Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пространственный анализ в возобновляемой энергетике 11
1.1. Возобновляемые источники энергии как объект картографирования 11
1.2. Информационное обеспечение картографирования характеристик ветровой и солнечной энергии
1.2.1. Многолетние метеорологические, аэрологические и актинометрические данные 14
1.2.2. Данные пространственного метеорологического моделирования 20
1.2.3. Данные краткосрочных измерений 30
1.2.4. Справочные региональные данные о ресурсах и потенциалах солнечной и ветровой энергии
1.3. Отечественный опыт геоинформационного картографирования ресурсов ветровой и солнечной энергии 35
1.4. Мировой опыт геоинформационного картографирования ресурсов возобновляемых источников энергии 44
Глава 2. Методика комплексного геоинформационного картографирования ресурсов возобновляемых источников энергии
2.1. Последовательность региональной оценки и картографирования ресурсов возобновляемых источников энергии 51
2.2. Карты ресурсов и потенциалов солнечной и ветровой энергии 57
2.2.1. Особенности интерполяции характеристик ветровой и солнечной энергии 62
2.3. Карты факторов, влияющих на размещение объектов солнечной и ветровой энергетики 66
2.3.1. Характеристика факторов, влияющих на размещение объектов солнечной и ветровой энергетики 70
Глава 3. Оценка и картографирование ресурсов ветровой и солнечной энергии для территории Юга России 79
3.1. Физико-географическая и социально-экономическая характеристика Юга России, предпосылки к развитию возобновляемой энергетики 79
3.2. Природные ресурсы, валовый и технический потенциалы солнечной и ветровой энергии Юга России 86
3.3. Анализ факторов, влияющих на размещение объектов солнечной и ветровой энергетики в Волгоградской области 109
3.3.1. Определение и ранжирование факторов 109
3.3.2. Районирование Волгоградской области по степени пригодности для размещения объектов солнечной и ветровой энергетики 113
Заключение 128
Литература
- Многолетние метеорологические, аэрологические и актинометрические данные
- Справочные региональные данные о ресурсах и потенциалах солнечной и ветровой энергии
- Особенности интерполяции характеристик ветровой и солнечной энергии
- Природные ресурсы, валовый и технический потенциалы солнечной и ветровой энергии Юга России
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие возобновляемой энергетики в России в настоящее время требует решения не только технологических задач, принятия законодательных актов, обеспечения государственной финансовой поддержки проектов, но и обоснования вопросов, связанных с анализом ресурсов различных видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на территории России.
К возобновляемым источникам энергии обычно относят источники: солнечного происхождения (энергия солнечной радиации, гидравлическая энергия рек, энергия ветра, энергия биомассы, энергия океана), несолнечного происхождения (геотермальная энергия, энергия приливов), различные отходы и источники низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами.
Поскольку перечень видов ВИЭ очень широк и неоднотипен в представленной работе выбраны для детального рассмотрения ресурсы солнечной и ветровой энергии.
В настоящее время накоплены обширные массивы данных, в той или иной степени обеспечивающие фактическую основу для исследований в области возобновляемой энергетики (ВЭ). При этом помимо проблемы верификации этих данных, анализа адекватности методов их получения, существуют сложности их визуального наглядного отображения в удобной для анализа форме. Важной задачей является их аккумулирование в виде баз данных, а также картографирование потенциала ВИЭ для различных регионов страны.
Помимо научного и методического значения, такие исследования имеют большую практическую востребованность, поскольку базы данных и ГИС должны стать важным инструментом анализа эффективности практического использования ВИЭ в различных регионах России и принятия обоснованных технических и управленческих решений.
Актуальность работы определяется необходимостью создания методик картографирования ресурсного потенциала ВИЭ, с учетом полного спектра предпосылок и ограничений развития ВЭ на региональном уровне. На этой основе возможно осуществлять районирование территорий с целью выбора наиболее перспективных площадок для развития возобновляемой энергетики.
Цель исследования - разработка методики картографического обеспечения комплексной оценки ресурсов возобновляемых источников энергии на региональном уровне.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих теоретических и практических вопросов:
Анализ и обобщение зарубежного и отечественного опыта
геоинформационного картографирования ресурсов возобновляемых источников
энергии, источников данных и существующих методик расчетов ресурсного потенциала.
Обоснование тематики карт для обеспечения оценки ресурсов ВИЭ.
Определение и обоснование критериев, влияющих на использование природных ресурсов ВИЭ, для выполнения районирования территории по степени пригодности для размещения объектов ВЭ.
Разработка структуры картографического обеспечения в виде серии карт для оценки ресурсного потенциала солнечной и ветровой энергии, определения территорий наиболее перспективных для размещения объектов на ВИЭ. Апробация разработанной методики на тестовом регионе.
Научная новизна работы. Впервые разработана комплексная методика картографирования ресурсов солнечной и ветровой энергии регионального уровня с учетом экологических и социально-экономических факторов, влияющих на размещение объектов ВИЭ. Методика обеспечивает обоснованный поиск и выделение территорий, наиболее перспективных для размещения ветровых и солнечных станций.
Основные защищаемые положения.
1. Доказано, что методика картографического обеспечения комплексной
региональной оценки ресурсов возобновляемых источников энергии,
разработанная на основе геоинформационного картографирования природного и
технического энергопотенциала, учитывающая факторы, ограничивающие и
влияющие на развитие возобновляемой энергетики в регионе, обеспечивает
выделение территорий, перспективных для размещения объектов возобновляемой
энергетики.
2. Предложено и обосновано тематическое содержание карт,
сопровождающих оценку ресурсов возобновляемых источников энергии на
региональном уровне. Серия карт делится на блоки: 1) карты природных ресурсов
ВИЭ; 2) карты валового и технического потенциала ВИЭ; 3) карты факторов,
влияющих на возможность использования энергопотенциала.
3. Для регионального уровня оценок и картографирования ресурсов
солнечной и ветровой энергии показана целесообразность комплексного
использования данных наземных метеостанций и результатов пространственного
метеорологического моделирования.
Методы исследования. Диссертационное исследование основано на
фундаментальных работах в области картографии и геоинформатики. Для
достижения поставленной цели использованы следующие методы:
картографический, геоинформационный, математико-картографического
моделирования, статистический.
Общегеографическое обоснование карт базируется на работах К.А. Салищева, А.М. Берлянта, И.П. Заруцкой, Т.В. Верещака, А.А.Медведева, Т.Г. Сватковой, В.И. Стурмана, С.В. Чистова, А.И. Прасоловой и других. Для оценок ресурсного потенциала территорий использованы картографический метод исследования, методы комплексного и атласного картографирования.
Геоинформационная составляющая опирается на разработки И.К. Лурье, В.С. Тикунова, Е.Г. Капралова, Б.А. Новаковского, А.В. Кошкарева. В работе применялись методы исследования по теории баз данных, автоматизированному картографированию с применением географических информационных систем.
В основе диссертации лежат авторские исследования в период с 2009 по 2015 гг., выполненные в рамках работ научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Использованные материалы (информационная база). В качестве исходных данных в работе были использованы:
-
данные многолетних наземных измерений на метеостанциях и актинометрических станциях Юга России;
-
результаты пространственного метеорологического моделирования базы данных NASA «Surface meteorology and Solar Energy»;
-
статистическая информация об электропотреблении населения, демографических характеристиках, предоставляемая федеральной службой государственной статистики РФ;
-
топографические карты различных масштабов;
-
разнообразные тематические карты масштаба 1:2 500 000;
-
данные об объектах возобновляемой энергетики на территории РФ, собираемые в рамках проекта создания ГИС «ВИЭ России».
Практическая значимость. Одним из ограничителей развития ВЭ в России и мире является недостаток методической базы, необходимой для максимально точного анализа и прогноза ресурсного потенциала территорий и выделения районов, обладающих наиболее благоприятными условиями для внедрения систем и установок на ВИЭ.
На этапе становления возобновляемой энергетики в стране применение
разработанной методики комплексного картографирования ресурсов ВИЭ
особенно важно. Ее внедрение может быть реализовано при составлении
информационной базы для долгосрочного планирования развития
энергетического сектора, при региональном планировании территорий органами государственного и местного управления, для создания нормативов по проведению проектировочных работ при размещении и строительстве объектов солнечной и ветровой энергетики на территории РФ.
При проектировании энергоустановок, работающих на ВИЭ, важным аспектом является расчет энергетического баланса разрабатываемой системы, прогноз эффективности с учетом климатических условий местности, учет факторов, влияющих на возможность размещения энергоустановки, - вс это реализовано в работе. Также важным является то, что использование методики не ограничивается регионом исследования.
Внедрение. Отдельные результаты исследования реализованы в рамках
государственного контракта НОЦ № 14.740.11.0096 («Поисковые исследования
эффективных технологий использования ВИЭ и разработка геоинформационной
системы Возобновляемые источники энергии России», 2009-2013 гг.) и гранта
РФФИ 13-08-01186 («Разработка научных основ проектирования систем
автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии с учетом климатических условий регионов России с использованием баз данных геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии России»», 2013-2015 гг.).
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования
докладывались:
- на международных научных конференциях: Межд. научно-практ.
конференция «Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состояние,
проблемы и пути решения» (Санкт-Петербург, 2010), Международная
междисциплинарная конференция Европейского научного фонда «Глобальное
изменение климата II: экологический кризис, вопросы энергетики и глобального
управления» (Франция, 2010), II Межд. конференция «Возобновляемая
энергетика: проблемы и перспективы» (Махачкала, 2010), 2-ая and 3-я Европейская
энергетическая конференция (Нидерланды, 2012; Венгрия, 2013), Х Межд.
Ежегодная конференция «Возобновляемая и малая энергетика-2013» (Москва,
2013), I Международный форум «Возобновляемая энергетика: пути повышения
энергетической и экономической эффективности» (REENFOR-2013) (Москва,
2013), 3-я Международная конференция «ГИС и дистанционное зондирование»
(Армения, 2014), Межд. конгресс IGU-2015 (Москва, 2015).
- на российских научных конференциях: Всерос. научно-практ. конференция
«Перспективы развития децентрализованной энергетики в ЮФО» (Ростов-на-
Дону, 2010), Всерос. молодежная школа «Современные проблемы географии и
гидрологии суши» (Красновидово, 2010), VII, VIII и IX научн. молод. школа с
межд. участием «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2010, 2012,
2014), IV Школа молодых ученых «Актуальные проблемы освоения
возобновляемых энергоресурсов» (Махачкала, 2011), Конф. с межд. уч.
«Ресурсоэнергосбережение в строительстве и системах жизнеобеспечения
урбанизированных и малонаселенных территорий» (Иркутск, 2012), Межд.
научно-практ. конф. «Рациональное природопользование: традиции и инновации»
(Москва, 2012), ИнтерКарто-ИнтерГИС – 17 и 18: Устойчивое развитие
территорий: теория ГИС и практический опыт (2011 и 2012), Практическая
конференция с межд. участием сообщества природоохранных ГИС
"Использование ГИС и данных дистанционного зондирования Земли для охраны природы" (Москва, 2013).
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 6 – в журналах, рекомендованных ВАК, 2 – в зарубежных рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (116 наименований) и приложений. Материал работы изложен на 177 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 34 карты, кроме того 14 иллюстраций и 6 приложений.
Многолетние метеорологические, аэрологические и актинометрические данные
Для систематизации характеристик ветровой обстановки в конкретном регионе с целью ее эффективного энергетического использования, как правило, разрабатывается ветроэнергетический кадастр, представляющий собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих определить его энергетическую ценность. Начиная с 50-х годов XX века, в СССР были развернуты широкие работы по созданию ветроэнергетических кадастров, хотя при этом северные и восточные районы страны практически не рассматривались. Основным источником исходных данных для разработки ветроэнергетического кадастра являлись наблюдения ветровых характеристик на опорной сети метеорологических станций. Эти наблюдения выполняются несколько раз в сутки по единой методике с фиксированной классификацией мест наблюдения по степени их открытости и охватывают периоды в десятки лет.
Начиная с 1970-х годов, проводились измерения ветровых характеристик на высотных метеорологических и телевизионных мачтах, в результате чего были получены точечные данные о вертикальном профиле ветра в приземном слое высотой до 500 м [12]. К настоящему времени увеличилась частота измерений скорости и направлении ветра на опорной сети метеорологических станций РФ (до 8 раз в сутки), а некоторыми станциями ведутся непрерывные наблюдения в автоматическом режиме, что позволяет зафиксировать быстропеременные процессы, включая порывы ветра и его максимальные пульсации, периоды затишья и малых ветров и т.д.
В то же время проблема оценки ветровых энергетических ресурсов настолько сложна в силу значительной временной и пространственной неоднородности ветра, что во многих случаях сеть метеостанций позволяет провести лишь интегральные оценки. Для более подробного рассмотрения потенциала территории или проведение прогнозных оценок при осуществлении проектов строительства ВЭС требуется проведение статистических оценок, математического моделирования или подробного ветромониторинга на местности (в течение 1 – 2 лет).
Рассмотрим, какие исходные характеристики скорости ветра необходимы для исчерпывающей оценки и картографирования ветропотенциала и проектирования ветростанций [36]. 1. Климатические характеристики, позволяющие оценить ветроэнергетический потенциал региона: средние годовые, месячные, среднесрочные скорости и направления ветра, вертикальные профили средних скоростей ветра в приземном слое атмосферы (до 100-200 м). 2. Параметры, определяющие рабочие характеристики ветроэнергетических установок (ВЭУ), выбор оптимальных режимов их работы и позволяющие сделать прогноз производительности ВЭУ: повторяемость скоростей и направлений ветра по градациям; данные о непрерывной продолжительности энергетических штилей и скоростей ветра выше заданного значения (во всем диапазоне рабочих высот современных ВЭУ до 200 м). 3. Характеристики ветра, используемые при проектировании и расчетах прочности конструкций и устойчивости работы ВЭУ: интенсивность атмосферной турбулентности; максимальные скорости и порывы ветра; оценка их продолжительности и повторяемости для всего диапазона рабочих высот ВЭУ. Методы определения наиболее важных из указанных выше величин и некоторые аспекты, которые следует учитывать при их определении, подробно рассмотрены в Приложении 1.
С точки зрения ветроэнергетики метеорологические измерения как источник данных обладают рядом несомненных достоинств: - длительность рядов наблюдений; - значительное количество метеостанций на территории России2. Однако оценивать энергетические характеристики ветра по этим данным с необходимой для настоящего времени достоверностью в большинстве случаев сложно, поскольку: высота флюгера метеостанций непостоянна (для различных метеостанций она изменяется от 5 до 40 метров) и мала по сравнению с высотой расположения турбин современных ветроэнергетических установок (ВЭУ); затеннность флюгера деревьями, домами, возвышенностями и т.п. не обеспечивает зачастую ветровые характеристики, свойственные местности; измерения на метеостанциях проводятся дискретно в единые синхронные сроки, что с учетом высокой частоты колебаний ветровых характеристик может привести к существенным погрешностям в определении средних значений и диапазонов изменения скорости ветра (особенно для непредставительных данных).
Кроме метеостанций Государственной гидрометеорологической службы для расчета ветроэнергетических характеристик могут быть использованы данные ведомственных станций, из которых наиболее широкая сеть – метеостанции аэропортов. Они практически не прерывали деятельность в 1990-е годы, но в некоторые периоды качество их данных, предназначенных для узкоспециальных целей обеспечения полетов, снижалось. Относительно доступности данных измерений метеорологических станций и результатов их обработки, следует отметить, что до 1991 г. все данные станций СССР собирались региональными центрами и были общедоступны на бумажных носителях. В России сохранилась практика выпуска учреждениями Росгидромета бюллетеней, отражающих изменение климата за определенный период, которые можно рассматривать в качестве источников данных. Однако с 1991 г. в течение длительного времени метеоданные предоставлялись почти исключительно на коммерческой основе. C 2006 г. в сети Интернет стали доступны как архивные метеоданные, так и текущие данные по срокам наблюдений. Первым ресурсом в России, обеспечившим свободное предоставление ряда архивных метеоданных, стал сайт Всероссийского научно исследовательского института гидрометеорологической информации (ВНИГМИ) [103]. К настоящему времени количество интернет-ресурсов, свободно предоставляющих архивные показатели, существенно. Некоторые характеристики перечисленных источников данных, потенциально полезных для ветроэнергетических расчетов, представлены в приложении 2. Частота сети метеорологических станций, несмотря на ее гораздо большую величину по сравнению с актинометрической сетью, также ставит задачу интерполяции данных. Это задача является очень важной в связи с существенной пространственной неоднородностью ветровых характеристик и необходимостью оценок ветроэнергетического потенциала на территориях, находящихся на значительных расстояниях от мест постоянных метеонаблюдений.
Таким образом, данные метеорологических станций, которые длительное время использовались как практически единственная информационная основа для ветроэнергетических расчетов, имеет целый ряд ограничений, которые следует учитывать. С одной стороны, длительность наблюдений позволяет рассматривать метеорологические ряды данных как генеральную совокупность, на которой выполняется свойство стабилизации частоты; следовательно, методы математической статистики позволяют давать на основе этих данных достоверные оценки. С другой стороны, для ветроэнергетических оценок проблемой остается малая высота проведения измерений ветровых характеристик. Для преодоления последней из названных проблем, используются некоторые предположения относительно изменения скорости ветра с высотой. Следует отметить также, что если для скорости ветра интернет-источники расширяют информационную базу (за счет архивных срочных данных метеостанций за длительные периоды времени), то актинометрические данные необходимой номенклатуры в силу своей специфичности практически не отражены в доступных ресурсах сети.
Справочные региональные данные о ресурсах и потенциалах солнечной и ветровой энергии
Как правило, каждая отдельная карта отражает только один из рассматриваемых возобновляемых источников энергии. На картах природного ресурса ветровой энергии должны быть представлены: средние скорости ветра на различных высотах, соответствующих высотам современных ветроустановок (например: 10, 50, 100, 150 м); повторяемость скоростей ветра на различных высотах; максимальная скорость ветра. Карты природного ресурса солнечной энергии должны отражать значения суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность.
Целесообразно составление карт не только многолетних среднегодовых, но и средних сезонных значений. Также - для анализа возможности и результативности использования гибридных установок на ВИЭ - важным является составление карт корреляции среднемесячных значений солнечной радиации и скоростей ветра.
Кроме того на картах должны быть максимально полно отражены все доступные источники данных о характеристиках ВИЭ, а именно: данные метеорологических и актинометрических станций; результаты моделирования характеристик ветровой и солнечной энергии с использованием данных дистанционного зондирования Земли; данные локального ветромониторинга (при наличии таковых). Вторая группа - карты валового и технического потенциала ВИЭ, отражающие расчетные характеристики мощности воздушной струи, производительности ветроустановок (для ветрового энергопотенциала), производительности солнечных установок (для солнечного энергопотенциала). При этом целесообразно использовать следующие определения потенциала возобновляемых источников энергии [65]: Валовый потенциал ВИЭ – это рассчитанный объем энергии рассматриваемого вида ВИЭ (за год), который теоретически может быть превращен в электрическую или тепловую энергию. Технический потенциал ВИЭ – часть валового потенциала, которая остается после учета технических характеристик используемого оборудования и при соблюдении экологических нормативов. В данной работе предлагается считать характеристиками валового потенциала и использовать для картографирования: для солнца – значения прямой солнечной радиации на нормальную к лучу поверхность, суммарной солнечной радиации на различно ориентированные поверхности (среднегодовые и средние по сезонам значения), для ветра - энергию воздушной струи единичной площади сечения на разных высотах, соответствующих характерным размерам современных ветроустановок.
Карты технического потенциала должны отражать производные (расчетные) величины: производительность типичных ветроустановок на принятых в настоящее время в ветровой энергетике высотах установки турбины; производительность типичных солнечных фотоэлектрических установок, эффективность работы солнечных водонагревательных установок (все величины должны представлять собой среднее значение за определенный период). Максимальные значения величин на картах целесообразно отражать яркими цветами для удобства определения пользователем территорий с оптимальными для использования значениями технического потенциала. Так для солнечных коллекторов при выражении технического потенциала в виде доли покрытия горячего водоснабжения (в процентах) значения менее 50% говорят о низком потенциале (то есть невозможности обеспечить нагрев воды до контрольного значения без использования резервного водонагревателя) [48]. Значения от 50 до 80% говорят о среднем потенциале территории, а выше 80% - о высоком потенциале использования водонагревательных установок на солнечной энергии.
Выделить пороговые значения при отображении на картах технического потенциала фотоэлектрических панелей сложнее. Опыт успешного использования таких установок в странах Европы со среднегодовым дневным поступлением солнечной радиации 4,7 кВтч/м2день (в Испании) и 3,3 кВтч/м2день (на юге Германии), может говорить о достаточно высоком потенциале солнечной энергии и в России. Возможные ограничения могут накладывать климатические особенности регионов с холодными зимами. Однако такие регионы часто характеризуются высоким коэффициентом прозрачности атмосферы, что повышает эффективность фотоэлектрических установок.
В качестве характеристики, позволяющей определить предельные (минимальные) значения технического потенциала ветровой энергии, в работе был выбран коэффициент использования установленной мощности (Киум). Эта характеристика определяет, какую долю энергии от максимально возможной может выработать ВЭУ данного типа в данной местности, и выражается как отношение фактической выработки ветроагрегатом к максимально возможной (при работе ветроагрегата со 100% мощностью) за некий период времени.
Особенности интерполяции характеристик ветровой и солнечной энергии
Краснодарский край уже является энергодефицитным регионом (потребляется в год 18333,7млн. кВтч электроэнергии, вырабатывается только 7078,7 млн. кВтч), и покрывается за счет Ростовской и Ставропольской энергосистем. Но такая ситуация в дальнейшем не будет возможна в связи с аналогичным ростом энергопотребления в вышеобозначенных регионах (потребление электроэнергии в Ставропольском крае в настоящее время – 10244,7 млн. кВтч). Последние годы характеризуются в Краснодарском крае постоянным ростом энергопотребления. Анализ поступающих заявок на технологическое присоединение к электрическим сетям показывает, что спрос на присоединяемую мощность на территории Краснодарского края растет с большим превышением среднероссийского показателя. Наибольший рост энергопотребления наблюдается в Юго-Западном, Центральном и Сочинском энергорайонах. Значительное увеличение энергопотребление вызвала также подготовка и проведение олимпиады 2014 года в Сочи. Поэтому экономические потребности также определяют необходимость развитие энергетики на возобновляемых источниках как часть решения проблем энергодефицитности региона.
Еще одним аспектом развития возобновляемой энергетики в регионах является необходимость снижения выбросов от стационарных источников путем развития экологически чистых технологий производства энергии (объем выбросов от стационарных источников в атмосферный воздух в 2005 г., в целом по Краснодарскому краю составил 115,650 тыс. т вредных примесей). Это является важным условием развития исследуемой территории, которая характеризуется значительным туристско-рекреационным потенциалом и уже сейчас является основным центром курортно-санаторного лечения Российской Федерации.
Кроме того, началось движение в сфере государственного и, в частности, юридического оформления отношения к развитию ВИЭ в России. Так, в ноябре 2007г. были приняты поправки к федеральному закону № 35-ФЗ «Об электроэнергетике» [74], впервые зафиксировавшие основные положения основы законодательной поддержки развития ВИЭ в России: стимулирование только по объму произведнной энергии; фиксированные тарифы (Feed In Tariff (FIT)); фиксированная надбавка к рыночной цене; разработка нового правительственного постановления о числовых значениях надбавок.
На сегодняшний день уже принято Распоряжение Правительства РФ от 8 января 2009 г. № 1-р «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года» [54].
Анализ функционирования ОЭС Юга выявил следующие проблемы: 1. Происходит старение оборудования электростанций и электросетевых объектов. В настоящее время парковый ресурс выработали более 6000 МВт турбинного оборудования ТЭС. На гидроэлектростанциях, построенных сорок и более лет назад, требуется замена гидротурбин и другого оборудования. 2. В ОЭС Юга даже после ввода блока № 1 Волгодонской АЭС сохраняется дефицит мощности 750-1200 МВт. 3. Интенсивный рост электропотребления в последние годы в ряде энергорайонов Краснодарской и Ростовской энергосистем обострил проблемы в электроснабжении потребителей этих районов. 4. Проблемы исчерпания легкодоступных запасов органического топлива и обостряющиеся экологические проблемы в энергетике региона могут быть решены на основе новых технологий – с использованием возобновляемых источников энергии. Таким образом, важным представляется детальный анализ ресурсов возобновляемых источников энергии, анализ методики оценки ресурсов и ее уточнение, поскольку в основном (по крайней мере, в условиях России) выработка энергии на ВИЭ является пока более дорогостоящей, чем в системах традиционной энергетики. Результаты оценок ресурсов с уточнением их при осуществлении предпроектных изысканий позволяют давать более точные прогнозы по выработке энергии, а значит, достоверно обосновывать инвестиции и переходить к разработке рабочего проекта станций на ВИЭ.
Юг России в последние годы является наиболее успешно развивающейся территорией для реализации проектов в области ветровой и солнечной энергетики. В ходе проведенной работы была собрана информация по существующим и проектируемым объектам на ВИЭ в регионе (Рис. 15).
Полный перечень проектов на ВИЭ, их технические характеристики и стадия реализации представлены в таблице (см. Приложение 6). Для обеспечения оценки природных ресурсов ветровой и солнечной энергии исследуемой территории в картографическом виде были представлены следующие данные: дневные суммы суммарной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность (в кВтч/м2) (рис. 16); Средние скорости ветра по данным наземных наблюдений на метеостанциях и данным NASA SSE на высоте 10 и 50 м (в м/с) (рис. 17, 18, 19); Повторяемости средних скоростей ветра (в процентах) (рис. 20). Все карты характеристик солнечной энергии построены для различных периодов года: год в целом, теплые полгода (апрель-сентябрь), лето (июнь-август). При этом выполнена их компоновка на лист по 3 для возможности сравнения и выбора оптимального периода для использования солнечной энергии.
Природные ресурсы, валовый и технический потенциалы солнечной и ветровой энергии Юга России
Согласно перечню отобранных критериев была создана база пространственных данных и произведена ее визуализация в виде следующих карт. Карта «Земельные ресурсы» (критерии №№ 11,12) (рис. 32) Структура использования земель, отраженная на этой карте, позволяет выделить сельскохозяйственные земли с более строгими ограничениями по их использованию (такие как сады, леса) и те, на которых возможно сооружение объектов солнечной и ветровой Карта земельных ресурсов Волгоградской области энергетики при полном учете воздействия их на окружающую среду (сенокосы, пашни, пастбища).
Пашня занимает более половины территории Волгоградской области. Вторую по величине часть занимают сенокосы, пастбища, выгоны. Согласно исследованиям по воздействию объектов солнечной и ветровой энергетики на окружающую среду и мировому опыту, сооружения этого типа не только не оказывают негативного воздействия на домашних животных и растений, но в некоторых случаях и наблюдается взаимовыгодный симбиоз.
Леса, распространенные по долинам рек, и сады, расположенные вблизи крупных городов, можно выделить как менее благоприятные для объектов ВЭ территории, т.к. строительство на них сопряжено с вырубкой деревьев, а следовательно, с существенным воздействием на окружающую среду и возможными экономическими потерями.
Карта «Дорожно-транспортная сеть» (критерии №№ 14,15) (рис. 33) Существенной причиной для представления дорожно-транспортной сети в виде отдельной карты является их двойственность с точки зрения учета факторов, влияющих на размещение объектов ВЭ. Дороги с одной стороны являются территорией с буферной зоной, где сооружение крупномасштабных энергообъектов не возможно. С другой стороны наличие транспортной сети вблизи проектируемого объекта на ВИЭ является одним из основных факторов целесообразности реализации проекта, т.к. сильно снижает объм инвестиций.
На карте отображены железные дороги, федеральная трасса Москва-Дон и автомобильные дороги местного назначения. Помимо этого показаны пунсонами административные муниципальные центры и некоторые другие города для ориентации по листу карты.
Можно отметить, что Волгоградская область достаточно плотно покрыта дорожной сетью, что благоприятно для поиска площадок и реализации проектов ВЭ.
Карта особо охраняемых территорий (критерии №№ 1,2,3,4,5,9) (рис.34) При составлении учтены особо охраняемые природные территории федерального и местного значения: природные парки и заказники, территории лесного фонда. На территории Волгоградской области расположены:
Особое внимание обратим на ключевые орнитологические территории, которые включены в рассмотрение в связи с необходимостью учета гибели птиц при проектировании ветропарков. Ключевые орнитологические территории выделяются на основании специальных критериев, разработанных координационным центром программы КОТР в соответствии с требованиями. В общей сложности на территории Волгоградской области выделено 25 ключевых орнитологических территорий. Многие из них находятся на охраняемых природных территориях [14].
Карта населения Волгоградской области представлена на рисунке 35 и отражает показатели численности населенных пунктов и плотности населения по муниципальным районам. Населенные пункты разделены на крупнейшие города (Волгоград, Волжский, Камышин), города с населением от 30 до 60 тысяч человек (Урюпинск, Михайловка, Фролово), населенные пункты от 3 до 30 тысяч, от 1 до 3 тысяч и менее 1 тысячи. Использована относительная шкала условных знаков. Шрифтом выделены города, поселки, поселки городского типа и сельские населенные пункты.
По плотности населения выделено 4 типа территорий: высокая плотность населения (более 100 человек на километр квадратный) – городская территория Волгограда, территории с плотностью населения от 20 до 100 и от 10 до 20 человек на км квадратный, территории с низкой плотностью населения – менее 10 человек на кв.км).
Источником для составления карты послужили данные о Всероссийской переписи населения 2010 года [45].
В качестве врезки на карте представлены графики динамики энергопотребления на душу населения в бытовом секторе и в целом, а также электровооруженности труда, по которым можно сделать вывод о росте энергопотребления населения в последние годы (начиная с 2011 г., что связано с экономической стабилизацией в регионе). Таким образом, карта позволяет сделать вывод, что при общей динамике роста энергопотребления наиболее перспективными для сооружения новых энергетических объектов могут стать районы с более высокой плотностью населения.
Карта составлена по данным Программы развития электроэнергетики Волгоградской области до 2020 года [23]. На карте отражена динамика электропотребления по 4 энергорайонам: Левобережный, Волгоградский, Северный и Южный. Отмечен рост энергопотребления в в Волгоградском и Левобережном районах. В качестве врезки на кате представлена общая структура электропотребления региона, где основную долю представляет промышленность (59%), при этом население потребляет 10% всей вырабатываемой в регионе электроэнергии. Сравнение этой карты с картой населения может быть основой для выделения перспективного в плане внедрения новых мощностей района Волгоградской области – Левобережного района – характеризующегося более высокими темпами роста по нескольким социально-экономическим показателям.
Общие карты перспективности территории для размещения объектов солнечной и ветровой энергетики
Результатом проведенного исследования стали комплексные карты (рис. 37, 38), где были просуммированы все критерии, ограничивающие размещение объектов ВЭ и учтены предпосылки к развитию ВЭ в регионе. На картахз видно, что на большей части Волгоградской области проекты солнечной и ветровой энергетики могут быть реализованы при рассмотрении оценки их воздействия на окружающую среду. Достаточно четко на картах выделяется Левобережный район, характеризующийся, кроме прочего, ростом плотности населения и ростом энергопотребления, что влечет за собой необходимость в сооружении новых энергообъектов.
Суммирование критериев проводилось согласно присвоенным в ходе ранжирования баллам с привлечением экспертных оценок. На данном этапе развития ВЭ в России представляется сложным полностью автоматизировать этот процесс, т.к. при рассмотрении каждого конкретного региона страны необходимо индивидуально оценивать наличие и значимость критериев на исследуемой территории. Тем не менее, методика, изложенная в главе 2, включает в себя достаточно широкий перечень типов факторов, и универсальна для применения при любом количестве факторов и их весовой оценке.
Совместный анализ карт технического потенциала и карт перспективности территории для размещения энергообъектов различной мощности показал, что единичные установки горячего водоснабжения и фотоэлектропреобразователи могут применяться и будут эффективны на большей части Волгоградской области. Для размещения крупных ВЭС и СЭС наиболее перспективным является Левобережный район Волгоградской области, в той его части, где отсутствуют строгие ограничения. Следует отметить, что результаты анализа неплохо коррелируют с уже существующими в Волгоградской области объектами солнечной и ветровой энергетики. Это дополнительно свидетельствует о состоятельности разработанной методики.