Виды потенциалов энергии ветра - основы подхода к оценке

Классификационные признаки оценки ветроэнергетического потенциала. С нашей точки зрения, в рамках определения ветроэнергетического потенциала с ориентацией на решение инвестиционных задач имеет смысл ввести и использовать систему понятий с дифференциацией по следующим классификационным признакам:

– Виду потенциала (ресурса).

– Способу оценки потенциала.

– Территории, для которой оценивается потенциал.

– Времени действия конкретной функции повторяемости скоростей ветра при оценке потенциала.

– Периоду времени, на котором оценивается энергетический потенциал.

– Характеру (способу) учета направления ветра при оценке потенциала.

–Скоростным характеристикам ветра, определяющим область применения ВЭУ.

– Виду удельного показателя ветроэнергетического потенциала.

Классификация по виду потенциала.В рамках классификации по виду потенциалавводятся понятия:

– Топливного потенциала.

– Теплоэнергетического потенциала.

– Электроэнергетического потенциала.

– Потенциала ресурсосбережения.

– Экологического потенциала.

Предлагаемая классификация по видам потенциала связана с такими целевыми функциями расширения использования возобновляемой энергетики, как уменьшение потребления тепловой и электрической энергии, производимой путем сжигания ископаемых органических топлив, и, как следствие, снижение расхода этих топлив и сокращение массы выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ.

Топливный потенциал задает величину ветроэнергетического потенциала в тоннах условного топлива.

Теплоэнергетический потенциал оценивает количество тепловой энергии в Гкал, которое можно произвести путем преобразования ветровой энергии в тепло, и соответственно экономию тепловой энергии, получаемой при сжигании органических топлив.

Электроэнергетический потенциал соответствует количеству электрической энергии в кВт·ч, получаемой при использовании кинетической энергии ветра, а, следовательно, задает и снижение расхода электрической энергии, производимой традиционными методами.

Потенциал ресурсосбережения характеризует в натуральном (т/год, 1000 м³/год) и стоимостном выражении (руб./год) количество таких видов топлива, как газ, мазут, дизельное топливо и уголь, которое пришлось бы использовать при получении энергии традиционными методами в количестве, соответствующем ветроэнергетическому потенциалу.

Экологический потенциал (потенциал предотвращения воздействия) оценивает величину (т/год) предотвращенных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (т/год), образующихся в топках электростанций и котельных в процессе сжигания газа, мазута, дизельного топлива и угля для получения энергии в количестве, соответствующем ветроэнергетическому потенциалу. Оцениваются также размеры предотвращенного эколого-экономического ущерба (руб./год) от локального и глобального загрязнения атмосферы.

Классификация по способу оценки потенциала (ресурса).При введении классификации по способу оценки ветроэнергетического потенциала (ресурса) не следует забывать о принципиальном различии терминов «ресурс» и «потенциал». Различие это заключается в том, что ресурсы существуют независимо от субъектов экономической деятельности, а потенциал неотделим от субъектов деятельности. То есть термин «потенциал», кроме материальных и нематериальных средств, включает способности общества к эффективному использованию имеющихся ресурсов.

Исходя из этого, классификация по способу оценки энергетического потенциала (ресурса) ветрарассматривает:

1. Валовый ветроэнергетический ресурс:

1.1. Валовый ресурс энергии ветрового потока;

1.2. Валовый теоретический ветроэнергетический ресурс;

1.3. Валовый технический ветроэнергетический ресурс.

1.4. Валовый экономический ресурс.

2. Доступный ветроэнергетический потенциал:

2.1. Доступный технический ветроэнергетический потенциал;

2.2. Доступный экономический ветроэнергетический потенциал.

3. Потенциал замещения традиционных источников энергии:

3.1. Текущий экономический потенциал замещения;

3.2. Прогнозируемый (перспективный) экономический потенциал замещения.

Валовый ветроэнергетический ресурс. С учетом стоящих перед возобновляемой энергетикой задач:

Под валовым ветроэнергетическим ресурсом оцениваемой территории будем понимать часть среднемноголетней полной ветровой энергии, которая может быть преобразована в электрическую энергию в течение рассматриваемого интервала времени без учета каких-либо географических, законодательных, экономических, экологических, социальных и других ограничений на возможность размещения ветроэнергетических установок на этой территории.

При оценке валового ветроэнергетического ресурса рассматриваемой территории принято ориентироваться на энергию воздушных масс, поступающую на современные ветроэнергетические установки с заданными площадью ометаемой поверхности и высотой оси ветротурбины от уровня земли.

Изначально оценивается валовый ресурс энергии ветрового потока, соответствующий полной кинетической энергии ветра, набегающего на ометаемую поверхность ветроколеса установки. Здесь анализируется максимальная энергия ветрового потока без учета потерь, возникающих при ее использовании.

Валовый теоретический ветроэнергетический ресурс характеризует максимальные (предельные) возможности идеальных ветроэнергетических установок по использованию энергии ветрового потока, набегающего на них, т.е. по преобразованию кинетической энергии ветра в электрическую энергию. Валовый теоретический ветроэнергетический ресурс – это преобразованная в электрическую энергию часть полной энергии ветрового потока, поступающего на ометаемую поверхность идеального ветряка.

Теория идеального ветряка была разработана В.П. Ветчинкиным еще в 1914 году. Теоретическое обоснование предельного (идеального) значения коэффициента использования энергии ветра осуществили независимо друг от друга немецкий физик Альберт Бетц в 1919 году и российский ученый профессор Н.Е. Жуковский в 1920 году.

Что же касается валового технического ветроэнергетического ресурса, то здесь речь идет о максимальном количестве электрической энергии, которое гипотетически можно получить на оцениваемых территориях с использованием реальных, наиболее технически эффективных и широко распространенных на момент оценки ветроустановок.

Этот вид ресурса может оцениваться как для каждого рассматриваемого вида ветрогенераторов и каждой заданной высоты от поверхности земли, так и для оптимального варианта оценки, характеризующегося максимальной годовой выработкой электрической энергии. При оптимизационном подходе технический ресурс задает для каждой ячейки территориальной сетки России конкретный вид ветроэнергетических установок, обеспечивающих максимальную выработку электрической энергии.

Валовый экономический ресурс - результат оценки ветроэнергетического ресурса с критерием максимум среднегодового экономического эффекта метода эквивалентного денежного потока при использовании реального ветроэнергетического оборудования. Оптимизация с экономическим критерием позволяет выбрать для каждой ячейки территориальной сетки России наиболее экономически эффективный вид ветроэнергетических установок.

Доступный ветроэнергетический потенциал. В отличие от валового потенциала, оценка доступного ветроэнергетического потенциала должна принимать во внимания имеющиеся ограничения на размещение ветроэнергетических установок на рассматриваемых территориях. С учетом этого понятие доступного ветроэнергетического потенциала можно определить следующим образом:

Под доступным ветроэнергетическим потенциалом оцениваемой территории будем понимать часть среднемноголетней суммар­ной ветровой энергии, которая может быть преобразована в электрическую энергию реальными ветроэнергетическими установками в течение рассматриваемого интервала времени на землях, пригодных на момент оценки для размещения ветроэнергетического оборудования, исходя из эффективности его использования.

Деление на «доступный технический ветроэнергетический потенциал» и «доступный экономический ветроэнергетический потенциал» обусловлено различием факторов, используемых для определения доступности земель для размещения ВЭУ.

В первую очередь из оцениваемых территорий имеет смысл исключить земли, на которых в современных условиях техническая возможность размещения ветроустановок крайне ограничена в силу особенностей инженерно-геологических характеристик потенциальных строительных площадок.

Учитывая существующее состояние российской ветроэнергетической отрасли, вряд ли на первых этапах развития возобновляемой энергетики в стране целесообразно включать в доступные для размещения ВЭС территории, строительство на которых потребует значительных инвестиций и трудозатрат при сравнительно низкой экономической результативности вложения средств.

Для доступного технического ветроэнергетического потенциала в качестве факторов эффективного выбора оцениваемых территорий в Российской Федерации в настоящее время могут выступать, например, возможности:

размещения ветроустановок на расстояниях, обеспечивающих минимальные энергопотери, связанные со взаимным влиянием ВЭУ;

оказания минимального негативного воздействия на окружающую среду, связанного с созданием зон акустического дискомфорта и изъятием земель из текущего хозяйственного оборота.

На выбранных доступных землях технический потенциал определяется как максимальное количество электрической энергии, которое может быть получено на реальных ВЭУ без каких-либо дополнительных ограничений.

Доступный экономический ветроэнергетический потенциал должен оцениваться исходя из текущей и перспективной потребности в энергии и ее стоимости в месте оценки, действующих тарифов и стимулирующих экономических механизмов, существующих энергетических альтернатив, возможностей подключения к сетям централизованного или распределенного энергоснабжения, ситуации на рынке ветроэнергетического оборудования, имеющихся логистических, строительно-монтажных, технических, экологических, правовых, финансовых и других ограничений.

В качестве критерия эффективности оценки доступного экономического потенциала может выступать максимум интегрального эффекта от его реализации.

Потенциал замещения традиционных источников энергии. Этот вид потенциала предназначен для сопоставления количества энергии, вырабатываемой традиционными методами, с энергетическим потенциалом ветра на оцениваемой территории. Оценка потенциала замещения производится как для текущего уровня производства энергии, так и на перспективу с учетом программы развития территории.

Если потенциал будет превышать количество вырабатываемой энергии, то потенциал замещения оценивается как количество энергии, получаемой традиционными методами. В противном случае потенциал замещения принимается равным исходному ветроэнергетическому потенциалу.

Классификация по типу территории, для которой оценивается потенциал.Классификация по охвату территории предполагает рассматривать:

Ветроэнергетический потенциал в конкретной точке оценки.

Ветроэнергетический потенциал в условно-однородной ячейке территориальной сетки (выделенной «однородной» территории).

Ветроэнергетический потенциал территориально-административной единицы:

3.1. Потенциал района (города);

3.2. Потенциал субъекта федерации;

3.3. Потенциал федерального округа;

3.4. Потенциал страны.

Классификация по времени действия функции повторяемости скоростей ветра при оценке потенциала.Классификация по времени действия конкретной функции повторяемости скоростей ветра определяет возможность использования рассматриваемой функции:

В любой час определенного интервала суток любого дня конкретного месяца года.

В любой час любых суток конкретного месяца года.

В первом случае принимается во внимание, что в существующей практике измерения скоростей ветра применяется деление суток на временные интервалы, например, трехчасовые. С учетом этого, конкретная функция повторяемости скоростей ветра определяется для конкретного интервала суток определенного месяца года с возможностью осуществления оценки энергетического потенциала в любой промежуток времени этого интервала в течение всего месяца.

Во втором случае сутки считаются статистически однородными с точки зрения изменения скоростей ветра. Здесь мы имеем дело с повторяемостями скоростей ветра, которые остаются постоянными в разрезе суток и определенного месяца и могут быть использованы в любое время любых суток в пределах этого месяца.

Классификация по периоду времени, на котором оценивается ветроэнергетический потенциал,выделяет:

Часовой ветроэнергетический потенциал определенного интервала суток любого дня конкретного месяца года.

Часовой ветроэнергетический потенциал любого часа любых суток конкретного месяца года.

Ветроэнергетический потенциал определенного интервала времени любых суток конкретного месяца года.

Ветроэнергетический потенциал любых суток конкретного месяца года.

Ветроэнергетический потенциал конкретного месяца года.

Годовой ветроэнергетический потенциал.

Классификация по характеру (способу) учета направления ветра при оценке потенциала.Классификация по характеру учета направления ветрарассматривает две возможности:

Ветроэнергетический потенциал без дифференциации по направлениям ветра.

Ветроэнергетический потенциал с дифференциацией по направлениям ветра.

Ветроэнергетический потенциал без дифференциации по направлениям ветра предполагает использование допущения о наличии круговой розы ветров с равными вероятностями всех направлений и одинаковыми для них повторяемостями скоростей ветра.

Ветроэнергетический потенциал с дифференциацией по направлениям ветра базируется на статистической информации о некруговой розе ветров, учитывает различия в функциях повторяемости скоростей ветра по направлениям и значения вероятности каждого из направлений.

Классификация по скоростным характеристикам ветра, определяющим область применения ВЭУ. Классификация по скоростным характеристикам ветра, определяющим область применения ветрогенераторов,используемых для оценки ветроэнергетического потенциала:

Класс I, ориентированный на средние скорости ветра ~ 10,0 м/сек.

Класс II, ориентированный на средние скорости ветра ~ 8,5 м/сек.

Класс III, ориентированный на средние скорости ветра ~ 7,5 м/сек.

Класс IV, ориентированный на средние скорости ветра ~ 6,0 м/сек.

Классификация по виду удельного показателя ветроэнергетического потенциала.Классификация по виду удельного показателя ветроэнергетического потенциалапредусматривает возможность оценки:

– Ветроэнергетического потенциала в единицу времени.

– Ветроэнергетического потенциала на единицу площади ометаемой поверхности.

– Ветроэнергетического потенциала на единицу площади оцениваемой территории.

Предложенная классификация ветроэнергетических потенциалов позволяет сформировать систему показателей, предназначенных для решения широкого набора региональных и местных задач анализа ветропотенциала, технических и экономических возможностей его использования, потенциальных результатов энерго- и ресурсосбережения, предотвращения локального и глобального загрязнения окружающей среды, а также для разработки региональных программ развития ветроэнергетики и принятия эффективных инвестиционных решений по созданию централизованных и распределенных систем энергоснабжения с использованием ВИЭ.

Стоящие перед страной задачи развития возобновляемой энергетики и обусловленные ими особенности оценки ветроэнергетического потенциала потребовали выбора источников информации о скоростях ветра с достаточно небольшим шагом по территории России и разработки эффективных методов определения параметров функций повторяемости скоростей ветра в точках оценки для разных высот от земли, временных интервалов и направлений ветра на основе этой информации.

В качестве источника исходной информации выбрана база данных НАСА, содержащая статистические результаты многолетнего космического мониторинга скоростей ветра на высоте 50 метров от земли с шагом в один градус. С учетом ограниченности исходных данных разработаны и математически обоснованы методики определения параметров функций распределения вероятностей скоростей ветра и математического описания кривых мощностей ветрогенераторов, позволяющих осуществлять оценки всех рассмотренных выше видов ветроэнергетических потенциалов.

Литература

Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива, /показатели по территориям/. Под ред. П.П. Безруких. - М., «ИАЦ Энергия», 272 с.

В.Г. Николаев. Ресурсное и технико-экономическое обоснование широкомасштабного развития ветроэнергетики в России. М.: АТМОГРАФ. 2011. 504 с.

Об электроэнергетике. Федеральный закон от 4 ноября 2007 г № 35-ФЗ (с изменениями от 22 августа, 30 декабря 2004 г., 18 декабря 2006 г., 11 ноября 2007 г., 14 июля, 25 декабря 2008 г., 23 ноября 2009 г., 9 марта, 26, 27 июля, 28 декабря 2010 г., 7 февраля 2011 г.).

О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики. Указ Президента РФ № 899 от 4 июня 2008 г.

Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 8 января 2009 г. № 1-р.

Об утверждении комплекса мер стимулирования производства электрической энергии на основе использования возобновляемых источников. Распоряжение Правительства № 1839-р от 4 октября 2012 г.

Изменения, которые вносятся в Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года. Распоряжение Правительства РФ №861-р от 28 мая 2013 г.

О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности. Постановление Правительства РФ №449 от 28 мая 2013 г.

О внесении изменений в некоторые акты правительства Российской Федерации по вопросам стимулирования использования возобновляемых источников энергии на розничных рынках электрической энергии. Постановление Правительства РФ №47 от 23 января 2015 г.