Разработка и исследование методов оценки эффективности использования возобновляемых источников энергии в экономике Республики Колумбия

Актуальность проблемы. Республика Колумбия расположена на северо-западе Южной Америки, в тропических широтах северного полушария. Она занимает площадь 1 141 748 км². В настоящее время население составляет около 44 миллионов человек. Административно Колумбия разделяется на 32 департамента и один столичный округ — Богота. В свою очередь департаменты разделяются на муниципалитеты.

Рельеф Колумбии весьма разнообразен. Выделяются равнинный юго-восток и север, покрытые лесами или саванной, горный запад, где хребты Анд чередуются с глубокими впадинами и на склонах гор выражены все высотные пояса — от гилей до вечных снегов. Меридиональная ориентация Кордильер определяет пять географических регионов: Тихоокеанский, Атлантический, Андский, Оринокия и Амазония. Каждый регион обладает своими географическими, климатологическими и топографическими особенностями. В то же время высота и ориентация Кордильер существенно влияют на распределение осадков, количества солнечных дней в году, на направление и скорость ветра во всех регионах Колумбии.

Уровень соцобеспечения в Андском и Атлантическом регионах в сравнении с другими регионами выше, в них население обеспечено электроэнергией с помощью объединенной энергетической системы (ОЭС). Остальные три региона, занимающие по площади больше половины территории страны, не имеют сегодня устойчивой и надежной связи с ОЭС Колумбии. Эти регионы в отличие от Андского и Атлантического характеризуются весьма низким уровнем социального развития, в том числе из-за ограниченного электроснабжения местного населения, живущего в небольших поселках, разбросанных по территории регионов. В настоящее время основной источник электроэнергии здесь — дизельные электростанции (ДЭС), работающие только по четыре часа в сутки на дорогом привозном топливе.

Экономика Колумбии растет на уровне среднемировых показателей и требует все больше и больше местных органических топливно-энергетических ресурсов, запасы которых составляют: для газа -20 лет, для нефти -30 лет и для угля -200 лет. Согласно с прогнозом государственного департамента планирования Колумбии, дизельное топливо необходимо будет импортировать уже с 2022 года.

Как сказано выше, в Колумбии есть регионы, занимающие большие территории, где уровень соцобеспечения очень низок из-за ограниченного времени выработки электроэнергии ДЭС в сутки, стоимость электроэнергии которых растет за счет роста затрат стоимости дизельного топлива и затрат на его транспортировку. В тот же время даже по предварительным экспертным оценкам указанные три региона обладают значительными ресурсами возобновляемых источников энергии (гидроэнергия, энергия ветра, солнца и т. д.). Однако системных оценок указанных ресурсов в стране еще не проводилось, хотя эти исследования становится все более и более актуальными.

С этой целью была предпринята разработка методического, информационного, математического и программного обеспечения для решения указанной выше задачи для наиболее остро нуждающегося в энергии типового региона и дальнейшего распространения и обобщения полученных результатов на остальные регионы Колумбии.

Среди регионов, изолированных от ОЭС, Тихоокеанский регион является наиболее населенным с жесткими социально-экологическими ограничениями. Он занимает одну пятую часть территории Колумбии, в нем находятся природные парки, которые накладывают очень жесткие социально-экологические ограничения, препятствующие строительству здесь традиционных ГЭС и ТЭС. В то же время по стратегическому плану развития Колумбии, Тихоокеанский регион имеет очень большие перспективы развития по следующим направлениям: туризм и рыболовство, переработка и хранение морских продуктов.

Цель диссертационной работы. Основной целью диссертационной работы является оценка эффективности использования ресурсов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электроснабжения характерного изолированного региона Колумбии с распространением полученных результатов на другие районы. При этом должны быть решены следующие задачи:

1. Исследовать современное состояние и перспективы развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) Республики Колумбии и оценить актуальность использования ВИЭ в энергетике.

2. Разработать современный метод расчета электрических нагрузок изолированных потребителей с учетом социально-экономических особенности страны.

3. Исследовать современные математические методы для оценки гидроэнергетического потенциала (ГЭП) малой гидроэнергетики (МГЭ) с учетом социально — экологических ограничений и выбрать наиболее перспективный метод для условий Колумбии.

4. Определить экономическую эффективность малой гидроэнергетики в условиях изолированных регионов Республики Колумбии.

Методы исследований. Исследования проводились на основе системного анализа с использованием методов математического программирования, методов теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы:

1. На основе системного анализа современного состояния и перспектив развития ТЭК Республики Колумбия обоснована актуальность и необходимость использования ресурсов ВИЭ и, в первую очередь — ресурсов малой гидроэнергетики в условиях изолированных регионов страны.

2. Впервые разработан и внедрен в практику энергетических расчетов в Колумбии метод расчета электрических нагрузок, учитывающий социально-экономические характеристики изолированных регионов и на его основе для условий Тихоокеанского региона Колумбии определены местные электрические нагрузки на уровне 2022 года.

3. Разработан современный метод оценки ГЭП МГЭ с учетом энергетических и экологических ограничений на базе созданной универсальной схемы речного бассейна и на его основе впервые оценены валовой и технико-экологический ГЭП МГЭ Тихоокеанского региона. На базе анализа и обобщения результатов выполненных расчетов по данному методу было дано определение «малая гидроэнергетика» применительно к условиям Колумбии.

4. На основе проведенных технико-экономических расчетов с учетом социально — экологических факторов доказана эффективность реализации схем электроснабжения изолированных регионов на основе использования низконапорных деривационных МГЭС «по — водотоку», оснащенных горизонтальными поперечно-струйными гидроагрегатами.

Практическая ценность: Результаты выполненных исследований предназначены для использования в экономике Колумбии с целью выбора оптимальных схем электроснабжения изолированного Тихоокеанского региона на базе МГЭС.

Разработанный метод оценки ГЭП с учетом энергетических и экологических ограничений на базе универсальной схемы речного бассейна позволяет более обосновано подходить к выбору схемы электроснабжения изолированных населенных пунктов на базе использования ресурсов малой гидроэнергетики.

Апробация работы: основные положения и результаты исследования по теме диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах, кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» МЭИ (ТУ), кафедры «Использование водной энергии» МГСУ и в географическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, в лаборатории «Возобновляемые источники энергии», а так же на девятой и десятой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов МЭИ (2003 — 2004г).

Публикация: по теме диссертационной работы опубликовано следующие печатные работы:

1. Ramiro Ortiz Florez. Modelo de empresa para el servicio de energia electrica en zonas no interconectadas. Revista «Energia y Computacion». Escuela de ingenieria electrica y electronica, Universidad del Valle. — 1995.

2. Ramiro Ortiz Florez. Empresa de energia para zonas aisladas. Seminario de Energias Renovables. Universidad de la Serena — Chile. — 1996.

3. Ramiro Ortiz Florez. Modernizacion de la planta de Rio Cali. Revista «Energia y Computacion». Escuela de ingenieria electrica y electronica, Universidad del Valle. 1996.

4. Ramiro Ortiz Florez. Pequenas Centrales Hidroelectricas. Bogota.: Mac GrawHill. 2001,357 p.

5. Ramiro Ortiz Florez. Evaluacion de los recursos energeticos renovables de la Costa Pacifica no interconectada. Revista «Mundo Electrico», Vol 17, No 53. pag 102−106.2003.

6. Ортис Ф. Р., Малинин H. К. Перспективы использования обратимых насосных агрегатов на малых ГЭС Колумбии. IX Международная конференция научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиотехника, электротехника и энергетика. Том Ш. Москва, 4−5 марта — 2003 г изд МЭИ. стр 315.

7. Ортис Ф. Р., Малинин Н. К. Малая гидроэнергетика Колумбии. X Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиотехника, электротехника и энергетика. Том III. Москва, 1−3 марта — 2004 г изд МЭИ. стр 286. 8. О. F. Ramiro у N. К. Malinin Evaluacion de los recursos hidroenergeticos en pequena escala. IEEE, Abril — 2004 (в печати).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы 149 страниц.

4.6, Выводы по четвертой главе.

1. В настоящее время благосостояние населения в регионах, удаленных от ОЭС при ограниченных запасах ископаемого энергетического топлива, напрямую зависит от выработки электроэнергии на базе местных возобновляемых энергоресурсов, так как они способны гарантировать обеспечение населения энергией с минимальным экологическим влиянием на окружающую среду. В частности для изолированного Тихоокеанского региона на базе МГЭС возможно обеспечение электроэнергией всего населения.

2. Анализ экономической эффективности применения МГЭС в условиях изолированных регионов должен учесть вклад в социальное развитие района и минимальное экологическое влияние на окружающую среду, вызванное использованием возобновляемого источника энергии.

3. В настоящее время в некоторых странах государственная поддержка для обеспечения электроэнергией изолированных районов осуществляется за счет экономического фонда сельского развития, созданного на базе налога за потребление электроэнергии в районах, подключенных к ОЭС, и социальных экономических ресурсов. Накопленные фондом сельского развития денежные средства предназначены для субсидирования строительства электрических станций, обеспечивающих большее число населения с минимальным экологическим влиянием на окружающую среду. В Колумбии в 2000 г. был создан фонд сельского развития на базе социальных экономических ресурсов и дополнительной оплаты за кВт. ч в районах, подключенных к ОЭС (0,0003 иБЗкВт. ч).

4. Особенность характеристики удельных капитальных вложений в МГЭС состоит в том, что они снижаются с ростом мощности при постоянном напоре или с ростом напора. Такая характеристика сильно меняется для МГЭС мощностью менее 1000 кВт с напором менее 10 метров.

5. В малой гидроэнергетике имеется возможность снижения удельных капиталовложений за счет унификации строительства и применения основного энергетического оборудования серийного производства. Эффект от внедрения унификации строительства и применения стандартного оборудования может снижать общие удельные капиталовложения до 25%.

6. Из мирового опыта известно, что снижение себестоимости электроэнергии, вырабатываемой МГЭС, возможно за счет унификации их строительства с применением основного энергетического оборудования серийного производства и/или увеличения среднегодовой выработки электроэнергии при подключении к ОЭС. В условиях изолированного Тихоокеанского региона себестоимость электроэнергии, выработанной унифицированными МГЭС мощностью более 1000 кВт с напорами — 20 метров для срока окупаемости — 18 лет, составляет 0,36 ШЗ/кВт.ч. и при их подключении к ОЭС составляет 0,03 иБ$/кВт.ч. Эти величины по отношению к себестоимости электроэнергии, выработанной ДЭС в течение 4 часа в сутки в изолированных условиях, ниже на 0,09 ТЛ8 $/кВт.ч, а по отношению к ОЭС выше на 0,01 ШЗ/кВт.ч. Эти результаты показывают что, МГЭС имеют больше преимущества по отношению к ДЭС в отдаленных или в изолированных регионах, требующих для подключения к ОЭС в конце линии источник электроэнергии для поддержания напряжения.

7. В изолированном регионе возможна унификация строительства МГЭС мощностью до 2000 кВт, при установке на каждой МГЭС максимум четырех горизонтальных агрегатов мощностью 500 кВт с поперечно — струйными турбинами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Обоснована актуальность и перспективность использования ВИЭ в Колумбии на основе анализа современного состояния топливно-энергетического комплекса и экономики страны в целом на период до 2022 г.

2. Разработан и внедрен в практику метод прогноза электрической нагрузки местных потребителей с учетом социально-экономических характеристик региона. На основе разработанного метода определены зависимости потребления электроэнергии по мощности и по энергии от количества пользователей.

3. Доказано, что исследованный изолированный регион Колумбии обладает значительным гидроэнергетическим потенциалом, способным обеспечить электроэнергией все населенные пункты с минимальным влиянием на окружающую среду.

4. Разработан современный метод расчета технико-экологического потенциала малой гидроэнергетики с учетом социально-экологических ограничений на базе использования универсальной схемы речного бассейна позволяет определить возможности унификации строительства МГЭС.

5. На основе результатов полученных в диссертации впервые обосновано понятие малой гидроэнергетики применительно к условиям изолированных регионов Колумбии.

6. Доказана экономическая эффективность использования для электроснабжения изолированных потребителей Тихоокеанского региона низконапорных деривационных МГЭС, работающих «по водотоку» и оснащенных серийными поперечно-струйными гидроагрегатами.

7. Выполненный в работы анализ экономической эффективности применения МГЭС показывает, что в изолированных регионах себестоимость электроэнергии, выработанной МГЭС ниже, чем на ДЭС, в случае подключения к ОЭС себестоимость находятся в пределах стоимости продажи электроэнергии в рыночных условиях.