Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА1- Литературный Обзор .11
1.1. Развитие мирового рынка электроэнергии и перспективы использования возобновляемых источников энергии 11
1.2. Современное состояние и перспективы солнечной энергетики в мире и на Африканском континенте . 15
1.3. Солнечная энергетика .18
1.3.1 Потенциал солнечной энергии .18
1.3.2 Фотоэлектрические преобразователи энергии. 19
1.4. Методы и системы накопления электрической энергии 22
1.4.1. Общие положение и классификация систем хранения энергии 22
1.4.2.Аккумуляторные батареи. 26
1.4.3 Проточные редокс батареи 31
1.4.4. Электрохимические суперконденсаторы 33
1.4.5. Водородное аккумулирование энергии. 34
1.4.5.1.Основные положения 34
1.4.5.2.Электролизеры. Общие сведения и основные типы 36
1.4.5.3.Системы хранения водорода 40 1. 4.6. Механические методы аккумулирования энергии 43
1.4.6.1. Гидроаккумулирование 43
1.4.6.2. Cжатый воздух 44
1.4.6.3. Маховики 44
1.4.7. Хранение энергии в магнитном поле. Сверхпроводящие магнитные накопители энергии .45
1.5. Энергоустановки для автономного энергоснабжения 46
1.5.1. Основные типы электростанций для автономного энергоснабжения 46
1.5.2. Энергоустановки и электростанции на органическом топливе 48
1.5.3. Энергоустановки на топливных элементах 52
1.6. Обобщение результатов и Выводы 61
ГЛАВА2 . Расчет и сравнение традиционных и альтернативных схем автономного энергоснабжения типового потребителя для различных районов африки 63
2.1. Постановка задачи .63
2.2. Географическое расположение потребителя. Климатические, экономические и социальные условия для использования ВИЭ. 67
2.2.1. Алжир 67
2.2.2. Кот -д'Ивуар .72
2.2.3. Южно-Африканская Республика 77
2.3. Обобщение данных 82
2.4. Характеристика потребителя .88
2.5. Схемы энергоснабжения 89
2.6. Оборудование энергетического комплекса 90
2.7. Методика расчета .91
2.8. Результаты и анализ 96
Выводы по Главе 2 104 104
ГЛАВА 3. Разработка программы для расчета схем автономного энергоснабжения потребителя на основе солнечной электростанции и водородного аккумулирования энергии 106
3.1. Введение и постановка задачи 106
3.2. Разработка алгоритма и программы SEH для расчета параметров устройств для энергоснабжения автономного потребителя на основе солнечной электростанции и водородного аккумулирования энергии .108
3.3. Результаты вычислений с помощью программы SEH 120
3.4.Примеры вычислений с помощью программы SEH 123
Выводы по Главе 3 129
ГЛАВА 4. Технико-экономический расчет и обоснование эффективной схемы автономного энергоснабжения потребителя в кот-д’ивуар 130
4.1. Постановка задачи и выбор потребителя 130
4.2. Выбор схемыэнергоснабжения и оборудования .132
4.3 Результаты технико-экономического расчета 139
Выводы по Главе 4 147
Заключение по диссертации 149
Cписок использованных сокращений .151
Список литературы
- Современное состояние и перспективы солнечной энергетики в мире и на Африканском континенте
- Южно-Африканская Республика
- Результаты вычислений с помощью программы SEH
- Выбор схемыэнергоснабжения и оборудования
Введение к работе
Актуальность работы
В соответствии с прогнозом Международного энергетического агентства (МЭА) к 2030 г. на возобновляемые источники энергии будет приходиться 29% производства электроэнергии и 7% производства моторного топлива.
Африканский континент имеет колоссальные ресурсы солнечной энергии и очевидно, что развитие экономик Африканских стран должно быть связано с использованием солнечной энергии (СЭ).Несмотря на относительную дороговизну фотоэлектрических преобразователей, солнечная энергетика развивается сегодня самыми высокими темпами по сравнению с другими ВИЭ (50-60% в год). Все ведущие страны Африки имеют программы продвижения ВИЭ. Например, в планах решениях министерства энергетики Кот-д’Ивуара намечено довести долю ВИЭ до 5 % к 2015 году, до 15 % к 2020 году и до 20 % к 2030 году.
Гарантированное автономное энергоснабжение потребителей малой и средней мощности может быть организовано за счет использования солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС). Однако при разработке схем энергоснабжения на основе СФЭС необходимо учитывать сезонную и суточную неравномерность по приходу солнечной энергии для различных регионов Африканского континента, а также необходимость использования накопителей энергии и источников тока для покрытия дефицита электроэнергии в темное время суток. Наиболее удобными являются электрохимические накопители - аккумуляторные батареи (АБ), водородные накопители с использованием электрохимических преобразователей - топливных элементов (ТЭ) и электролизных установок (ЭУ).
В работе проведено исследование и расчет схем энергоснабжения автономных потребителей на основе СФЭС для 3 характерных географических точек Африки (на юге, экваторе и севере континента) с использованием электрохимических накопителей. На основе разработанных алгоритмов и программ выполнены расчеты и показаны варианты наиболее энергоэффективных и экономичных схем энергоснабжения, даны рекомендации по их реализации и оснащению оборудованием типовых потребителей. Проведено технико-экономическое сравнение различных схем энергоснабжения по критерию приведенной стоимости вырабатываемой электроэнергии.
Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью энергообеспечения потребителей, в том числе живущих в удалённых районах, с использованием системам автономного энергоснабжения на базе СФЭC и электрохимических накопителей энергии.
Цель диссертационной работы заключается в повышении энергетической эффективности использования солнечной энергии в схемах энергоснабжения автономных потребителей, находящихся в различных точках Африканского континента.
Основные задачи исследований:
Для достижения поставленной цели в работе представлены, сформулированы и решены следующие задачи:
1. Анализ и выбор информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов для характерных регионов на юге, экваторе и севере Африканского континента;
2. Сравнительный расчет традиционных и альтернативных схем автономного энергоснабжения автономного потребителя с преобладанием нагрузки вне светового дняна основе СФЭС мощностью 4 МВт для трех характерных географических точек Африки.Выработка рекомендаций по реализации схем в различных районах Африки.
3. Разработка алгоритма и программы для расчета параметров устройств схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии.Использование данной программы для расчета параметров данной схемы энергоснабжения типового потребителя (коттеджа), находящегося в 3-х характерных географических точках Африканского континента.
4. Расчет приведенной стоимости генерируемой электрической энергии(LevelizedCostofEnergy) и обоснование эффективности традиционных и альтернативных схем автономного энергоснабжения типового потребителяс преобладанием нагрузки внутри светового дня (школа), находящегося вблизи экватора (в Кот-д’Ивуаре).
5. Обоснование схем автономного энергоснабжения потребителей с различным графиком нагрузки и уровнем потребляемой мощности применительно к географическим и экономическим условиям республики Кот-д’Ивуара.
Научная новизна:
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Исследовано влияние географического фактора на выбор схемы энергоснабжения типового потребителя с преобладанием нагрузки вне светового дняи показано, что накопление избытка энергии в аккумуляторных батареях целесообразно для такого потребителя, расположенного вблизи экватора (экономия более 20%), а для регионов Северной и Южной Африки более предпочтительной является схема водородного аккумулирования энергии.
-
Учет в расчетах эффективности схем энергоснабжения зависимости к.п.д. энергоустановки (топливного элемента, АБ, дизель-генератора) от нагрузки показывает, что эффективность схем с использованием электрохимических преобразователей возрастает на 30-40 % по сравнению со схемами на основе дизель-генератора.
-
Разработаны алгоритм и программадля расчета параметров устройств схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии, учитывающие отбор водорода на получение тепловой энергии (газовая плита, каталитический обогреватель), а также зависимость к.п.д. энергоустановки от текущей нагрузки.
4. С использованием методики расчета приведенной стоимости энергии, LCOE (англ. - LevelizedCostofEnergy) на период 20 лет найдены оптимальные глубины разряда аккумуляторных батарей в схемах автономного энергоснабжения на основе СФЭУ, позволяющие минимизировать на аккумуляторные батареи.
Достоверность и обоснованность результатов.
Приведенные в диссертационной работе данные и выводы базируются на использовании современных методов и программ численных исследований, а также на соответствии полученных результатов расчетов результатам, опубликованных другими авторами.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования специалистами разработанных схем энергоснабжения, также оценок и рекомендаций при реализации проектов энергоснабжения на основе использования СФЭС. Разработаны методики и программное обеспечение, позволяющие определять параметры схем и оборудования дляавтономного энергоснабжения потребителя на базе СФЭС применительно к потребителям, находящимся в Кот-д’Ивуаре и других регионах Африки.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования влияния географического фактора на выбор схемы энергоснабжения с использованием СФЭС и электрохимических преобразователей для потребителей, расположенных на севере, экваторе и юге Африканского континента.
2. Необходимость учета в расчетах схем автономного энергоснабжения зависимости к.п.д. энергоустановки (топливного элемента, АБ, дизель-генератора) от нагрузки, которая позволяет повысить достоверность расчетов и показывает более высокую эффективность схем с использованием электрохимических преобразователей по сравнению со схемами на основе дизель-генератора.
3. Разработанные алгоритмы и программы для расчета параметров устройств схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии, учитывающие отбор водорода на покрытие тепловой нагрузки потребителя (газовая плита, каталитический обогреватель), а также зависимость к.п.д. энергоустановки от текущей электрической нагрузки.
5.Расчет приведенной стоимости электроэнергии для 4-х схем энергоснабжения на срок их эксплуатации 20 лет для типовой школы в Кот-д’Ивуаре.
6. Результаты расчета оптимальной глубины разряда аккумуляторных батарей с схемах автономного энергоснабжения на основе СФЭС по критерию минимальной приведенной стоимости энергии за 20 лет эксплуатации.
7. Обоснование перспективности схемы энергоснабжения на основе использования СФЭС и водородного накопления энергии, которая для потребителейс преобладанием нагрузки внутри светового дняуже в ближайшее время будет экономически конкурентоспособна с традиционными схемами автономного энергоснабжения на основе использования дизель-генератора и АБ.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на I и I Международных Симпозиумах по Водородной энергетике (2007, 2009, Москва); 5–й и 7–й международных школах молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика», НИУ МЭИ, (2010, 2012 гг.), конференции молодых ученых МГУ «Возобновляемые источники энергии» 2012 г., Первом международном форуме «Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности» (REENFOR-2013), РАН, Москва 22-23 октября 2013 г
Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 7 публикациях, две из которых опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 165 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 30 таблиц. Список литературы включает 153 наименования.
Современное состояние и перспективы солнечной энергетики в мире и на Африканском континенте
Сегодня развитие мировой цивилизации сопровождается значительным увеличением энергопотребления, причем лидерами роста становятся развивающиеся страны. Достаточно сказать, что если в 2000 г. энергопотребление Китая составляло лишь половину от энергопотребления США, то в 2009 году [1]Китай уже опередил США по данному показателю. Увеличение численности населения Земли, развитие промышленности и рост уровня жизни населения сопровождается существенным ростом энергопотребления. С каждым годом генерирующие электроэнергию предприятия требуют для себя все больше углеводородного топлива, запасы которого с каждым десяти летием истощаются, а добыча его требует затрат все большей энергии и материальных затрат. Активно потребляемые природные запасы углеводородов, еще недавно казавшиеся неиссякаемыми, становятся труднодоступными. Главное, что возобновить их уже не представляется возможным, как и невозможно представить химическую промышленность будущего без углеводородного сырья.
Сегодняосновная часть мирового энергобаланса покрывается традиционными ископаемыми органическими топливами – 78% (уголь, газ, нефть) и ядерной энергетикой около 3%.Вклад всех видов ВИЭ в мировое производство электроэнергии составляет около 22%, из них на гидроэнергетику приходится около 17%, а на другие ВИЭ несколько больше 5% [2]. Проведенные оценки запасов углеводородного сырья показали, что период обеспеченности мировой экономики по нефти на начало 2012 г. составляет 54 года, по природному газу - 64 года, по углю 112 лет [3].А ведь проблемы энергоснабжения населения Земли совсем не решены. Сегодня еще 20% населения Земли (1,4 млрд человек) вообщене имеют доступа к электроэнергии, а 40% традиционно используют биомассу для приготовления пищи [1]. По оценке МВФ ежегодный рост мирового энергопотребления составляет около 2,5%. Учитывая такие темпы энергопотребления можно предположить, что в ближайшие десятилетия углеводородное сырье уже не в состоянии обеспечить основные потребности мировой экономики в электроэнергии.
Великий русский химик Д.И. Менделеев более ста лет назад предостерегал: «Топить нефтью – это все равно, что топить ассигнациями». Углеводородное сырье необходимо оставить химической промышленности для производства синтетических материалов и конструкций.
Каким образом ликвидировать дефицит в генерации электроэнергии, какие энергетические технологии развивать? Сегодня в мире выработаны основные направления развития энергетики. В первую очередь, это более существенное, чем сегодня, использование ресурсов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) солнца, ветра, воды и биоресурсов [4-6].
В соответствии с прогнозом Международного энергетического агентства (МЭА) к 2030 г. на возобновляемые источники энергии будет приходиться 29% производства электроэнергии и 7% производства моторного топлива [7]. В тех регионах, где это невозможно из-за низкого потенциала ВИЭ, необходимо развивать атомную энергетику, либо рационально потреблять имеющиеся ресурсы органического сырья.
Определенные успехи в этом направлении уже есть. В то время как традиционная энергетика, базирующаяся на ископаемых органических энергоресурсах, с начала XXI века в среднем в мире росла с темпом всего 1-1,5% в год, новые технологии ВИЭ развиваются со средними темпами в десятки процентов в год [2].
Наибольший интерес к ВИЭ сопровождавшийся ростом финансирования со стороны из государственных бюджетов и частных компаний, проявлен странами, находящимися в сильной зависимости от импорта традиционных энергоресурсов (страны Европейского Союза, США, Япония позднее Китай и др.). В относительно короткие сроки многие энергетические технологии ВИЭ приблизились к порогу конкурентоспособности с традиционными технологиями, базирующимися на традиционных органических энергоресурсах. Например, стоимость энергии и биотоплива, производимых с помощью ветроустановок, фотоэлектрических преобразователей, солнечных,тепловых,геотермальных и биоэнергетических установок, удалось снизить в разы [8].
Освоение ресурсов ВИЭ развивается неравномерно. Гидроэнергетика была пионером использования ВИЭ, но сегодня уже не развивается такими темпами. Потенциал крупных рек в мире локализован, кроме того сегодня он освоен уже примерно на треть. Неосвоенная его часть сосредоточена преимущественно в развивающихся странах, и дальнейшее развитие крупной гидроэнергетики ограничено, в том числе экологическими ограничениями (затопление больших территорий и т.п.) [9].
Потребление традиционной биомассы в мире неуклонно сокращается в связи с переходом на более совершенные технологии теплоснабжения и приготовления пищи.
Страны-лидеры по инвестициям в ВИЭ – это Китай, США, Германия, Италия и Индия. Инвестиции Китая в 2011 году составили 51, США-48, Германия-31, Италии 29, Индии 12 млрд. долларов США. Максимальные темпы роста инвестиций ВИЭ в 2011 году по отношению к 2010 году имели место в Италии (24%), США (58%), Канаде (47%), Бельгии (40%), Китае (28%), Индии и Бразилии (по 25%) [9].
Средние годовые темпы роста мощности энергоустановок на ВИЭ, представленные на рисунке 1.1 показывают, что лидерами являются технологии фотоэлектрического преобразования энергии и гелиоустановки, т.е энергоустановки, использующие энергию солнца. Поэтому понятно, что наибольшие инвестиции в 2012 году отмечены в солнечной энергетике – 140 млрд. долларов США, а также в ветроэнергетике – более 80 млрд. долларов США. В солнечной энергетике инвестиции были направленны прежде всего на создание крышных фотоэлектрических установок в Германии, Италии и Великобритании, а также на строительство нескольких солнечных тепловых электростанций в Испании и в США. Рисунок 1.1 - Средние годовые темпы роста мощности энергоустановок на ВИЭ и производства биотоплива в 2007-2012 г.
В большинстве стран-лидеров ускоренное освоение ВИЭ осуществляется при определяющей государственной, политической, законодательной и прямой финансовой поддержке. Наиболее распространённой формой стимулирования развития ВИЭ в области электрогенерирующих установок являются так называемые FIT-тарифы (feed-inarifs) и RPS – стандарты (renewable portfolio standards). Суть этих стимулирующих экономических мер состоит в следующем. FIT-тарифы – это специально установленные повышенные тарифы на электроэнергию, закупаемую от энергоустановок на ВИЭ, и обеспечивающие рентабельность генерации энергии. Они действуют в 65 странах и дифференцируются по типам и мощностям энергоустановок, удерживаются на длительный срок (10-20 лет) и, как правило, постепенно снижаются из года в год с учетом развития технологий. Например, Германии такие тарифы впервые были введены в 2000 году и действуют с небольшими коррективами, внесенными в 2010 году, по настоящее время. За это время с учетом развития и удешевления оборудования они для фотоэлектрических установок были снижены более чем в 2 раза до менее 17-18 (евро-центов/кВт ч) [9].
Южно-Африканская Республика
Основным отличием электрохимических суперконденсаторов (ЭСК) от аккумуляторов является то, что электрохимические процессы происходят исключительно на поверхности электрода, что приводит к более высокой скорости протекания электрохимических процессов за счет отсутствия диффузионных затруднений. Процесс запасания энергии в суперконденсаторах осуществляется за счет разделения заряда на границе электрод — электролит на двух электродах с высокоразвитой поверхностью и максимально возможной разностью потенциалов между ними. Разность потенциалов обычно определяется величиной напряжения разложения электролита. Эта величина лежит в районе 1,23 В для водных электролитов (щелочей и кислот) и в районе 2,54 В для органических электролитов [30]. Так как химических превращений веществ в процессе работы суперконденсатора не происходит, то ЭСК потенциально имеют неограниченный ресурс. На практике наиболее серьезным недостатком электрохимических конденсаторов по сравнению ссуперконденсаторами (ионисторами) является меньшая устойчивость электродных материалов к химической и электрохимической деградации. Это приводит к сокращению максимального количества циклов заряда-разряда до нескольких тысяч или десятков тысяч, в зависимости от типа используемого электродного материала. Электродными материалами для электрохимических суперконденсаторов являются, например, нанокристаллические оксиды и гидроксиды никеля и марганца [31].
Преимущества ЭСК перед аккумуляторами: практически идеальная обратимость; практически неограниченная циклируемость: 100 000 10 000 000 циклов; малое время заряда: секунды, минуты; широкий температурный диапазон: ± 50оС; высокая надежность. Большой срок службы: (более10 лет); полная герметичность и отсутствие необходимости обслуживания; отсутствие токсичных компонентов.
Основным преимуществом ЭСК является очень высокая удельная мощность (110 кВт/л). Однако при этом реализуются относительно низкие значения удельной энергии (всего около 1 Вт ч/кг). Таким образом, ЭСК используются там, где нужно передать максимальную мощность за короткое время. Они уже нашли применение в качестве пусковых источников тока двигателей автомобилей, тракторов, локомотивов, стационарных и судовых двигателей [32].
Современные электрохимические конденсаторы часто имеют асимметричную конструкцию, в которой на одном электроде накопление энергии происходит в двойном электрическом слое, а на другом — благодаря протеканию на электроде фарадеевского процесса. Электрохимические конденсаторы гибридного типа в настоящее время являются наиболее перспективными. Примером гибридного ЭСК служит разрабатывыаемая сегодня система C/ H2SO4/ PbSO4 [18,32,33]. Данная гибридная система имеет удельную энергию уже сопоставимую с удельной энергией кислотного свинцового аккумулятора (15 20 Втч/кг), однако у нее более существенный циклический ресурс (10000 циклов) и меньшее время заряда (2030 минут).
Идея накопления энергии в виде водорода основана на ряде положений: - водород является уникальным энергоносителем и за счет процессов прямого электрохимического преобразования энергии в электролизерах и топливных элементах он может быть использован для аккумулирования электрической энергии; - вода является удобным промежуточным компонентом системы водородного накопления энергии т.е. процесс аккумулирования энергии является экологически чистым, не сопровождается выделением токсичных веществ; - источники возобновляемой энергии (ветрогенераторы, фотоэлектрические преобразователи и др.) генерируют излишки электрической энергии, которая может быть переведена в водород с помощью электролиза воды, накоплена в системе хранения водорода, а затем отдана потребителю с помощью топливных элементов. Сегодня водород производится, в основном для технологических целей. Хотя мировое производство водорода составляет внушительную цифру (около 500 млрд.нм3/год), он используется как технологический продукт для промышленности, в основном для производства аммиачных удобрений, синтетических материалов, стекла, металлов, продуктов питания [34]. Водород станет эффективным энергоносителем будущей энергетики, когда его производство будет основано не на технологии конверсии природного газа (как сегодня), а примет масштабный характер за счет использования энергии возобновляемых источников энергии, а также использования избытка энергии, производимой в базовом режиме на атомных электростанциях [35]. Неограниченный потенциал возобновляемых источников энергии (в первую очередь энергии солнца и ветра), снижение стоимости технологий солнечной и ветровой энергетики, является хорошей предпосылкой для получения в будущем дешевого водорода, получаемого за счет электролиза воды. Таким образом, может появиться энергоноситель, использование которого не будет приводить к выбросам в атмосферу парникового газа диоксида углерода (СО2), а также токсичных продуктов, как в случае сжигания органического топлива, таких как монооксид углерода (СО), оксидов азота (NOx), углеводородов (CHn). Известны системы на основе водородного цикла. Для аккумулирования энергии в таком накопителе в электролизере происходит разложение воды на водород и кислород, которые хранятся в баллонах высокого давления, а затем преобразуются в электроэнергию в топливном элементе [36,37]. Преимущество такой системы аккумулирования — возможность достижения высокой энергоемкости (за счет неограниченного во времени хранения газов в сжатом состоянии), а недостаток — относительно низкий к.п.д., не превышающий 40 %.
Результаты вычислений с помощью программы SEH
Южно-Африканская Республика (ЮАР) располагается в южной части Африканского материка, омываемого водами Атлантического и Индийского океанов. На севере граничит с Мозамбиком, Зимбабве, Ботсваной и Намибией. На территории ЮАР расположены небольшие самостоятельные государства Лесото и Свазиленд. ЮАР занимает площадь 1221000 км2 и имеет несколько столиц: Претория (административная), Кейптаун (резиденция парламента), Блумфонтейн (резиденция верховного суда). Климат Претории субтропический с длинным, жарким летом и короткой зимой. Частые летние ливни сопровождаются короткими полуденными грозами.
Южная Африка делится на три основных географических региона. Первой частью является Африканское нагорье, простирающееся вглубь страны. Оно образует часть бассейна Калахари, территория которого является полузасушливой и малонаселенной. Он берет свое начало на севере и западе, и поднимается до высоты 2000 метров на востоке. Вторым регионом является Великий откос. Его ландшафт меняется, самые высокие пики находятся в Драконовых горах вдоль границы с Лесото. Третий регион – это узкие плодородные долины вдоль прибрежных равнин.
Климат Южной Африки в основном полузасушливый, но ее восточные регионы находятся на побережье и имеют субтропический климат с преимуществом солнечных дней, но прохладных ночей. На западном побережье Южной Африки климат засушливый, пустыняНамибпростираюется до Республики Намибия.
В дополнение к этому сложному рельефу Южная Африка славится своим природным разнообразием. Южная Африка в настоящее время имеет восемь заповедников, самым известным из которых является Национальный парк Крюгера вдоль границы с Мозамбиком. Этот парк является прибежищем для львов, леопардов, жирафов, слонов и бегемотов. Капская Флористическая Область вдоль юго-западного побережья Африки - это также важнейшая точка биоразнообразия, которая является домом для эндемичных растений, млекопитающих и земноводных. Экологический фактор, таким образом, должен учитываться при реализации энергетических проектов.
Энергетический потенциал и перспективы развития солнечной энергетики в Южной Африке (Претория). ЮАР уже пострадала от глобального изменения климата, и эти последствия выбросов парниковых газов будут усиливаться в ближайшие десятилетия. В 2005 году ЮАР была ответственной за примерно 1,1% мировых выбросов и около 40% выбросов в странах Африки южнее Сахары [95]. В 2005 г в среднем на душу населения в ЮАР приходилось 9 тонн выбросов газов СО2, что почти равно аналогичным значениям в Европейском союзе (10,7 тонн).
В электроэнергетическом секторе доминирует государственное предприятие ЭСКОМ, которое производит (95%) южноафриканской электроэнергии. Эта компания также владеет и управляет национальной транспортной системой. Лишь около 2% электроэнергии в ЮАР производится частными компаниями. ЭСКОМ работает на пределе своих возможности установленной мощности (40 ГВт). Пик спроса электроэнергии в настоящее время в ЮАР около 36 ГВт. Эта напряженная ситуация привела в ЮАР к дефициту электроэнергии в начале 2008года[96].
ЮАР является страной с богатыми запасами различных минералов в частности огромными запасами низкосортного угля. Исследования, проведенные Департаментом минералов и энергии (ДМЭ) показали, что 68 % электроэнергии производимой в стране получают на ТЭС, работающих на этих углях. Другие энергоресурсы ЮАР включают в себя сырую нефть (19%), природный газ (2%), атомные электростанции (3%), гидроэлектростанции(0,1%) и возобновляемые источники энергии (8%). Таким образом, чтобы уменьшить выбросы углекислого газа необходимо развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в ЮАР. В отчете, проведенном ДМЭ, говорится: «С введением углеродных квот в рамках Киотского соглашения роль возобновляемых источников энергии будет расширяться» [97].
Основными потребителями различных видов получаемой энергии в ЮАР являются: промышленность (36,2%), торговля (6,7%), жилой сектор (17,9%), добыча минералов (7%), сельское хозяйство (2,9%), транспорт (25,7%) и другие отрасли (3,6%). Относительно высокий спрос на получаемую энергию, особенно в жилом секторе, снова в качестве главной цели ставит более активное использование возобновляемых источников энергии. При этом именно фотоэлектрические системы могут быть важным источником энергии в виду солнечного света (излучения) в ЮАР. Однако, они только начинают использоваться в отдаленных районах страны для производства электроэнергии для бытовых и общественных объектов [97].
При средней солнечной радиации от 4,5 до 6,5 кВт.ч/м2 в день, в Южной Африке один из самых солнечных климатов на планете. Этот ресурс в настоящее время используется в различных отраслях: солнечные коллекторы (они конвертируют приток солнечной энергии в тепло) и солнечные панели (преобразуют солнечную энергию его в электричество).
Город Претория расположен в провинции Гаутенг, между -25o44 42 северной широты и 28o11 25 восточной долготы. Площадь города составляет около 513 км2.Данные по NASA приведены в таблице 2.9., а данные по METEONORM в таблице 2.10.
Выбор схемыэнергоснабжения и оборудования
Исследования, проведенные в рамках Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде показали, что почти 2 миллиарда людей во всем мире не имеют доступа к электроэнергии. Большинство из них живет в слаборазвитых сельских районах [129,130]. В целях реализации устойчивого развития таких стран их устойчивое энергоснабжение называется в качестве ключевой задачи [131,132].Сегодня развивающиеся страны, такиекакИндонезия, Мексика, Саудовская Аравия, Китайи Индия показывают примертого, как электрификация отдаленных и сельских районов может быть достигнута за счет использования ВИЭ игибридных энергосистем [133,134].
Запас энергии солнца неисчерпаем и может быть рассмотрен как гарантированный источник энергии для стран с ежедневной средней нормой уровня солнечной радиации в диапазоне 3-6 кВт ч/м2 [135]. Многие отдаленные и сельские районы в Кот-д Ивуар не имеют доступа к электроэнергии из-за отсутствия этих районах сетевых линий электропередач. Поэтому использование СФЭС имеет важное значение для энергоснабжения этих районов.
В данной главе рассмотрены условия наиболее эффективного использования электрической энергии, вырабатываемой СФЭС для энергоснабжения потребителя, расположенного в Кот-д Ивуар, т.е. вблизи от экватора. Как показано в главах 2 и 3, для потребителя, расположенного на экваторе фактор сезонной неравномерности поступления солнечного излучения не столь существенен. Световой день здесь составляет примерно 12 часов и его продолжительность мало зависит от сезона. В этом случае очевидно, что наиболее эффективной будет схема для потребителя, суточный график нагрузки у которого максимально совпадает графиком притока солнечного излучения. Поэтому в качестве автономного потребителя предлагается рассмотреть школу. Суточный график нагрузки данного потребителя представлен на рис. 4.1.
Рассмотрим такие же cхемы энергоснабжения данного объекта, как и в главе как в глава 2. Схема1(СФЭС-АБ): СФЭС обеспечивает энергоснабжение потребителя в дневное время, а весь избыток энергии накапливается в АБ. Схема 2(СФЭС-ВН): СФЭС обеспечивает энергоснабжение потребителя в дневное время, а избыток энергии накапливается в водороде, затем в нужном время направляется в топливный элемент для производства электроэнергии. Схема3(СФЭС-ДГ): СФЭС напрямую обеспечивает энергоснабжение потребителя в дневное время, а весь дефицит энергии обеспечивается включением дизель-генератора.
Рисунок 4.2- Суточный график нагрузки потребителя (школа в г. Абиджан) (1) и графики генерации энергии, производимой СФЭС в день минимального (4) и максимального (5) солнечного излучения, среднемесячного минимального дневного (2), среднемесячного максимального дневного (3) солнечного излучения.
Необходимая емкость аккумуляторных батарей САБ для восполнения дефицита энергии в несолнечные периоды рассчитается по формуле [138]:
Годовой график накопления/потребления энергии, находящейся в системе хранения водородаопределен с помощью программы SEH для данного потребителя и представлен на рис. 4.5. Как видно в период с конца января до середины мая и с середины сентября до конца ноября водород накапливается в системе хранения водорода, а в период с середины июня по середину сентября расходуется. Здесь мы видим два периода накопления, а не один, как это наблюдалось для потребителей с высокой сезонной неравномерностью (например, в г. Претория и г. Алжир). Этот фактор является положительным, т.к. примерно в двое снижается,и масса системы хранения водорода.
Исходя из количества энергии, необходимой для восполнения дефицита в не солнечный период, рассчитан почасовой расход топлива дизельного генератора для покрытия дефицита электроэнергии потребителя. Расход топлива с зависимости от текущей мощности дизельного генератора описывали линейной зависимостью в соответствии с формулой (4-2) [139-141].
Важное значение в реализации схем энергоснабжения имеет экономическая составляющая. Схемы энергоснабжения на основе использования ВИЭ предполагают использование достаточно дорогого оборудования (солнечных модулей, электрохимических преобразователей). Однако, в отличие от традиционной схемы энергоснабжения, они не требуют использования привозного топлива, что повышает стоимость произведенной энергии. Существует довольно много методов экономического анализа, позволяющих сравнить различные схемы.
Для сравнения экономической эффективности схем энергоснабжения на основе ВИЭ и традиционной схемы с использованием дизель-генератора был использован анализ приведенной стоимости электроэнергии, генерируемой с помощью различных схем.
Для расчета стоимости генерируемой электрической энергии использовалась модель и методика расчета приведенной стоимости энергии в течение всего срока службы систем LCOE (англ.-Levelized Cost of Energy) [142-144]. Весь срок службы систем принимается за 20 лет и соответствует времени жизни наиболее дорого компонента схемы- солнечного модуля.
Значение приведенной стоимости энергии - это минимальная цена, за которую энергия, генерируемая за весь расчетный период (срок службы систем), должна быть продана для достижения точки безубыточности. Другими словами -это цена энергии, при которой чистый дисконтированный доход будет равен нулю. Приведенная стоимость энергии рассчитывается как:
Для расчета стоимости энергии во внимание принимались внутренние и внешние факторы. Среди внутренних факторов в расчете использовались капитальные затраты, расходы, которые возникают в ходе эксплуатации схемы энергоснабжения, расходы на топливо.
Значение, выбранное для ставки дисконтирования необходимо тщательно оценивать, так как ее значение является индикатором привлекательности по инвестированию в проекты по энергоснабжению [145]. Международное энергетическое агентство предполагает консервативные скидки от 10% до 12% для фотоэлектрических систем. Исходя из этого более низкие ставки дисконтирования (около 5%) были зарегистрированы для фотоэлектрических модулей [146-148]. Следует учитывать деградацию солнечных панелей в течение всего срока их эксплуатации, и как следствие уменьшение производства электроэнергии. Для фотоэлектрических систем уменьшение годового производства составляет 0,6%. [142;149]. Для систем, использующих покупное топливо также учитывается рост его стоимости за счет инфляции (принята 1% в год). Хотя рост стоимости топлива в течение 20 лет расчетной эксплуатации комплекса по схемам 3 и 4 будет наверняка еще выше.
Для выполнения технико-экономического расчета необходимо выбрать параметры для расчета, такие как: расчетный срок службы проекта энергоснабжения и его компонентов, стоимость используемого и суммарные капитальные вложения, расходы на техническое обслуживание, стоимость топлива и др. ,используемые в расчете параметры, которые приведены в таблице 4.6.
