ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА В КАЗАХСТАНЕ: ВОЗМОЖНОСТИ И ПРОБЛЕМЫ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИЕ ЕЕ РАЗВИТИЮ

АННОТАЦИЯ

В статье проводится анализ ветроэнергетики в Казахстане. Изучены проблемы, вызванные зависимостью страны от ископаемых источников энергии, таких как газ, нефть и уголь. Альтернативные источники энергии могут стать перспективным дополнением к первичным энергоресурсам Казахстана. Приведены несколько причин, по которым энергетическому сектору страны целесообразно стимулировать развитие альтернативных источник энергии. Через оценку ветрового потенциала страны показана перспективность ветроэнергетик. Проведен анализ факторов, препятствующих развитию ветровой энергетики страны.

ABSTRACT

The article analyzes wind energy in Kazakhstan. The problems caused by the country's dependence on fossil energy sources such as gas, oil and coal are studied. Alternative energy sources can be a promising addition to Kazakhstan's primary energy resources. Several reasons are given for the country's energy sector to encourage the development of alternative energy sources. Through an assessment of the wind potential of the country is shown promising wind energy. The analysis of factors hindering the development of wind energy of the country.

Ключевые слова: Энергия, Казахстан, Альтернативные источники энергии, Ветряная энергия, Ветроэлектрические установки.

Keywords: Energy, Kazakhstan, Alternative energy sources, Wind energy, Wind power plants.

Введение

Национальная система энергетики состоит из 3 территориальных зон: Северной, Южной и Южной. В северной зоне находятся гидроэлектростанции и теплоэлектростанции на угле. Западная зона зависит от огромных запасов нефти и газа в этом регионе. Южная же часть не имеет столько крупных источников энергии, как остальные зоны, и поэтому импортирует недостаток энергии с остальных зон. Соотношение вырабатываемой энергии примерно таково: 65% всей энергии приходится на Северную зону, 20% на Южную и 15% на Западную [1].

Энергетический сектор ответственен за 87% всех выбросов газа. Сгорание топлива – один из основных причин парникового эффекта для Казахстана [2]. Также, загрязнение вызвано низким качеством угля и недостатком оборудования для очистки пород в тепловых электростанциях (ТЭС). А продукты горения топлива, такие как диоксид углерода, метан, а также оксиды азота, являются основным источником загрязнения атмосферы Земли. Наибольшим источником парниковых газов (ПГ) являются выбросы диоксида углерода, 75% которых выделяются угольными электростанциями [3]. Приблизительная оценка экономического ущерба от загрязнения окружающей среды только угольной энергетикой составляет в Казахстане порядка $3,4 млрд. в год.

В силу значимости ТЭК, и в особенности добычи и экспорта нефти, для экономики в целом, резкое падение цен на нефть на международных рынках будет оказывать существенное влияние на экономические показатели. Так, в 2020 г. в результате падения цен на нефть темпы роста ВВП впервые упали, снизившись на 2.6% [4]. В более долгосрочной перспективе, после вышеупомянутого начального восстановления, ожидается постепенное естественное замедление экономического роста с течением времени по мере расширения масштабов экономики. В этой связи ожидается снижение годовых темпов роста ВВП до порядка 2,5% в 2030‑х гг., при этом среднегодовые темпы роста в течение всего периода с 2021 г. по 2040 г. составят 3,3%. [5]

Традиционно сложилось, что многие регионы Казахстана зависят от поставок электроэнергии из центральной части Казахстана, на транспортировку которой требуются значительные затраты. Использование местных источников энергии сокращает общие затраты на удовлетворение потребностей в энергии за счет сокращения капитальных вложений в развитие инфраструктуры электрических сетей, потерь электроэнергии при транспорте [6].

Таким образом, несколько факторов провоцируют необходимость развития альтернативной энергетики в Казахстане: это

-парниковый эффект, вызываемый работой ТЭС.

-создание местных источников энергии

-диверсификация энергетического сектора Казахстана

Казахстан является источником огромного запаса ветровой энергии. Особенно сильные ветра наблюдаются близь Каспийского моря, в степях и ущельях гор. На большей части территории скорость ветра достигает до 20-35 м/с весной и осенью [7]. А оцениваемый ветровой потенциал составляет 1820 млрд. кВт*час [8].

Поэтому среди возобновляемых источников энергии, ветровая энергетика может стать перспективным направлением. Оценить ветровой потенциал страны можно с помощью ветрового атласа, который показывает распределение скоростей ветра в разных регионах по высоте (Рисунок 1):

-

Рисунок 1. Ветровой Атлас Казахстана [9]

Мотивы использования ветроэнергетики: - повсеместно распространенный возобновляемый энергетический ресурс; - развитый мировой рынок оборудования и сервиса; - стоимость электроэнергии от ВЭС сопоставима с традиционной энергетикой [10]; - поддержка энергетической безопасности и независимости; - вклад в выполнение международных обязательств по сокращению выбросов парниковых газов (ПГ); - наличие возможностей для привлечения финансовой поддержки проектов.

Объект исследования: ветроэлектрические установки (ВЭУ)

Предмет исследования: проблемы, препятствующие установке ветрогенераторов в определенных регионах страны

Материалы и методы: для рассмотрения специфики выработки электроэнергии в Казахстане, территория страны была разделена на 3 региона.

Рисунок 2 . Энерго-вырабатывающие регионы Казахстана

Проблема состоит в рассмотрении возможности установки ветровых установок в данных регионах. Скорость ветра в регионе будет являться основополагающим фактором, определяющим местоположение ветряной электростанции. Однако, оценить скорость ветра является комплексной задачей из-за смены направления ветра, и флуктуациях в энергии и плотности ветра. Поэтому в первую очередь рассматривались высоты от 50 до 100 м. А среднегодовая скорость ветра оценивалась через Атлас Казахстана – программу, использующую распределение Вейбулла для оценки скорости ветра.

1)Распределение Вейбулла это двухпараметрическое уравнение, имеющее вид:

                                                                          (1)

Где:

вероятность достижения скорости

 -среднегодовая скорость ветра, м/с

k- параметр формы k = 1.6 3.0

c- параметр масштаба,

Постоянные k и c зависят от распределения скорости ветра в выбранной локации

2)Зависимость скорости ветра от высоты:

Скорость ветра зависит от высоты. Следовательно, необходимо дополнительное уравнение, которое бы задавало зависимость скорости ветра от высоты, и позволяло тем самым оценить скорость на выбранном расстоянии от земли. Наиболее используемое уравнение приведено ниже:

                                                                                  (2)

Здесь  и  – это средние скорости ветра на высотах и  соответственно, а m- безразмерный коэффициент, зависящий от турбулентности и особенностей рельефа местности.

3)Оценка скорости ветра

Для оценки вырабатываемой мощности ветровых установок использовались следующие уравнения

                                                  (3)

где  – это расчетная мощность установки,  -входная скорость ветра, ,  - выходная скорость ветра.

Результаты и обсуждения:

Для оценки вырабатываемой мощности предполагается, что будет установлена ветровая электростанция с установленной мощностью 300МВт (100 ветрогенераторов по 3 МВт) в каждой из рассматриваемых местностей. Так как местностей, в которых оценивается выработка электроэнергии всего 9, то общая мощность будет составлять 2700 МВт (300МВт *9). В качестве примера был взят ветрогенератор V90- 3МВт

Таблица 1

Технические характеристики ветрогенератора V90- 3МВт

Оценка выработки электроэнергии от ветра приведена в таблице 2. В этой таблице, частота появления ветра – это количество времени за выбранный период (12 месяцев), в которое ветрогенератор может вырабатывать электроэнергию. Другими словами, это время, в которое скорость ветра находится в пределах от 3.5 м/с (входная скорость ветра) до 25 м/с (выходная мощность)

Таблица 2.

Оценка выработки электроэнергии от ветра [11]

Перед ветроэнергетикой стоят те же задачи, что и перед другими видами электростанций на альтернативных источниках энергии. Прежде всего, это валютный риск, стабилизация законодательства, развитие местного содержания и малой генерации. Есть и свои нюансы, например, необходимость измерения ветрового потенциала определенного региона перед началом реализации проекта, сложная логистика, непростые установочные и пусконаладочные работы. 

Проблемы, которые в данный момент препятствуют развитию ветровой энергетики это:

1)Проблемы, связанные со структурой энергетического сектора

2) Проблемы с законодательством

3) Организационные и эксплуатационные риски

Проблемы, связанные со структурой энергетического сектора – уголь является основным источником энергии в этом секторе. Так, запас ресурсов Казахстана оценивается в 75 миллиардов тонн, с текущим темпом (100 миллионов тонн в год), этих запасов хватит еще на 750 лет. На данный момент, цена за 1 тонну угля (включая затраты на транспортировку), составляют 5-15 $ [13]. Таким образом, для ветроэнергетики трудно соревноваться с теплоэлектростанциями на углях. В добавок, малые тарифы на электричество не способствуют появлению частных инвестиций в технологии возобновляемой энергетики. Как один из способов, рост цен на электричество может поспособствовать развитию альтернативных источников энергии. Субсидирование зеленой энергетики со стороны государства позволит ветровой энергетике конкурировать с традиционными источниками энергии.

Рисунок 3. Сравнение цен на электроэнергию в некоторых странах [13]

Проблемы, связанные с законодательством – в 2009 вышел Закон об использовании возобновляемых источников энергии.  Основная цель этого закона – сделать проекты по возобновляемым источникам энергии более привлекательным для частных инвесторов, путем предоставления земель, гарантирования подсоединения станций к общей цепи электропитания. Однако государству следует принять более решительные меры для инициации инвестиций- через налоговые кредиты и агрессивные стандарты, которые бы позволили генерировать значительную часть электроэнергии от возобновляемых источников.

Организационные и эксплуатационные риски – каждая потенциальная ветряная электростанция может иметь свои организационный и эксплуатационные риски. Нижеприведенная таблица содержит перечень возможных проблем:

Таблица 3.

Возможные операционные и эксплуатационные риски [14].

В частности, обледенение и эрозия могут повлиять на производительность ветряных турбин, и подвергнуть риску человека. Сейсмостойкие башни могут помочь с землетрясениями. А предотвратить обледенение некоторых частей ветрогенератора могут электрические нагреватели, установленные в наиболее уязвимых местах, а также специальные тефлоновые покрытия для лопастей. Однако подобные меры ведут к дополнительным затратам.

Выводы:

На данный момент ископаемое топливо, такое как нефть, газ и уголь является доминирующим источником энергии в энергетическом секторе страны.  Однако в скором времени такое распределение выработки электроэнергии имеет свои проблемы, например огромные выбросы углекислого газа, ведущие к загрязнению атмосферы и централизация электрогенерирующих станций. Смещение энергетического сектора в сторону возобновляемых источников является одним из способов решения этих проблем. Казахстан обладает огромным потенциалом для ветроэнергетики, которая на данный момент еще слабо развита в стране. Опираясь на оценку ветряного потенциала, локации условно можно разделить на 3 группы:

- Места с наибольшим потенциалом, при средней скорости ветра выше 8 м/с и частотой появления ветра около 0,90 (Ерментау, Форт Шевченко, Шелек)

- Места со средней скоростью ветра выше 7 м/с и частотой появления ветра 0,8 (Астана, Карабатан, Аркалык, Жузымдык)

- Места с меньшим ветровым потенциалом, по сравнению с остальными (Каркаралы и Кордай).

Характеристики ветра в этих регионах позволяют построить ветряные электростанции, выгодные с коммерческой точки зрения. Однако на данный момент энергетический сектор еще не готов перейти на возобновляемые источники энергии, так как сильно зависит от горючего топлива. А государство не прилагает достаточно усилий для мотивации перехода на альтернативные источники энергии. Также, существуют некоторые сложности в установке и обслуживания ветровых установок из-за условий окружающей среды.

Список литературы:

1. И. Данилов, Е. Корнеев, Б. Посягин, Энергетический баланс ведущих стран мира. Роль и место энергетического комплекса ЕврАзЭС- М., Наука. -2009. – 198 с.
2. Steen, M. Greenhouse Gas Emissions from Fossil Fuel Fired Power Generation Systems//Institute for Advanced Materials.- Seville, Spain.- 2001.- P. 61
3. Zakhidov, R.A. Central Asian Countries Energy System and Role of Renewable Energy Sources//Sol. Energy. -2008.-№ 44.- с. 218–223.
4. Marat Karatayev, Michèle L. Clarke, Current Energy Resources in Kazakhstan and the Future Potential of Renewables: A Review. -Energy Procedia. -V. 59.- 2014.- P. 97-104
5. Vakhguelt, A. Renewable Energy Potential of Kazakhstan//Defect and Diffusion Forum. -vol. 379.- Trans Tech Publications, Ltd.-2017.- pp. 189–194.
6. Akpinar E.K., Akpinar S., 2004, An Assessment on Seasonal Analysis of Wind Energy Characteristics and Wind Turbine Characteristics//Energy Conversion and Management. – 2005. -№46.- p. 1848-1867.
7. Cochran J., Kazakhstan’s Potential for Wind and Concentrated Solar Power//Kazakhstan Institute of Management Economics and Strategic Research. -Kazakhstan, Almaty. -2008.- P. 3-5
8. Babazhanova, Z., Khambar, B., Yessenbekova, A., Sartanova, N., & Jandossova, F. New Energy System in the Republic of Kazakhstan: Exploring the Possibility of Creating and Mechanisms of Implementing. -International Journal of Energy Economics and Policy. – 2017.-№ 7.-p. 164–170
9. Атлас энергии ветра. [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. –Режим доступа: https://globalwindatlas.info/area/Kazakhstan
10. Coronel, A.L.; Rozhkov, D.; Al-Eyd, A.; Raman, N. Republic of Kazakhstan: Selected Issues//International Monetary Fund: Washington DC. -USA. -2011- p. 55-56
11. Тусипбекова Г., 2001, Ветер//Казахская национальная энциклопедия. - Т. 3.- Алматы. -2001.-с. 630-631.
12. Akhmetov A., Uchiyama, Y. Okajima, K.  - Wind Power Development in Kazakhstan: Potential and Obstacles// The International Conference on Electrical Engineering. -2011.- p. 3-4
13. Hetzer, J.; Yu, D.C. An Economic Dispatch Model Incorporating Wind Power. IEEE Trans. Energy Convers. – 2008.-№ 23- с. 603–611.
14. Дробышев, А.; Балтаханова, А. Перспективы и проблемы развития ветроэнергетики в Казахстане//Казахская академия транспорта и коммуникаций им.М. Тынышпаева – 2017. - Алматы, Казахстан. –№3.- с. 176-171