5. Потенциал замещения традиционных источников энергии

Виды потенциалов замещения. Потенциал замещения традиционных источников энергии на рассматриваемой территории (i-й, r-й) оценивает возможность замещения потребляемой на ней энергии, вырабатываемой традиционными методами (в первую очередь при сжигании ископаемого органического топлива), электрической энергией, производимой ветроэнергетическими установками. Оценка потенциала замещения производится для:

текущего уровня производства энергии и

исходя из программы (прогноза) развития территории .

В качестве замещаемой энергии ( ) может выступать как только электрическая энергия ( ), так и суммарное количество электрической и тепловой энергии ( ), выраженное в кВт·ч.

Если потенциал будет ниже количества вырабатываемой энергии, то потенциал замещения потенциал замещения принимается равным исходному ветроэнергетическому потенциалу. В противном случае потенциал замещения определяется как количество энергии, получаемой традиционными методами. Для фактического и прогнозируемого количества энергии потенциал замещения может оцениваться на основе валового технического и экономического ресурсов и допустимого технического и экономического потенциала.

Фактический потенциал замещения. Соотношения, позволяющие оценить размеры различных видов потенциалов замещения фактического количества энергии на i-й (r-й) территории, представлены ниже:

потенциал замещения валовым техническим ветроэнергетическим ресурсом

потенциал замещения валовым экономическим ветроэнергетическим ресурсом

потенциал замещения доступным техническим ветроэнергетическим потенциалом

потенциал замещения доступным экономическим ветроэнергетическим потенциалом

.

Прогнозируемый потенциал замещения. Оценка потенциала замещения прогнозируемого количества энергии на i-й (r-й) территории осуществлена аналогичным образом:

потенциал замещения валовым техническим ветроэнергетическим ресурсом

потенциал замещения валовым экономическим ветроэнергетическим ресурсом

потенциал замещения доступным техническим ветроэнергетическим потенциалом

потенциал замещения доступным экономическим ветроэнергетическим потенциалом

.

Все рассмотренные выше виды валовых ветроэнергетических ресурсов, доступных ветроэнергетических потенциалов и ветроэнергетических потенциалов замещения измеряются в киловатт-часах в единицу времени или на единицу площади территории, то есть представляют собой электроэнергетический потенциал. Необходимость разностороннего анализа энергетического потенциала ветра обусловило появление таких видов ветроэнергетического потенциала, как топливный и теплоэнергетический потенциалы, потенциал ресурсосбережения и экологический потенциал, а, следовательно, и появление методов оценки их величины на основе электроэнергетического потенциала.

5.Методы оценки топливного, теплоэнергетического и

экологического потенциалов и потенциала ресурсосбережения

Оценка топливного, теплоэнергетического и экологического потенциалов и потенциала ресурсосбережения рассмотренных выше видов ветроэнергетических ресурсов базируется на наличии показателей, связывающих между собой:

количество электроэнергии с расходом на ее производство условного топлива;

расход условного топлива – с производством тепловой энергии;

количество условного топлива – с эквивалентными количествами природного газа, угля, мазута и дизельного топлива;

количеством сжигаемого природного газа, угля, мазута и дизельного топлива – с массой выброса загрязняющих веществ в атмосферу;

массой выброса загрязняющих веществ в атмосферу – с величиной эколого-экономического ущерба от негативного воздействия на окружающую среду.

Топливный потенциал. Для рассмотрения методов расчета перечисленных выше потенциалов без потери общности электроэнергетический потенциал (ресурс) имеет смысл обозначить как , где p – вид электроэнергетического потенциала ветра. Для пересчета количества электрической энергии в массу условного топлива, необходимого для ее производства, используется коэффициент перерасчета по угольному эквиваленту, принятый в отечественной статистике. Тонна условного топлива (т. у. т.) – единица измерения энергии, равная 2,93×10¹⁰ Дж, которая определяется как количество энергии, выделяющееся при сгорании 1 тонны топлива с теплотворной способностью 7000 ккал/кг, что соответствует типичной теплотворной способности каменного угля. Для оценки потенциала в тоннах условного топлива можно использовать значение коэффициент пересчета³ равное т.у.т./тыс.кВт·ч.

Тогда для электроэнергетического потенциала (ресурса) ветра , заданного в тыс.кВт˖ч, для расчет соответствующего топливного потенциала проводится по формуле

,

где

- множество видов электроэнергетических потенциалов (ресурсов) ветра, на основе которых оцениваются другие

виды потенциалов.

Теплоэнергетический потенциал. Теплоэнергетический потенциал оценивается на базе уже рассчитанного топливного потенциала с использованием, взятого из того же постановления коэффициента пересчета количества тепловой энергии в тонны условного топлива т.у.т./Гкал.

Пересчет топливного потенциала в теплоэнергетический (Гкал) для осуществляется следующим образом

.

Потенциал ресурсосбережения. Потенциал сбережения газа, каменного угля, мазута топочного и дизельного топлива в результате использования вместо них энергии ветра можно определить, зная топливный потенциал и соответствующие коэффициенты пересчета натурального топлива в условное.

Натуральная оценка ресурсосбережения. Что качается коэффициентов пересчета, то они могут быть или средними по стране - т.у.т./тыс.м³, т.у.т./т, т.у.т./т, т.у.т./т, или учитывающими теплотворную способность газа и угля, поступающих для энергетического использования в конкретную территориальную единицу. В общем случае количество сберегаемого топлива в натуральных единицах оценивается:

по природному газу в тыс.м³

;

по углю, т

;

по мазуту, т

;

по дизельному топливу, т

.

Стоимостная оценка ресурсосбережения. Для стоимостной оценки ресурсосбережения (в тыс. руб.) желательно использовать средние планово-заготовительные (учитывающие транспортные издержки) цены соответствующих видов топлива в рассматриваемой территориальной единице. При отсутствии территориальных цен можно использовать средние цены в стране

по природному газу

;

по углю, т

;

по мазуту

;

по дизельному топливу

,

где

- средняя планово-заготовительная цена тысячи кубических метров природного газа, тыс.руб./тыс.м³;

- средняя планово-заготовительная цена одной тонны каменного угля, тыс.руб./т;

- средняя планово-заготовительная цена одной тонны печного мазута, тыс.руб./т;

- средняя планово-заготовительная цена одной тонны дизельного топлива, тыс.руб./т.

Экологический потенциал. Экологический потенциал характеризует величину предотвращенного негативного воздействия на окружающую среду в результате использования для получения тепловой и электрической энергии ветроэнергетических установок вместо энергетического оборудования, работающего на природном газе, каменном угле, печном мазуте и дизельном топливе. Оценка может осуществляться для выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, сбросов в поверхностные и подземные водные объекты, размещения образующихся отходов, теплового воздействия, потребления воды из природных источников. Ниже речь пойдет только о предотвращении загрязнения атмосферы как наиболее существенном воздействии на человека и другие биологические объекты.

Натуральная оценка предотвращенных выбросов в атмосферу. Существует большой объем статистической информации о массе выбросов различных загрязняющих веществ при использовании рассматриваемых видов топлива для производства электрической и тепловой энергии. Эта информация легла в основу определения средних удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании в топках единицы природного газа (т/тыс.м³) для , каменного угля (т/т) для , печного мазута (т/т) для и дизельного топлива (т/т) для .

С учетом этого экологические потенциалы в натуральном исчислении (объемы предотвращаемых выбросов, т) составят при сжигании:

природного газа для

;

каменного угля для

;

печного мазута для

;

дизельного топлива для

,

где

- множество видов загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании природного газа;

- множество видов загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании каменного угля;

- множество видов загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании печного мазута;

- множество видов загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании дизельного топлива.

Оценка предотвращенных выбросов в атмосферу в тоннах условного загрязняющего вещества. В общем случае масса выбросов в тоннах условного загрязняющего вещества⁴ (усл.т) определяется с учетом массы m_v выбросов v-го загрязняющего вещества в натуральном исчислении (т), его коэффициента относительной агрессивности (усл.т/т), поправки на рассеивание в атмосфере и коэффициента относительной опасности для зоны активного загрязнения :

Коэффициент относительной агрессивности v -го вещества позволяет перейти от массы этого вещества к эквивалентной по воздействию на окружающую среду массе оксида углерода (СО). Применяемые для оценки приведенной массы коэффициенты относительной агрессивности вещества , исчисляются следующим образом:

,

где

- характеризует относительную опасность присутствия вещества v -го вида в воздухе, вдыхаемом человеком, по отношению к уровню опасности оксида углерода, зависит от значений предельно допустимых концентрации среднесуточной и рабочей зоны оксида углерода и v-го загрязняющего вещества

- поправка, учитывающая вероятность накопления v-го вещества в компонентах окружающей среды и цепях питания, а также поступления примесей в организм человека неингаляционным путем;

- поправка, характеризующая вредное воздействие v-го вещества на других реципиентов (кроме человека);

- поправка на вероятность повторного заброса v-го вещества (твердых аэрозолей) в атмосферу после его оседания на поверхности (учитывает уровень осадков на рассматриваемой территории);

- поправка на вероятность образования вторичных более токсичных загрязняющих веществ из v-го загрязняющего вещества при поступлении его в атмосферу ( 2 или 5 для нетоксичных летучих углеводородов, 1 - во всех остальных случаях).

Для расчета поправки на рассеивание газообразных веществ в атмосфере используются выражение

,

где

- высота источника выброса загрязняющих веществ (дымовой трубы), м;

- поправка на факел выброса, зависящая от разности температуры отходящих газов и температуры атмосферного воздуха на уровне устья трубы

;

- средняя скорость ветра на уровне флюгера, м/с.

При оценке экологического потенциала в расчетах поправок на рассеивание можно использовать:

среднее значение высоты трубы теплоэнергетических станций равное h_ср=100 м; рh

средние температуры атмосферного воздуха на соответствующих территориях с дифференциацией по месяцам и году в целом;

средние скорости ветра на соответствующих территориях с дифференциацией по месяцам и году в целом или среднегодовую скорость ветра на территории страны равную 3 м/с.

Для расчета поправки на рассеивание твердых веществ, образующихся при сжигании угля и мазута, будем считать, что лишь на ряде энергетических объектов используется очистное оборудование. С учетом этого при расчете экологического потенциала имеет смысл ориентироваться на среднее рассеивание с поправкой, определяемой по формуле

.

Среднее значение коэффициента относительной опасности для зоны активного загрязнения при проведении ориентировочных расчетов может быть принято равным = 6. Такой выбор обусловлен среднестатистическим соотношением долей 0,4 и 0,6 на территории ЗАЗ площадей, занятых соответственно промышленными зонами и населенными пунктами, в которых размещаются энергетические объекты, а также средней плотностью населения в таких поселениях равной около 70 – 80 чел./га.

После определения средних значений , и значений коэффициентов относительной агрессивности легко рассчитываются размеры экологических потенциалов в тоннах условного загрязняющего вещества (приведенной предотвращенной массы выбросов) при использовании энергии ветра вместо:

природного газа для

;

каменного угля для

;

печного мазута для

;

дизельного топлива для

.

В состав веществ, выбросы которых используются для расчета приведенной массы не входит масса выбросов парникового газа - диоксида углерода (СО₂).

Оценка предотвращенного эколого-экономического ущерба от загрязнения атмосферы. Экологический потенциал, выраженный в стоимостной форме (руб.), соответствует величине предотвращенного эколого-экономического ущерба от загрязнения атмосферы в результате использования энергии ветра вместо:

природного газа для

;

каменного угля для

;

печного мазута для

;

дизельного топлива для

где

- удельный эколого-экономический ущерб от загрязнения атмосферы условным загрязняющим веществом (СО), руб./усл.т;

- коэффициент индексации экологических платежей и эколого-экономических ущербов в t-м году;

- цена квот в t-м году на выброс СО₂ (диоксида углерода) на основной площадке мирового углеродного рынка в пересчете на рубли, руб./т;

- масса выбросов диоксида углерода, образующегося при сжигании природного газа, замещаемого эквивалентным количеством ветроэнергетического потенциала (ресурса) p-го вида;

- масса выбросов диоксида углерода, образующегося при сжигании природного каменного угля, замещаемого эквивалентным количеством ветроэнергетического потенциала (ресурса) p-го вида;

- масса выбросов диоксида углерода, образующегося при сжигании печного мазута, замещаемого эквивалентным количеством ветроэнергетического потенциала (ресурса) p-го вида;

- масса выбросов диоксида углерода, образующегося при сжигании дизельного топлива, замещаемого эквивалентным количеством ветроэнергетического потенциала (ресурса) p-го вида.

Информационной основой для определения рассмотренных всех видов ветроэнергетического потенциала и в первую очередь электроэнергетического потенциала является функции плотности распределения вероятностей скоростей ветра и в i-й ячейке территориальной сетки.

Распределение вероятностей скоростей ветра. В последнее время в научных публикациях имеются указания на успешное описание распределения вероятностей скоростей ветра по всей совокупности шкалы наблюдений нормальным и логнормальными законами, а также распределениями Пуассона и Вейбулла. Распределение Вейбулла названо в честь шведского исследователя Валодди Вейбулла (Waloddi Weibull), применявшего это распределение для описания времен отказов разного типа в теории надежности. Применимость функции распределения Вейбулла к сглаживанию результатов срочных наблюдений скорости ветра подтверждена результатами массовой обработки информации нескольких тысяч метеостанций СССР. Использование этого распределения имело место и при разработке «Атласа ветров России»⁵. Методические указания «Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок» (РД 52.04.275-89) также рекомендуют определять удельную мощность ветрового потока аналитическим методом с использованием функции Вейбулла-Гудрича⁶.

В отечественной практике вероятностные характеристики скоростей ветра определялись по данным метеостанций на высоте флюгера h=10 м. В настоящее время доступной стала информация НАСА о повторяемости скоростей ветра на высоте 50 м по градациям и значениями средних скоростей ветра для разных высот и подстилающих поверхностей.

В связи с этим появилась необходимость в изучении возможностей и совершенствовании методологии применения распределения Вейбулла-Гудрича и данных НАСА для оценки ветроэнергетических ресурсов в разных точках территории на разном расстоянии от поверхности земли.

1 Г. М. Чернявский,. Космические средства при мониторинге Земли, «Земля и Вселенная» 2004 №5, с. 3-12

2 Карта 1. Разность среднегодовых скоростей ветра на высоте 10 м над поверхностью земли, приведенных в научно-прикладном справочнике по климату СССР (773 метеостанции) и БД NASA SSE (поверхность типа «Аэропорт: плоская грубая трава»)

3 Об утверждении «методологических положений по расчету топливно-энергетического баланса Российской Федерации в соответствии с международной практикой. Постановление Госкомстата от 23июня 1999 г. №46.

4 Оценка воздействия промышленных предприятий на окружающую среду: учеб. пособие. Тарасова Н. П., Ермоленко Б. В., Зайцев В. А., Макаров С. В. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 230 с.

5 Старков А.Н., Ландберг Л., Безруких П. П., Борисенко М. М. Атлас ветров России. М.: «Можайск-Терра», 2000.

6 РД 52.04.275-89. Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок.