осталась без электричества. С тех пор было написано сотни томов о том, что творилось в городах самой богатой страны мира, - там было царство хаоса и насилия. Пилоты самолетов, летящих в этот момент над Америкой, в ужасе сообщали диспетчерам, что ничего страшнее в жизни не видели: вместо моря огней - безмолвная темнота, они боялись, что террористы уничтожили страну. Но больше всего были потрясены энергетики: верх технологического творчества, управляемая компьютерами огромная энергетическая сеть, оказалась уязвимой и беспомощной.

Особенно велики перспективы микроэнергетики в развивающихся странах и странах с переходной экономикой, многие из которых испытывают серьезные проблемы из-за состояния своих энергосистем. Уже сегодня многие пользователи в этих странах, не желая зависеть от капризов инфраструктуры, используют местные источники энергии, как правило, дизельные генераторы. Использование для этих целей солярных устройств, гидро и ветрогенераторов, а также тепловыделяющих элементов и газовых турбин позволило бы таким странам перешагнуть в развитии своей энергетики через этап гигантских электростанций, подобно тому, как многие страны сейчас перешагивают через традиционную телефонную связь, переходя сразу к беспроводной.

Заметим, что кардинальное изменение структуры выработки энергии, связанное с развитием микроэнергетики, неизбежно должно привести к не менее кардинальной смене структуры сети доставки и распределения энергии. До сих пор электричество и тепло текло от крупных электростанций к розеткам и батареям домов. На такой односторонний поток энергии ориентированы все системы энергетических сетей. Появление микроэнергетики заставило специалистов задуматся о включении малых генерирующих мощностей в сети. Сейчас же для электросетей активно разрабатываются новые схемы релейной защиты и управления сетями, которые позволят включать "микрогенераторы" в основную сеть, что сделает их похожими на телекоммуникационные сети. Уже разработаны устройства под названием FACTS (Flexible AC Transmission System - гибкие системы передачи переменного тока) являющиеся, по сути дела, маршрутизаторами для электричества, способные оперативно направлять требуемое количество электричества в нужное место. В будущем это позволит избежать колебания рыночных цен на электроэнергию. Сейчас у них один недостаток - высокая стоимость, но есть надежда, что новые полупроводниковые технологии на основе карбида кремния, нитрида галлия и алмазных пленок снизят их стоимость.

Сегодня по линиям электропередачи передается переменный ток, хотя большинство потребителей, в частности, цифровые устройства в своей работе использует постоянный электрический ток. Дело в том, что передача постоянного тока на значительные расстояния приводит к огромным потерям. Поэтому современные компьютеры и большинство других приборов содержат устройства, превращающие переменный ток в постоянный, нужный для работы. Ветровые и солнечные электростанции создают как раз постоянный ток, но у них есть один недостаток -- нестабильность режима работы как следствие зависимости от природных условий. Первый выход -- использовать современные аккумуляторы или конденсаторы, другой -- создавать локальные "микросети" постоянного тока, работающих с эффективностью в "девять девяток". Первая такая сеть уже начала работать в Южной Калифорнии.

Как видим успехи микроэнергетики грандиозны. Не менее грандиозно и ее будущее. Но в настоящий момент полностью реализовать свой потенциал микроэнергетике не позволяют определенные препятствия. Прежде всего, это трудности, связанные с налогообложением, системой стандартов и государственным протекционизм в отношении традиционных производителей энергии. Многие крупные энергетические компании дотируются государством в виде прямых субсидий или косвенным путем. В Европе такое дотирование происходит непосредственно за счет налогоплательщиков, в США оно носит косвенный характер и заключается в смягчении природоохранного законодательства в отношении крупных производителей энергии. Существует и прямая налоговая дискриминация микроэнергетики, заключающаяся, например, в установке невыгодных норм амортизации по тепловыделяющим элементам. Отсутствует также единая система стандартов в области микроэнергетики. Так, например, одно из преимуществ микроэнергетики заключается в возможности владельца источника энергии выступать как в роли потребителя, так и в роли поставщика энергии, продавая ее излишки через общую сеть. Это вполне может быть реализовано при помощи существующих средств управления сетями, однако это требует введения единой системы стандартов на энергию, передаваемую подобным образом. В настоящее время такие стандарты приняты всего в нескольких странах. Таким образом, для реализации своего права на продажу энергии, владелец микроэнергетического источника будет вынужден разбираться с огромным числом часто противоречащих друг другу правил и инструкций. Это создает почву для дискриминации таких производителей традиционными компаниями, которые получают возможность препятствовать их выходу на рынок, ссылаясь при этом на якобы не соблюдаемые правила безопасности или требуя введения в отношении поставщиков "микроэнергии" длительных и дорогостоящих инспекционных и контрольных процедур.

Развитие микроэнергетики затрудняется также из-за значительного государственного регулирования в этой области. Наиболее благоприятна ситуация в США, где более половины штатов приняли законы, либерализующие их энергетические рынки. Однако, недостаточная координация в области продажи электроэнергии между отдельными штатами, отсутствие единого органа регулирования в этой области и существующее требование сохранять резервные мощности для удовлетворения потребностей пикового спроса, приводят к неопределенности, препятствующей выходу на рынок новых участников. В Европе регулирование рынка энергии является еще большей проблемой. Так, например, лоббирование компании "Electricite de France" привело к тому, что Франция так и не выполнила директивы Европейского Союза, предписывающие либерализацию энергетического рынка.

Однако, несмотря на имеющиеся трудности, микроэнергетика стремительно развивается и особенно та ее часть, которая связана с альтернативной энергетикой. Согласно прогнозам Мирового Энергетического Конгресса к 2020 году в США, Германии, Японии, Великобритании и других развитых западных странах доля альтернативных экологически чистых источников энергии составит более 20% всей производимой энергии (20% потребления энергии в США -- это все энергоснабжение России). К 2020 году Европа планирует осуществлять теплоснабжение 70%(!) своего жилого фонда за счет экологически чистой энергии, в частности, солнечной. В мире (без России) уже сейчас геотермическими станциями производится более 5200 МВт и в ближайшее время будет введено в строй таких генерирующих мощностей еще более 2000 МВт. И ведущее место здесь занимают США - более 40% действующих и вводимых мощностей. В США к концу 2001 года производилось около 500 МВт солнечной электроэнергии. Сейчас в мире годовой выпуск фотоэлектрических преобразователей уже превысил 300 МВт. Кроме того, солнечная энергия все более активно используется для генерации тепла - в мире работает уже более 2 млн термических гелиосистем. Так, например, в США общая площадь солнечных коллекторов превысила 10 млн квадратных метров, а в Японии - 8 млн.кв.м. В США и Японии работает также более 5 млн. тепловых насосов, более 100 000 ветрогенераторов. Активно ведутся исследования в области создания генерирующих мощностей на базе водородного топлива. Кроме того, во всех развитых западных странах принято специальное законодательство, стимулирующее развитие альтернативных источников энергии путем создания целой системы льгот как для производителей, так и для потребителей экологически чистой энергии.

Среди альтернативных источников энергии особенно активно развивается ветроэнергетика -- 24% в год. Сейчас это наиболее быстро растущий сектор энергетической промышленности в мире. В Европе ветрогенераторы стали привычным элементом пейзажа. В Дании 13% электроэнергии уже сейчас вырабатывается с помощью возобновляемых источников, половина ветровых турбин изготавливается именно в этой стране, отсюда их развозят по всему свету.

Следующее перспективное направление микроэнергетики - солнечная энергетика. Проблема утилизации экологически чистой и притом "дармовой" солнечной энергии волнует человечество с незапамятных времен, но только недавно успехи в этом направлении позволили начать формировать реальный, экспоненциально развивающийся рынок солнечной энергетики. К настоящему времени основными способами прямой утилизации солнечной энергии являются преобразование ее в электрическую и тепловую. Устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую, называются фотоэлектрическими или фотовольтаическими (PV-системы), а приборы, преобразующие солнечную энергию в тепловую, -- термическими (Т-системы). В последнее время все большее распространение получают так называемые гибридные или как их еще называют комбинированные системы (Н-системы), сочетающие в себе функции фотовольтаических и термических устройств. Отличительной особенностью гибридных систем является возможность их функционирования в автономном режиме, без подключения к централизованным энергосистемам. Часто в литературе все три типа приборов называются гелиосистемами. Подобные источники энергии очень ждут прежде всего в Китае, Индии, Индонезии. В Южной Африке с помощью солнечных батарей заряжаются в сельских районах беспроводные телефоны. В Кении в ближайшее время десятки тысяч домов будут получать энергию от солнечных батарей, выпуск которых наладили местные производители. До сих пор в Индии ежегодно умирают полмиллиона детей из-за загрязнения жилищ продуктами горения углеродного топлива. Солнечные генераторы электричества не только принесут энергию в дома, но и спасут миллионы жизней. В Китае из-за того же загрязнения миллионы некурящих женщин страдают от хронических бронхитов и рака легких, поскольку готовят пищу на открытом огне.

Следующая перспективная технология - водородные топливные элементы. Суть ее в том, что на специальных мембранах электрон отделяется от ядра атома водорода, в результате чего получается электрический ток, а в отходах - вода и тепло. Пять таких водородных элементов мощностью по 200 киловатт работают на Аляске, освещая и обогревая здание почты в городе Анкоредже. После часовой аварии электросети в Омахе отделение Первого национального банка понесло убытки в 6 млн. долл., после чего в срочном порядке поставило в своем вычислительном центре резервные источники электричества на водородных элементах. Эта технология планируется и для автомобильных двигателей. В недалеком будущем микропроцессор в каждом автомобиле будет постоянно "знать" стоимость электричества и определять момент, когда можно будет продать немного избыточной мощности мотора. Кстати, в марте 2001 года американский сенат принял закон об установке специальных счетчиков на местных генераторах электричества (в основном на возобновляемых источниках энергии), чтобы можно было подсчитывать энергию, которую они смогут направлять в сеть, если захотят.

Помимо ветрогенераторов, гелиосистем и водородных топливных систем достаточно перспективными для мини и микроэнергетики представляются и другие альтернативные источники энергии: тепловые насосы, энергетические системы на базе мини и микрогидрогенераторов электрической энергии.

Очень большое значение в современной мини и микроэнергетике придается средствам и устройствам генерации энергии, работающим на традиционном топливе. К таким устройствам относятся прежде всего газогенераторы и другие мини и микро моторгенераторам, а также газовые инфракрасные излучатели. Особенно вырос в последнее время интерес к моторгенераторам, поскольку на их базе научились создавать так называемые когенераторные и тригенераторные установки, вырабатывающие одновременно электричество, тепло и холод. Заметим, что на больших тепловых станциях, вырабатывающих энергию, сопутствующее выделение тепла обычно попросту рассеивается в атмосфере. В то же время в небольших локальных генераторах тепло с успехом используется для обогрева жилищ и нагрева воды. Такая когенерация повышает КПД установок на 40% и в два раза снижает выбросы окиси углерода в атмосферу. В Массачусетском технологическом институте 21-киловаттный газовый когенератор работает уже шесть лет, обеспечивая весь университетский кампус электричеством и теплом. Эта технология очень распространена в Европе, Австралии и Азии.

Микроэнергетика в России.

Как хорошо известно -- ситуация с энергообеспечением в России в последнее время становится все более тревожной. Прежде всего, нужно признать, что действующие генерирующие мощности катастрофически дряхлеют. Так, например, к 2005 году в результате старения выбытие генерирующих мощностей составит не менее 34% от существующего уровня, а к 2010 году - 53% (т.е. более половины!). Чтобы только заменять устаревающее оборудование нужно ежегодно вводить 10 млн.КВт генерирующих мощностей, а с учетом прогнозируемого роста потребления - не менее 15 млн.КВт в год. Ввод же одного миллиона КВт требует не менее 1 млрд. долл. США! Таким образом, для поддержания и развития своей энергетики Россия обязана тратить где-то около 15 млрд. долл. США в год!

Вызывает споры и нарекания структура используемых в энергетике России энергоносителей: 44-46% -- природный газ, 19-20% -- уголь, 4-6% -- мазут, 18-20% -- гидроресурсы, 12-14% -- ядерная энергия. Многие специалисты считают, что одна из главных предпосылок кризисных явлений в топливно-энергетическом комплексе России - это невозможность поддерживать добычу природного газа на достигнутом высоком уровне и, как следствие этого - необходимость значительного сокращения его подачи в электроэнергетику. Другими словами, утверждается, что в российской энергетики явно преувеличена роль природного газа. Заметим, что если в ближайшие годы произойдет уменьшение его потребления в энергетике России на 30 млрд. куб м. (что, кстати, и предсказывают ведущие эксперты), то это будет соответствовать падению объемов генерации электроэнергии на 22%! Как выход из создавшегося положения предлагается срочно увеличивать долю угля, что при замене указанного объема природного газа составит дополнительно 50-60 млн. тонн угля в год. Однако последнее означает не только необходимость перепрофилирования существующих газо-мазутных ТЭС на уголь, строительство новых угольных станций, организацию дополнительных транспортных потоков, но и резкое увеличение экологического давления на атмосферу и окружающую среду.

Другие специалисты считают, что тенденция увеличения газа правильная, но ситуацию могут спасти современные парогазовые установки, поскольку их КПД в 2 раза выше, чем КПД традиционных энергоустановок. Третья группа специалистов уповают на ядерную энергетику. Однако, при этом необходимо будет построить дополнительно 16 атомных блоков мощностью по 1 тыс. МВт. каждый. И все они забывают (или не хотят об этом говорить), что каждое из этих решений влечет за собой появление таких экологических и социальных проблем, отдаленные негативные последствия которых окажутся во много крат серьезнее, нежели текущие выгоды.

Имеются также существенные недостатки и в топологии энергетической системы России. Напомним, что только 30% ее территории покрыто едиными энергетическими сетями. Обеспечение же энергией остальной территории осуществляется либо за счет локальных региональных энергосетей, либо за счет отдельных генерирующих мощностей, как правило, дизельных электрогенераторов. Поэтому не удивительно, что цена 1 Квт.ч в некоторых удаленных районах достигает 4 долларов. Заметим, что существующая структура энергосистемы приводит также к серьезным перекосам в демографической структуре общества (например, появление мегаполисов), к возникновению целого ряда негативных социальных и экологических проблем. Аналогично (и даже хуже) обстоят дела и в других странах СНГ.

Аналогичная ситуация и с генерацией и потреблением тепла. В России насчитывается около 700 ТЭЦ, 19 тыс. центральных тепловых пунктов и более 40 тыс. котельных, подающих тепло в жилые дома. И хотя общая протяженность теплосетей составляет 183,3 тыс. км магистральной горячей водой в России пользуются всего около 50 млн. человек, т.е. всего35% населения. При этом более 50% теплосетей требуют серьезного капитального ремонта.

Существуют и другие хорошо известные специалистам недостатки и трудности развития энергетики России и стран СНГ, но, тем не менее, хотелось бы обратить внимание на два очень тревожных обстоятельства.

Прежде всего, хотелось бы указать на незначительную роль в российской энергетике малой энергетики и, в частности, такого ее раздела микроэнергетики. Во-вторых, в российской энергетике практически сведена на нет роль альтернативных, экологически чистых источников энергии. Остановимся на этих обстоятельствах подробнее.

Не секрет, что структура энергопотребления в западных странах существенно отличается от России. Если, например, западные страны большое внимание уделяют проблеме автономного энергообеспечения различных объектов, то в России долгое время главное внимание уделялось централизованному энергоснабжению. Именно по этой причине в западных странах так хорошо развито производство малых генерирующих мощностей (от сотен ватт до мегаватт) и столь существенна роль малой энергетики в отличие от России. Правда, в последние годы и в России стали появляться производители оборудования малой энергетики. Однако, речь идет как правило о генерирующем оборудовании не менее нескольких мегаватт. Что же касается мини и особенно микроэнергетики, то на российском рынке таких производителей практически нет. Рассмотрим подробнее ситуацию с развитием микроэнергетики и альтернативных источников энергии в России.

В 2001 году согласно официальным данным в России на долю альтернативных источников энергии приходилось всего чуть более 0,16% общего энергопроизводства. Планируется, что к 2005 году доля этих источников энергии должна составить около 0,5% от общероссийского производства энергии, но эти планы вряд ли будут выполнены. С другой стороны, даже если эти цифры и будут достигнуты, то в относительных показателях это в 30 раз (а в абсолютных показателях более чем в 150 раз) меньше, чем в США. Если же проанализировать структуру производства альтернативой энергии, то картина станет еще более удручающей. Так на 2001 год в России действовали:

•        1 геотермальная станция мощностью 11 МВт;

•        1500 ветрогенераторов мощностью от 0,1КВт до 16 КВт;

•        50 микро и 300 малых гидростанций общей мощностью более 2 млрд КВт.ч;

•        1 приливная станция мощностью 400 КВт;

•        солнечные батареи общей мощностью около 100 КВт;

•        солнечных коллекторов около 100 000 кв.м.;

•        3000 тепловых насосов мощностью от 10 КВт до 8 МВт.

Заметим, что более половины указанных генерирующих мощностей были введены в строй еще в 70-80-е годы. Кроме того, обращает внимание мизерная доля солнечной энергии, полученной с помощью фотопреобразователей - всего 100 Квт (практически все эти мощности были введены в действие НПО "КВАНТ" в 70-е и 80-е годы). Ну и, наконец, в России полностью отсутствует правовая база для внедрения альтернативных источников энергии. Вместе с тем в последние годы Россия высказывает свое активное желание интегрироваться в мировое сообщество, в том числе и в мировую энергетическую систему. Следовательно, она будет просто вынуждена учитывать и следовать тенденциям развития последней. А как видно из вышесказанного одна из стратегических линий развития мировой энергетики - это явная ориентация на миниэнергетику и, в частности, на альтернативные источники энергии. Последние события с энергоснабжением отдельных регионов России, трудности и перебои с энергоснабжением даже в Москве и Московской области только подтверждают этот вывод.