Национальный исследовательский демонстрационно-испытательный центр в области возобновляемых и альтернативных источников энергии

Опытная площадка на территории Краснодарского края¹. Использование энергии солнца

В. И. Паршуков, директор ростовского филиала ФГБУ «Российское энергетическое агентство» Минэнерго России, генеральный директор ООО НПП «Донские технологии»

Э. Е. Блохин, канд. техн. наук, доцент кафедры «Физика и фотоника» ЮРГПУ (НПИ)

А. В. Рыжков, канд. техн. наук, старший научный сотрудник ООО НПП «Донские технологии»

Опытно-демонстрационная площадка Национального ДИЦ ВИЭ в Анапе

Создание крупнейшего (площадь порядка 800 га) российского туристско-рекреационного кластера (ТРК) мирового уровня «Новая Анапа» анонсировал Д. Н. Чернышенко, заместитель председателя Правительства РФ. Курорт будет находиться вблизи станицы Благовещенская. Этот проект по комплексному развитию курортной территории реализуется в рамках нацпроекта «Туризм и индустрия гостеприимства».

Рисунок 1. Станица Благовещенская и ТРК «Новая Анапа» на карте п-ва Тамань

По предварительным расчетам, общий объем инвестиций в ТРК составит порядка 250 млрд руб. В настоящий момент реализация проекта находится на стадии концептуального планирования. С помощью мер господдержки инвесторы получат льготные кредиты под 3–5 % на строительство туристической инфраструктуры.

Фактически кластер будет представлять из себя мини-город, в котором уместится все, что нужно для полноценного отдыха. Концепцию курорта называют «10-минутный город». В «Новой Анапе» создадут несколько зон для отдыха, прогулок, здоровья, спорта. Вся застройка будет выполнена в едином архитектурном стиле. На территории кластера построят более 50 гостиниц категорий 3–5 звезд, парки развлечений, океанариум, медицинский и спа-центры, детские спортивный центр и дизайн-центр, школы дайвинга, серфинга, кайтсерфинга, киноцентр и съемочные павильоны, театральную деревню и мини-университет, а также прочие сооружения³.

Рисунок 2. Потенциал использования ВИЭ в России (4)

Проект потребует организации надежного энергоснабжения, качественных систем отопления, вентиляции, кондиционирования и других систем жизнеобеспечения. Энергетические системы должны органично вписаться в лучшие архитектурные решения и отвечать требованиям безопасности функционирования объектов энергетики. По предварительным оценкам, энергоемкость проекта составит не менее 60 МВт. Вопрос: откуда взять необходимые мощности?

Рисунок 3. Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность на территории Краснодарского края (кВт·ч/ м2).

Энергоснабжение Краснодарского края

В Краснодарском крае функционирует более 130 субъектов электроэнергетики. Нагрузка на энергетическую систему ежегодно возрастает на 4 %, а потребности края на 40 % покрываются собственной энергией. При этом цены на электроэнергию по сравнению с другими регионами выше на 15–17 %, что объясняет низкую инвестпривлекательность края. Необходимо не только обеспечить энергией ТРК, но и повысить ресурс собственной генерации Краснодарского края.

Рисунок 4. Примеры плавучих СЭС в мире

Проблему энергодефицита в регионе пытаются решить путем строительства новой ТЭС «Ударная», которое ведет ООО «ВО «Технопромэкспорт» из ГК «Ростех». Проект проблемный, сложный, в ходе реализации подвергался значительным изменениям. В состав генерирующего оборудования станции войдет первая серийная отечественная газовая турбина средней мощности ГТД-110М производства «ОДК-Сатурн». Она создана на замену импортным энергетическим установкам, не имеет отечественных аналогов в своем классе, сравнима с газотурбинными установками производства General Electric и Siemens. Таким образом, на территории Краснодарского края фактически реализуется один из элементов Национальной сети демонстрационных площадок и полигонов для опытной эксплуатации создаваемого отечественного энергетического оборудования.

Рисунок 5. Плавучая СЭС СЭС ГК «Хевел» на водохранилище Нижне-Бурейской ГЭС

Мощность станции составит 560 МВт, из которых 70 % направят в Крым, а остальные 30 % останутся в Краснодарском крае. Ввод ТЭС планируется в декабре 2023 года. Общая стоимость проекта составит 55,4 млрд руб. Станция строится по механизму конкурентного отбора мощности новых генерирующих объектов (КОМ НГ). На всю вырабатываемую станцией энергию уже заключены договора поставки, и проблемы ТРК «Новая Анапа» здесь не учтены. Кроме того, за срыв сроков ввода ТЭС в эксплуатацию в 2021 году из-за отсутствия лимитов на газ и недопоставку энергии владелец уже должен выплатить 3,5 млрд руб. в виде штрафов [1]. Вывод: для энергоснабжения ТРК необходим свой собственный энергоцентр (ЭЦ), мощность которого должна позволять не только покрывать потребности ТРК, но и поставлять энергию в Анапу.

Рисунок 6. Водные пространства вокруг ст. Благовещенская

Учитывая ограничения на поставку газа, рассмотрим возможности возобновляемой и альтернативной энергетики. Природно-климатические ресурсы, ландшафт и характеристики территории, прилегающей к ТРК, позволяют построить здесь энергоцентр большой мощности. Его можно построить полностью на российских технологиях и оборудовании, а можно использовать лучшие мировые достижения.

Рисунок 7. Предлагаемые территории для реализации плавучей СЭС: 1 – в Кизилташком лимане; 2 – в Витязевском лимане

Гибридный энергоцентр

Гибридный энергоцентр представляет собой совокупность солнечных и ветровых электростанций, традиционной газовой генерации с элементами водородной энергетики, энергокомплекса по переработке отходов, других источников генерации, накопителей энергии и систем рекуперации, теплонасосных систем и установок получения холода, включая прочее энергетическое оборудование. Углеродное топливо при создании энергоцентра для ТРК «Новая Анапа» будет не главным. Газовая генерация на горизонте 30 лет не обеспечит безуглеродную энергетику. Что остается: ВИЭ, новые технологии, включая водородную, накопители энергии, прочие, пока малоизученные виды генерации. Что лучше – наверное, комбинированное использование различных видов генерации с возможностью их замены или модернизации в соответствии с новыми будущими требованиями. Что еще нужно – необходима комплексная система автоматизации работы различных видов генерации, порой плохо поддающихся точному регулированию и поддержанию необходимых параметров синхронизации.

Рисунок 8. Примеры экспериментальных плавучих СЭС

Энергоцентр должен будет обеспечить поступательное развитие ТРК на весь период деятельности. То есть в течение минимум 30 лет выбранные технологии должны будут соответствовать различным технологическим и экологическим требованиям, которые могут быть в этот период сформулированы, утверждены и предъявлены к энергоцентру как обязательные для выполнения. Следовательно, в процессе проектирования энергоцентра необходимо обеспечить полную углеродную нейтральность всех энергетических процессов при выработке энергии на горизонте 30 лет.

Рисунок 9. Примеры дизайна мини отелей и домов на воде

Плавучие солнечные электростанции – перспективное решение для Краснодарского края

Краснодарский край по своим природно-климатическим характеристикам является одним из самых привлекательных в России для развития генерации на основе ВИЭ. В крае сложился многолетний опыт практического использования солнечной энергии и геотермального тепла, ветро- и гидроэнергии, а также других энергоисточников. В регионе фиксируется высокая интенсивность солнечной радиации: продолжительность солнечного сияния здесь свыше 2 000 ч в год. На побережье Черного и Азовского морей количество солнечных дней составляет 260–280 в году (для сравнения: в Москве всего 29). Величина суммарной солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность в течение года, в среднем по региону составляет 1 200–1 400 кВт•ч/м² [3].

Рисунок 10. Медицинский и спортивный центр, примеры

По прогнозу консалтинговой компании IHS Markit, солнечная фотоэлектрическая энергетика в мире будет расти двузначными темпами и ее прирост в 2022 году впервые преодолеет барьер 200 ГВт (постоянного тока). Общий объем инвестиций в 2022 году составит не менее 170 млрд долл. США. Солнечная энергетика абсолютно безвредна для природы, но солнечные электростанции (СЭС) занимают большие площади плодородных земель, и это один из главных их недостатков.

Мировой тренд развития солнечной энергетики в настоящее время – строительство плавучих СЭС. У истоков плавучей солнечной энергетики стоят Япония и Китай, в Европе идею поддержала Великобритания. Концепция строить СЭС на воде только кажется экзотической, а на самом деле они гораздо эффективнее наземных и более экологичны. Воздействие солнца на воде в течение дня обычно более длительное, чем на суше; также вода обладает высокой отражающей способностью, поэтому станции вырабатывают больше электроэнергии. Солнечные панели на воде меньше подвержены запылению, что снижает эксплуатационные затраты. Кроме того, вода помогает охлаждать солнечные модули, что в сочетании с высоким уровнем инсоляции и правильным углом наклона делает их более эффективными. Водоемы, покрытые солнечными панелями, в меньшей мере подвержены цветению водорослей, так как последние не получают достаточного объема солнечного света для активного размножения.

Плавучие солнечные электростанции сегодня работают в Европе, Китае, США, Сингапуре, Индии и других местах. Во всем мире насчитываются десятки подобных сооружений. У плавучих солнечных установок большой потенциал, это направление набирает обороты во всем в мире, и Россия не является исключением. По оценкам международного агентства IRENA, подобные проекты действуют более чем в 60 странах, а их общая мощность в 2020 году достигла 2,6 ГВт [4].

Самая большая плавучая солнечная электростанция в мире мощностью 40 МВт находится в городе Хуайнань. В качестве водоема был использован заброшенный карьер площадью около 4 км², заполненный непригодной для использования водой. На площади 86 га расположились 160 тыс. плавучих платформ для солнечных батарей. За работой электростанции следят беспилотники.

Рисунок 11. Солнечные станции концентраторного типа (8)

В России пока действует лишь один подобный объект (1,3 МВт), возведенный летом 2020 года в Амурской области. Это действительно так, первый проект был реализован группой компаний «Хевел» и ПАО «РусГидро» на водохранилище Нижне-Бурейской ГЭС . В планах компании дальнейшее развитие данного направления.

Солнечные модули зафиксированы на специальных понтонных блоках. Гибкость системы обеспечивается за счет особой схемы соединения плавучих блоков и рассчитана на колебания водной поверхности различной амплитуды. Конструкция подбирается с учетом конкретных климатических условий и особенностей водоема. Дополнительное преимущество – мобильность: при необходимости СЭС может быть легко перемещена в любую другую точку водоема.

Поскольку ТРК «Новая Анапа» располагается на песчаной косе, которая омывается Черным морем и водами Кизилташского, Витязевского и Бугазского заливов, в их акватории можно разместить плавучие СЭС большой мощности.

Кизилташский лиман является крупнейшим на российском юге. Его длина достигает 18,5 км, ширина около 14 км. Площадь акватории 137 км². В лимане можно купаться, глубины здесь небольшие – до 1,5–2,5 м, этого хватает, чтобы поплавать. Соленость воды в водоеме в 2–3 раза выше, чем в Черном море, и примерно такая же, как в Средиземном море. Кизилташский лиман не значится в числе мест отдыха первой величины. Витязевский лиман располагается между Кизилташским лиманом и пос. Витязево в 18 км от центра Анапы. Площадь лимана составляет 64 км², его глубина достигает 2 м , средний показатель – 1,3 м, что совершенно не подходит для купания [5].

Небольшая глубина, отсутствие камней, скал и волн, постоянно дующий в одну сторону ветер создают идеальные технические и экономические условия для сооружения на лиманах СЭС общей мощностью до 300 МВт. Ее реальная мощность может быть уточнена в ходе балансовых расчетов мощностей всего энергоцентра и выполнения ТЭО.

Функциональные модули СЭС

Станция будет представлять набор островных модулей разной мощности, причем их строительство может осуществляться разными производителями оборудования. Необходимо предоставить такую возможность каждому крупному производителю из РФ. Это в первую очередь ГК «Хевел» и ГК ООО «Солар Системс». Отдельный модуль мощностью примерно 10 МВт можно планировать для установки оборудования малых и средних предприятий – разработчиков и изготовителей оборудования для солнечной энергетики. Важно предусмотреть место для испытательной лаборатории по оценке эффективности нового оборудования, создаваемого отечественными учеными в рамках реализации НИОКТР.

Также необходимо создание лаборатории по аттестации и сертификации производящегося на территории РФ оборудования для солнечной энергетики, а также всего ввозимого на рынок РФ импортного оборудования. Задача такой лаборатории – проверка оборудования на соответствие стандартам качества и выдача сертификата соответствия международного образца.

Сертификация производимого оборудования (модули, панели и т. п.) в России практически не осуществляется. В результате российский потребитель ничем не защищен от некачественного продукта. Российский потребитель (а это, как правило, граждане, малые и средние предприятия, которые приобретают оборудование для своих личных электростанций в рамках реализации программ развития) должен быть уверен в надлежащем его качестве и экономически защищен от недобросовестных поставщиков. Именно в этом и заключается государственное регулирование рынка товаров.

Отдельным элементом солнечной генерации станет распределенная энергосистема, встроенная в здания и сооружения ТРК. Современная архитектура, дизайнерское оформление территории, имеющиеся технические решения позволяют здесь реализовать практически любой проект. Привлекательно то, что проектирование зданий будет осуществляться с учетом возможных инженерных систем. Здание должно генерировать не менее 50 % необходимой энергии. Проекты премиум-класса могут обеспечить практически полную автономность, а отдельные проекты – стать активным зданием и поставлять энергию в общую локальную сеть.

Возможна реализация самых экзотичных проектов: комплекс мини-отелей на воде, плавучий дом, собственный катер на солнечных панелях... Аналогичные проекты могут быть предложены для спортивной и медицинской зон.

В качестве экспериментальных образцов возможно создание СЭС на основе разных технологий преобразования солнечного света и конструирования панелей, применение станций концентраторного типа, а также с позиционированием по положению солнца.

В общем энергетическом балансе распределенная солнечная генерация может составить до 25–30 % от всей требуемой ТРК энергии.

Углеродная нейтральность России, заявленная на самом высоком уровне, не может быть достигнута к 2060 году без реализации крупных показательных проектов международного уровня. Система энергоснабжения ТРК «Новая Анапа» на базе возобновляемых и альтернативных источников энергии должна стать именно таким проектом.

В следующем номере журнала «Энергосбережение» будут описаны перспективы Краснодарского края по использованию энергии ветра.

Литература

1. Neftegaz.RU. https://neftegaz.ru/news/Oborudovanie/696710-rostekh-zavershaet-stroitelstvo-osnovnykh-zdaniy-i-sooruzheniy-tes-udarnaya/.

2. Голубев С. В. к. т. н., АО «НИПОМ». Возобновляемые источники энергии в энергетике газовой отрасли. https://nipom.ru/blog/news/massmedia/vozobnovlyayemyye-istochniki-energii-v-energetike-gazovoy-otrasli-2/.

3. Бутузов В. А., Томаров Г. В., Амерханов Р. А. и др. Теплоэнергетическое использование солнечной энергии в Якутии. https://pandia.ru/text/77/348/71856.php.

4. https://zen.yandex.ru/media/str_rus/v-rossii-poka-odna-no-perspektivy-bolshie-plavuchie-solnechnye-elektrostancii-61587766ddd48340fb2ca1c0.

5. https://yugarf.ru/vityazevskiy-liman/.

6. https://yandex.ru/images/search?t солнечные %20станции концентраторного типа.

¹Публикация продолжает цикл статей по данной тематике (см. «Энергосбережение», 2021, № 2 и № 7).

²Согласно Распоряжению Правительства РФ от 1 июня 2021 года № 1447-р утвержден План мероприятий по реализации Энергетической стратегии РФ на период до 2035 года.

³Письмо мэра города Анапа от 13 декабря 2021 года № 103-07-14487/21.