Разработка ресурсного атласа возобновляемой энергетики Волгоградской области

Введение* В России объем инвестиций в электроэнергетику до 2030 г. составит 572-888 млрд дол. в ценах 2007 г. По данным аналитиков ASMARKET1NG, объём рынка основных технологий альтернативной энергетики в 2018 году, по сравнению с 2008 г., увеличится почти в 3 раза (при этом рост составит 64%). Рост рынка солнечной энергетики составит 63%.

Существующие электростанции в России изнашиваются. Ремонт и поддержание оборудования осуществляется за счет повышения тарифов на электроэнергию. Об этом говорит обзор тарифов цен на электроэнергию, произведенный Исполнительным Комитетом Электроэнергетического Совета СНГ. Средний тариф увеличился с 3,54 до 7,79 цент США/ кВт ч за период с 2006 по 2011 года. Активизируется строительство заводов по производству солнечных панелей. При участии РОСНАНО был построен завод поликремния группы “Нитол” в Иркутской области (3 800 тонн в год), строятся три крупных производства ФЭП и модулей общей мощностью более 300 МВт в год. В Новочебоксарске (Чувашия) завершается строительство крупнейшего в России завода по производству тонкопленочных солнечных модулей мощностью 130 МВт в год, начатое компанией «Хевел». Это значит, что в России в ближайшее время начнет работу свой крупный завод солнечной энергетики, что приведет к уменьшению стоимости на доставку оборудования, снижению временных затрат на доставку. Для строительства солнечных электростанций больше не будет необходимости платить таможенные пошлины при перевозке зарубежного оборудования, также будут уменьшены риски, связанные с недоброкачественным оборудованием.

В связи с развитием производства планируется ряд масштабных проектов по внедрению солнечных электростанций в России. По словам представителя завода «Хевел», для выработки 1 МВт солнеч ной электроэнергии требуется площадь 2-2,5 га. Компании уже выделены земли в Ставропольском крае (г. Кисловодск), завершаются работы по межеванию в Алтайском крае (с. Кош-Агач), получены предложения по участкам в Дагестане. Всего в 2012-2013 годах будут введены в эксплуатацию солнечные электростанции общей мощностью 70 МВт. Проекты солнечной генерации в России развивают несколько компаний, такие, как ЗАО «Телеком-СТВ», ООО «Солнечный ветер», ООО «Дагкрем-ний», ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов».

Однако использованию солнечной энергии мешает ряд проблем. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью. Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец, многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы и их экономическая рентабельность не доказана.

Однако при внедрении солнечной энергетики возникает информационный разрыв между существующим оборудованием на рынке и применяемыми технологиями. При внедрении солнечных технологий Россия сталкивается с рядом проблем:

• 1)    отсутствием специалистов в области строительства солнечных станций;

• 2)    низкой осведомленностью потенциальных заказчиков с технологией, рисками и низкой эффективностью инвестиционных проектов при строительстве солнечных электростанций;

• 3)    высокими временными затратами на подготовку проектной документации.

Главная проблема, с которой сталкиваются все инжиниринговые компании -

Вестник аграрной науки Дона это большие временные затраты на составление документации. Обработка заявки на проект может отнимать слишком много времени, что дает возможность клиенту уйти к конкурентам. Заказчики хотят в минимальные сроки иметь достаточную информацию для принятия решения о целесообразности установки солнечной электростанции и факторах, влияющих на это. Для того чтобы исключить перечисленные проблемы, необходима система, предоставляющая в короткие сроки наиболее подробную информацию о стоимости, окупаемости, структуре проекта.

Обзор аналогов. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (1RENA) совместно с компанией Масдар (Masdar), специализирующейся на возобновляемой энергии, 13 января 2013 года запустили первый в мире интерактивный он-лайн глобальный атлас мира по возобновляемым источникам энергии. В настоящее время атлас предлагает открытый доступ к информации потенциальных возобновляемых источников энергии по всему миру. На данный момент «Глобальный атлас» является крупнейшей из когда-либо созданных инициатив, оказывающей помощь странам в оценке их потенциала возобновляемых источников энергии, а также компаниям по сбору необходимых данных и карт от ведущих технических институтов и частных лиц по всему миру». Цель данной инициативы состоит в том, чтобы объединить программное обеспечение и инструменты, которые позволят пользователям рассчитать количество энергии, которое может быть получено из возобновляемых ресурсов, и оценить экономический потенциал строительства САЭ.

Планируется, что проект будет постепенно расширяться, чтобы стать настоящим он-лайн атласом возобновляемых источников энергии, в том числе гидроэлектроэнергии, биоэнергии и геотермальной энергии.

Проект направлен как на государственный, так и на частный сектор, на пользователей, которые могут быть политиками или частными компаниями, заинте- ресованными в поддержке или инвестировании возобновляемых источников энергии.

В настоящее время 39 стран заявили о своей поддержке проекта, в том числе, Египет, Эфиопия, Ирак, Мексика, Нигерия, Перу, Саудовская Аравия, Сейшельские острова, ЮАР и Объединенные Арабские Эмираты.

Страны-участники могут обмениваться данными, количеством рабочей силы и опытом. Информация, содержащаяся в атласе, поступает от поставщиков данных со всего мира. На текущий момент уже доступны солнечные карты для Африки, Азии, Европы и Латинской Америки.

Особенно стоит отметить, что в интерактивном атласе Россия - пока белое пятно. При этом, по оценке Международного энергетического агентства (МЭА), технический потенциал возобновляемых источников энергии у РФ в пять раз превышает годовое потребление первичных энергоресурсов страны, а экономический -способен обеспечить ежегодные энергетические потребности российской экономики на треть. Реалии же российской возобновляемой энергетики не очень впечатляющи на фоне большинства стран. В России только 1% энергии вырабатывается возобновляемыми источниками. К 2020 году запланировано увеличить эту долю лишь до 4,5%, при том, что потенциал возобновляемой энергетики в России огромен.

Таким образом, настоящее исследование является актуальным, так как данные о состоянии возобновляемых источников энергии в РФ повысят привлекательность строительства САЭ для частных инвесторов.

Решение. Целью настоящего исследования является повышение эффективности методик предпроектного исследования местности, необходимых для оценки экономической эффективности внедрения объектов альтернативной энергетики и их потенциала, а также энергетической эффективности за счет совершенствования технологии сбора метеорологических данных - обработки, консолидации, оценки качества данных, разработки методов по- строения солнечного и ветряного атласа, методов технико-экономического обоснования строительства САЭ.

Первая задача связана с разработкой концепции архитектуры ресурсного атласа альтернативной энергетики. Для реализации данной задачи предполагается использовать современные подходы сбора, обработки и отображения информации.

В качестве средства измерения используется существующая метрологическая станция, являющаяся частью проекта «Ледяной щит». Системы проекта ледяного щита установлены на ЛЭП, принадлежащих компании МРСК ЮГА, представляют собой промышленный компьютер, способный функционировать в экстремальных условиях с подключенными к нему метеорологическими устройствами: датчиком натяжения проводов, датчиком температуры, датчиком влажности, датчиком скорости и направления ветра, GSM-передатчиком, передающей антенной и аккумулятором. Система устанавливается на линиях ЛЭП МРСК ЮГА К настоящему времени система эксплуатируется 2 года. Связь с сервером осуществляется по каналам 4G.

На данный момент планируется внести изменения в рабочий проект метеорологической станции «Ледяной щит», который позволит использовать подобные станции также для измерения солнечной радиации. Будут проведены испытания, связанные с эксплуатацией данной системы вместе с пиранометром, а также выявлены условия, в которых ухудшается качество данных из-за внешних воздействий (например, уменьшение солнечной радиации из-за избыточных осадков или уменьшение прозрачности защитного корпуса измерительных инструментов, связанные с условиями эксплуатации).

Серверная часть должна иметь распределенную архитектуру с возможностью дублирования измеренных данных для их сохранности, организации хранилища данных, обеспечивающей минимальное время доступа и получения данных для последующей обработки, адаптации моделей и методов статистического анализа и машинно го обучения для обработки метеорологических данных, а также механизмы защиты информации от несанкционированного доступа (безопасность данных).

Исходя из приведенных требований предлагается разработать новую концепцию архитектуры интеллектуальной системы энергетического менеджмента. Для реализации концепции будут использованы подходы организации потоков данных на основе технологий обработки очередей данных: RabbitMQ, Streaminsight, IronMQ, Flume.

Главным отличием от существующих подходов является использование как реляционных баз данных, используемых для быстрого доступа к данным, так и нереляционных БД, необходимых для хранения данных с дополнительной предварительной обработкой и их оценкой качества. За счет этого достигается быстрый доступ к данным для их применения в алгоритмах машинного обучения в режиме реального времени.

При реализации хранилища структурированных данных предполагается использовать архитектуру транзакционных баз данных на основе базы данных MSSQL. В качестве неструктурированных данных предполагается использовать технологии NoSQL организации данных, с использованием соответствующих СУБД (например, MongoDB), распределенной файловой системы Hadoop (HDFS) и распределенной базы данных HBase.

Вторая задача - определение значимых факторов, влияющих на стоимость строительства и энергоэффективность функционирования станций альтернативной энергетики.

На данном этапе следует определить: 1) необходимость дублирования системы измерений для выявления аномалий, связанных с увеличением погрешности измерения данных солнечной радиации, а также оптимальное расстояние между метеорологическими станциями; 2) дополнительные параметры, потенциально влияющие на эффективность солнечной радиации, такие как градусо-дни, эффективная температура, определение влияния температуры солнечной панели на ее КПД и т.д., устойчивость солнечных панелей к ветровым нагрузкам; 3) минимальный необходимый набор параметров, позволяющих оценить перспективность строительства станций САЭ.

Третья задача - разработка алгоритмов обработки метеорологических данных и выявление потенциала автоматизации рутинных операций, а именно: расчета энергетического потенциала земельных участков и создания метода составления картографической и метеорологической базы данных по участкам, перспективным для САЭ, улучшение методики выдачи согласований на технологическое присоединение САЭ к сетям ЛЭП, методы оценки окупаемости САЭ при написании техникоэкономического обоснования, разработка методов определения рисков, связанных с метеорологическими условиями, связанными со строительством САЭ.

На данном этапе будет составлена когнитивная карта зависимости внешних факторов, влияющих на энергетическую эффективность солнечных станций. Данные факторы могут относиться как к особенностям местности, в которой планируется установка станции, так и к особенностям реализации самой станции.

К особенностям местности относятся: широта и долгота, время года, облачность, болотистость местности.

К особенностям станции относятся: тип солнечных панелей (монокристалличе ская, поликристаллическая, пленочная), расположение (угол наклона, наличие объектов, отбрасывающих тень, наличие охлаждения местности.

К финансовым характеристикам относятся: стоимость инвестиций, время окупаемости и связанный капитал, необходимый для поддержания станции в работоспособном состоянии.

Целевыми искомыми параметрами оценки окупаемости являются: площадь создаваемой станции, стоимость инвестиций, количество производимой энергии в течение года, а также показатели окупаемости инвестиционных проектов, стоимость установки оборудования (стоимость модулей, крепежного оборудования, инверторов и проводов, перевозки и монтирования), а также стоимость обслуживания с расчетом стоимости одного киловатт-часа произведенной энергии. Предполагается развивать базу данных оборудования, позволяющую производить поиск оптимального оборудования при строительстве станций САЭ.

Реализация. Планируется установить пиранометры на 90 существующих метрологических станциях, размещенных вдоль линий электропередач, а также на 18 высокоточных станциях в области. Карта установок приведена на рисунке 1.

Рисунок I - Карта установок метеорологических станций 70

Данные метрологические станции используются МСК-ЮГА для защиты от разрывов своих линий электропередач из-за обледенения. Схема и внешний вид метеорологической станции изображены на рисунках 2-4.

Рисунок 2 - Принципиальная схема метеорологической станции

Рисунок 3 - Метеорологическая станция: вид изнутри

Рисунок 4 - Установка метеорологической станции на линиях электропередач

Выводы. Данное исследование является новым и может внести вклад в позиционирование Волгоградской области как лидера в области альтернативной энергетики. Предложенная методика универсальна и может быть легко перенесена на регионы с высоким потенциалом возобновляемой энергетики.

Проект направлен как на государственный, так и на частный сектор, на пользователей, которые могут быть политиками или частными компаниями, заинтересованными в поддержке или инвестировании возобновляемых источников энергии.