ГЛАВА 8. ЭКОНОМИКА ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Стоимость установленной мощности возобновляемого источника энергии для конкретного региона включает стоимость производства соответствующего оборудования, расходы по его транспортировке на место установки и стоимость строительства. Определение стоимости установки ВИЭ, а также ресурса ее работы в натурных условиях, позволяет установить стоимость вырабатываемой полезной энергии и провести сравнение с другими источниками энергии, в первую очередь, с традиционными, например ДЭС. Тем самым может быть определена экономическая целесообразность и эффективность использования энергии ВИЭ в данном регионе.

На рис.8.1 представлены данные по себестоимости электроэнергии для электростанций на базе ВИЭ и традиционных электростанций на органическом топливе и атомных.

цент/кВт∙ч

Рис. 8.1. Сравнительная себестоимость электроэнергии различных типов энергоустановок: 1 – микро и малые ГЭС; 2 – ВЭС; 3 – геотермальные станции; 4 – ТЭС на отходах деревообработки; 5 – газификация биомассы; 6 – газ свалок; 7 – твердые бытовые отходы; 8 – солнечные термодинамические станции; 9 – фотоэлектрические станции; 10 – ТЭС на угле; 11 – экологически чистые ТЭС; 12 – ТЭС на газе; 13 – газотур-

бинные с комбинированным циклом; 14 – атомные станции

191

8.1. Методика определения технико-экономических характеристик ветроэлектростанций

8.1.1. Экономическая эффективность ВЭУ в зонах централизованного энергообеспечения

Основной подход к расчету экономических параметров ветроэнергетических установок был предложен и представлен в работе [5]. Он включает определение эффективности ВЭУ в конкуренции с использованием традиционных видов топлив для трех характерных зон региона: зоны централизованного гарантированного энергообеспечения, зоны централизованного энергообеспечения с дефицитом электроэнергии и зоны с автономным энергообеспечением

Стоимость вырабатываемой электроэнергии Ц, руб./кВт∙ч, и стоимость установленной мощности С, руб./кВт, связаны с такими экономическими критериями, как срок окупаемости и срок службы ВЭУ.

Срок окупаемости ВЭУ ТОК определяется по формуле, год

руб./кВт∙ч; ИЭК – издержки эксплуатации ВЭУ, руб./год.

Стоимость электроэнергии, выработанной ВЭУ, Ц, руб./кВт∙ч, связа-

Если ввести коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) К, который определяется отношением средней мощности ВЭУ NСР (или ее математического ожидания) к установленной мощности NР, т. е.

К = NСР / NР и норму издержек эксплуатации γ, в соответствии с условием

то срок окупаемости (8.1) представится в виде:

192

Экономический эффект использования ВЭУ Э, выраженный в руб., может быть определен как цена энергии, произведенной установкой за период работы после срока окупаемости установки:

Как видно, экономические показатели, определяющие целесообразность и эффективность использования ВЭУ, сильно зависят от стоимости ЦТ электроэнергии, получаемой от традиционных видов топлив. В зонах централизованного энергоснабжения стоимость этой электроэнергии довольно низка, что снижает эффект использования энергии ветра. В то же время наличие электрических сетей является благоприятным условием для подключения к ним сетевых ВЭУ и обеспечения их устойчивой работы.

Практически важный случай представляют районы, формально находящиеся в зонах централизованных энергосетей, но остродефицитные по энергии. Наличие дефицита энергии, как правило, приводит к значительным потерям, в том числе материальным и финансовым. Это означает, что в энергодефицитных районах проблема использования ВЭУ становится более насущной и острой, а определение экономического эффекта ввода ветроэнергетической установки приводит к замене формулы (8.6) на следующую:

где Q, кВт∙ч/год, – годовой дефицит энергии, покрываемой ВЭУ; ЦП , руб./кВт∙ч, – удельная цена потерь от дефицита энергии.

Величины Q и ЦП могут иметь и другую интерпретацию пригодную для любого региона, не только остродефицитного, а именно:

Q, кВт∙ч/год, – годовая потребность промышленного производства региона в электроэнергии, покрываемая ВЭУ;

ЦП, руб./кВт∙ч , – цена товаров промышленного производства региона, приходящаяся на единицу потребляемой электроэнергии.

193

8.1.2. Экономический эффект использования автономных ВЭУ и региональные факторы стоимости

Гораздо больший экономический эффект имеет создание автономных ВЭУ в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, хотя при этом возникают определенные трудности обеспечения их устойчивой работы в условиях быстрого изменения скорости ветра, а также возможных длительных периодов затишья. Потребности населения и хозяйства указанных регионов в электроэнергии весьма высоки, а стоимость традиционных видов топлива намного выше их стоимости в зонах централизованного получения и распределения энергии из-за транспортных расходов и потерь топлива при транспортировке. Исходя их этого, в стоимость топлива в регионе ЦТР включается региональный фактор rР:

где rР >1 и для различных регионов может изменять свою величину. В то же время удельная стоимость установленной мощности С почти не изменятся в сравнении с ЦТР . Поэтому при замене ЦТ на ЦТР в формулах (8.1), (8.7) рассчитываемый срок окупаемости автономных ВЭУ в зонах, удаленных от централизованных сетей, уменьшается, а экономический эффект возрастает пропорционально rР .

Необходимо также учитывать, что сегодня в России цены на энергоносители имеют нерегулярный характер, подвержены постоянному росту и неравномерности по регионам, прежде всего из-за условий транспортировки. Поэтому решение вопроса об экономической целесообразности и эффективности использования ВЭУ, как и установок других нетрадиционных видов энергии, сильно зависят от местных климатических, географических

исоциально-экономических условий.

Впредставленных выражениях, определяющих экономическую эффективность, не учитывается влияние вводимых ВЭУ на окружающую природу, на социальные условия жизни и деятельности человека, что в целом определяется как экологические условия. Возобновляемые источники энергии, по сравнению с традиционными, обладают важным преимуществом, заключенным в возможности обеспечения экологической чистоты вводимых установок, а в некоторых случаях – возможности улучшения экологической обстановки.

Одной из форм учета влияния вводимых источников энергии на экологию региона может быть введение в удельную стоимость получаемой энергии регионального экологического фактора источника rЭ, учитывающего относительные расходы на компенсацию вредных воздействий ввода единицы энергии того или иного источника в регионе. Если С – удельная

194

стоимость источника энергии в производстве, то удельная стоимость с учетом регионального экологического фактора СЭ выражается как

причем rЭ > 1 для источника, приводящего к ухудшению экологической обстановки в регионе, и rЭ < 1 – для источника, улучшающего экологическую обстановку в регионе; для одного и того же источника rЭ в различных регионах может изменять величину, становиться больше или меньше единицы. Аналогичное выражение существует и для стоимости электроэнергии от традиционных видов топлива с учетом ее регионального и экологического факторов:

где rТЭ – региональный фактор стоимости электроэнергии от традиционных видов топлив с учетом экологической обстановки в регионе.

Таким образом, с учетом регионально фактора стоимости топлива и регионального экологического фактора, срок окупаемости и экономический эффект использования ВЭУ в общем случае определяются выражениями:

Зависимость срока окупаемости ВЭУ ТОК от КИУМ К при современной стоимости установленной мощности СЭ = 1000 долл.США/ кВт и типичном значении нормы эксплуатационных издержек γ = 0,05 представлена в табл. 8.1 для значений стоимости электроэнергии от традиционных видов топлива ЦТРЭ .

Следует отметить, что экономический эффект (8.12) можно представить как сумму экономических эффектов j-х месяцев каждого года с длительностью Тj , ч/мес., средней мощностью NСР j , кВт, и потребностью производства Qj, кВт∙ч/мес., посредством выражений:

Е = NСР Т= ∑ = ∑ Т СР ; Q = ∑ . (8.13)

Эти выражения позволяют учесть относительный вклад месяцев в году в получение экономического эффекта и в покрытие соответствующих потребностей в энергии за счет ВЭУ.

195

Таблица 8.1 Срок окупаемости ветроэнергетических установок ТОК, год

Если в регионе функционируют М ВЭУ, то суммарный экономический эффект их использования ЭВ, руб., при общей потребности производства региона в электроэнергии QП , кВт/год, равен:

ЭВ =ЭМ = (ТСЛ – ТОК) ∙М ∙(Е ∙ ЦТРЭ – ИЭК) + ТСЛ QП (ЦП – ЦТРЭ). (8.14)

Поскольку обычно удельная цена производимых промышленных ценностей (или материальных и финансовых потерь из-за дефицита энергии) больше соответствующей стоимости топлива (а часто – много больше),

то экономический эффект использования энергии ВЭУ может оказаться очень значительным.

Экономический эффект растет с увеличением срока службы ТСЛ, а при ТСЛ <ТОК может оказаться отрицательным, что соответствует невыгодности применения установки.

8.1.3. Методика определения экономического потенциала ветровой энергии региона

Экономический потенциала ветровой энергии региона – это величина годового поступления электроэнергии в регионе от использования ВЭУ, получение которой экономически оправдано при существующем уровне цен на производство, транспортировку и потребление энергии и топлива и соблюдении экологических норм.

В соответствии с этим определением экономический потенциала ветровой энергии региона WЭ , кВт∙ч/год, представляет энергию, которая может быть выработана в год ветроэнергетическими установками при условии, что их экономический эффект положителен

196

При анализе выполнимости этого условия возможны два варианта. Вариант 1. Если срок службы ВЭУ больше или равен сроку ее оку-

паемости,

то в силу обычного условия (8.15) экономический эффект использования ВЭУ (8.14)является положительным при любом их числе. Это означает, что в данном случае целесообразно использовать максимально возможную мощность ветроэлектрических станций, так что экономический потенциал ветровой энергии оказывается совпадающим с техническим потенциалом

Вариант 2. Если срок службы ВЭУ меньше срока ее окупаемости,

то выполнение условия эффективности (8.16) соответствует следующему ограничению на полную мощность ветроэнергетических систем:

и одновременно, естественно,

Таким образом, в этом случае экономический потенциал соответствует наименьшей из двух представленных ниже величин.

Если срок службы близок к сроку окупаемости, точнее, если

то экономический потенциал, как и в варианте 1 , равен техническому потенциалу:

Если отличие срока службы от срока окупаемости значительно, то экономический потенциал определяется выражением:

197

и пренебрежении эксплуатационными издержками экономический потенциал дается оценкой

В различных зонах региона для ВЭУ даже одного типа могут выполняться различные условия определения экономического потенциала (8.17), (8.22) или (8.25), что в значительной мере зависит от ветровой обстановки. Соответственно этому значения экономических потенциалов зон определяются формулами (8.18), (8.24) или (8.26). Экономический потенциал региона равен их сумме.

Анализ данных по времени окупаемости ВЭУ, представленных в табл. 8.1, а также в существующей литературе, показывает, что условие (8.17) в реальных условиях может выполняться в зависимости от значений КИУМ установок К и региональной стоимости электроэнергии из традиционного топлива ЦТРЭ. С использованием выражений (8.3), (8.9), (8.11) условие (8.17) может быть представлено в виде

– коэффициент, определяющий область экономической целесообразности использования установки; Т = 8760 ч/год. Регионы, в которых выполняется условие (8.27), имеют экономический потенциал ветровой энергии, равный их техническому потенциалу. При этом должно учитываться ограничение К < 1, так что при КЭ > 1 условие (8.27), естественно, не выполняется.

Для типичных величин СЭ = 1000 долл. США/ кВт, γ = 0,05 1/год, ТСЛ = 10 лет, ЦТРЭ =0,04 долл. США/ кВт∙ч получается значение КЭ = 0,43.

Если условие (8.27) не выполняется, т. е.

198

то экономический потенциал ветровой энергии сохраняет значение (8.23) при достаточно больших К:

в промежуточной области значений К

экономический потенциал равен

а при малых К

экономический потенциал равен нулю:

Условие (8.33) означает, что стоимость энергии, производимой ВЭУ настолько большая, что создаваемые с ее помощью товары промышленного производства по стоимости не покрывают расходов на электроэнергию, т. е. использование установки нецелесообразно.

Таким образом, экономический потенциал ветровой энергии региона WЭ имеет растущую зависимость от КИУМ К, определяемую тремя параметрами: коэффициентом экономической целесообразности установки, экономическим параметром потребности промышленности региона в энергии QП / WТ, и ценовым параметром промышленного производства ЦП /

ЦТРЭ.

Общая потребность региона в электроэнергии QО представляет сумму потребности производства QП и бытовой потребности населения QБ:

где p, Вт/чел., – средняя норма потребления электроэнергии одним человеком в быту (освещение, радио, телефон, телевизор, водоснабжение, бытовые электроинструменты); NЧ – число людей в регионе, нуждающихся в обеспечении быта электроэнергией.

199

В соответствии с этим можно использовать введенное ранее понятие избытка экономического потенциала ветровой энергии региона WЭ, представляющего разницу между экономическим потенциалом и общей потребностью региона в электроэнергии:

Если WЭ > 0, то регион является экономически обоснованным потенциальным донором электроэнергии; если WЭ < 0, то регион является потенциально дефицитным по энергии.

8.1.4. Экономическая оценка эффективности рекомендуемого состава ветроэлектрической станции

В настоящее время за рубежом и в России проектируются и производятся промышленные ВЭУ мощностью от десятков киловатт до нескольких мегаватт. Стоимость ВЭУ изменяется в диапазоне 1–5 тыс. долларов за 1 кВт и зависит, прежде всего, от мощности и состава оборудования. Как правило, в наиболее дешевые базовые комплектации включена сама конструкция (башня, гондола, лопасти), а также электромеханическая часть с генератором и минимально необходимым оборудованием для выдачи электрической мощности.

ВЭУ большей удельной стоимости содержит аккумуляторы, развитые системы управления, обеспечивающие надежное и стабильное электроснабжение потребителей. Более дорогостоящие установки позволяют работать ВЭУ с другими энергоисточниками, например, ДЭС.

Несмотря на высокую стоимость ВЭУ, их применение для изолированных потребителей экономически эффективно. Использование энергокомплексов, состоящих из ВЭУ и ДЭС, для автономного электроснабжения потребителей позволяет сократить объемы завозимого дизельного топлива. Анализ имеющихся проектов сооружения ВЭУ подтверждает их рентабельность для электроснабжения потребителей в районах Крайнего Севера.

Другим перспективным направлением является использование ветровых станций для электро- и теплоснабжения в районах побережья Северного Ледовитого океана, где отопительный сезон совпадает со временем активных ветров.

Специального рассмотрения заслуживает использование ВЭУ для силовых и технологических нужд в системах дальнего транспорта нефти и природного газа от месторождений Севера с цель повышения экономичности и ресурсосбережения.

При оценке экономической целесообразности применения ВЭУ используется имитационная модель, разработанная в Институте систем энер-

200

гетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения РАН, в основу которой положен общепринятый метод технико-экономического сравнения альтернативных вариантов электроснабжения по суммарным приведенным затратам на их реализацию при условии обеспечения равного энергетического эффекта. Это может быть совместная работа существующей или новой ДЭС с ВЭУ с целью вытеснения части дорогостоящего дизельного топлива, либо полное замещение ДЭС [34].

Основные расчетные формулы выводятся из условия равноэкономичности двух конкурирующих схем электроснабжения:

ЗДЭС = ЗВЭУ + ЗДЭС ,

где ЗВЭУ, ЗДЭС, ЗДЭС приведенные затраты соответственно в варианты строительства ВЭУ и ДЭС.

Следует отметить, что величины приведенных затрат ЗДЭС и ЗДЭС различаются только топливной составляющей затрат, а именно числом часов использования установленной мощности. Разницу составляет величина выработки электроэнергии ВЭУ, которая определяет объемы вытеснения дизельного топлива:

ТДЭС NДЭС Т ДЭС NДЭС = ТВЭУ NВЭУ,

где ТДЭС и Т ДЭС число часов использования установленной мощности соответственно одной ДЭС и в режиме совместной работы с ВЭУ; ТВЭУ число часов использования установленной мощности ВЭУ; NДЭС, NВЭУ мощность соответственно ДЭС и ВЭУ.

При этом объем вытесненного дизельного топлива, влияющий на эффективность применения ВЭУ, вычисляется по формуле

ВТДЭС bТДЭС Т ВЭУ N ВЭУ ,

где bТДЭС удельный расход топлива на ДЭС.

Величина удельных капиталовложений в ВЭУ, полученная из условия равноэкономичности двух конкурирующих вариантов энергоснабжения (только ДЭС или ДЭС и ВЭУ) определяется как

где сТДЭС стоимость топлива для ДЭС; Е нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; НамВЭУ ,НпрочВЭУ доля отчислений от ка-

201