Развитие ветроэнергетики в Казахстане



В представленной научной статье проанализировано текущее состояние ветроэнергетики в Казахстане. Особенное внимание уделено изучению проблем, вытекающих из зависимости страны от ископаемых ресурсов, таких как газ, нефть и уголь, в качестве основных источников энергии. Тем не менее, потенциальные альтернативные источники энергии способны эффективно дополнять текущие энергетические ресурсы страны. В работе приведены аргументы, подчеркивающие важность развития альтернативных источников энергии в энергетическом секторе Казахстана. Также была выполнена аналитика потенциала ветровой энергии в Казахстане с целью выявления перспектив дальнейшего прогресса в области ветроэнергетики. Кроме того, был проведён анализ факторов, препятствующих расширению применения ветровой энергии в Казахстане.

Ключевые слова: энергия, ветроэнергетика, Казахстан, ветроэлектрические установки

The presented scientific article analyzes the current state of wind energy in Kazakhstan. Particular attention is paid to the study of problems arising from the country's dependence on fossil resources such as gas, oil and coal as the main sources of energy. However, potential alternative energy sources can effectively complement the country's current energy resources. The work presents arguments emphasizing the importance of the development of alternative energy sources in the energy sector of Kazakhstan. An analysis of the wind energy potential in Kazakhstan was also carried out in order to identify prospects for further progress in the field of wind energy. In addition, an analysis was carried out of the factors hindering the expansion of the use of wind energy in Kazakhstan.

Keywords: energy, wind energy, Kazakhstan, wind power plants.

Структура национальной энергетической системы Казахстана охватывает три географические зоны: Северную, Южную и Западную. Гидроэлектростанции и угольные теплоэлектростанции являются основными элементами энергетической инфраструктуры в Северном регионе. Энергетическая зависимость Западного региона обусловлена обильными запасами нефти и природного газа. Южная территория нации лишена существенных ресурсов энергии, которые обычно присущи другим географическим зонам, и вынуждена корректировать свой энергетический недостаток путем импорта из других регионов. Распределение производимой энергии в национальной системе приблизительно следующее: 65 % общего объема поступает из Северного региона, 20 % — из Южного региона, и 15 % — из Западного региона [1]. В области энергетики регистрируется значительное количество выбросов газов. Доля этих выбросов, приходящаяся на энергетический сектор, составляет 87 % от общего объема. Сжигание топлива стоит в числе ведущих факторов, вызывающих парниковый эффект в Казахстане [2].

Низкое качество угля и отсутствие оборудования для очистки выбросов при сжигании топлива являются основными причинами загрязнения воздуха. Угольные электростанции ответственны за большую часть выбросов парниковых газов, особенно углекислого газа. Экономический ущерб от загрязнения, особенно угольной энергетикой, оценивается примерно в 3,4 миллиарда долларов в год. Экономика страны сильно зависит от нефтяной отрасли, и колебания цен на нефть сказываются на ее показателях. Прогнозируется замедление экономического роста в долгосрочной перспективе. Местные источники энергии могут сократить затраты на транспортировку электроэнергии из центральных частей страны.

Дополнительно, в 2020 году в результате снижения цен на нефть темпы роста ВВП впервые снизились на 2,6 % [4]. Прогнозируется снижение годовых темпов роста ВВП до примерно 2,5 % в 2030-х годах, тогда как среднегодовые темпы роста за весь период с 2021 по 2040 годы составят 3,3 % [5]. Ряд аспектов выделяет значимость продвижения альтернативных источников энергии в Казахстане: парниковый эффект от тепловых электростанций, местные источники энергии, диверсификация сектора. Казахстан обладает значительным потенциалом ветровой энергии, особенно в прибрежных зонах Каспийского моря, степях и горных ущельях, где скорость ветра весной и осенью может достигать 20–35 м/с [7]. Прогнозируемый потенциал ветра составляет 1820 миллиардов кВтч.

Следовательно, среди возобновляемых источников энергии ветроэнергетика представляет перспективное направление. Оценка ветрового потенциала страны осуществляется через ветровой атлас, отображающий скорость ветра в различных регионах на разных высотах [7]. Мотивы использования ветроэнергии включают:

– Всеобщее применение возобновляемых источников энергии;

– Развитый мировой рынок оборудования и услуг;

– Конкурентоспособная стоимость электроэнергии, произведенной ветряными электростанциями;

– Поддержка энергетической безопасности и независимости;

– Содействие выполнению международных обязательств по сокращению выбросов парниковых газов;

– Возможность привлечения финансовой поддержки проектов.

Объектом исследования выступают ветроэлектростанции (ВЭС), при этом темой исследования являются препятствия, мешающие развертыванию ветрогенераторов в определенных районах Казахстана. Для анализа особенностей производства электроэнергии в стране территория была разбита на три региона.

Для анализа возможности установки ветряных турбин на указанных территориях определялись высоты от 50 до 100 м. Среднегодовая скорость ветра оценивалась с помощью программы «Атлас Казахстана», использующей распределение Вейбулла.

1) Распределение Вейбулла представляет собой двухпараметрическое уравнение вида:

Здесь - вероятность скорости

— среднегодовая скорость ветра, м / с

— параметр формы

- параметрі масштаба

и константы зависят от распределения скорости ветра в выбранном месте

2) Зависимость скорости ветра от высоты является ключевым аспектом. Для оценки скорости на определенной высоте необходимо использовать соответствующее уравнение, учитывающее эту зависимость. Одним из наиболее распространенных уравнений является следующее:

Здесь и это средняя скорость ветра на высоте и соответственно, — безразмерный коэффициент, зависящий от турбулентности и особенностей местности.

3) Оценка скорости ветра

Для оценки выходной мощности ветрогенераторов применяются следующие уравнения.

это расчетная мощность агрегата, скорость ветра, расчетная скорость ветра, скорость ветра.

Результаты и обсуждение:

Для оценки выработанной мощности предполагается установка ветряных электростанций в каждом из рассматриваемых населенных пунктов с установленной мощностью 300 МВт (100 ветрогенераторов по 3 МВт каждый). При учете 9 населенных пунктов, где производится электроэнергия, общая мощность составляет 2700 МВт (300 МВт * 9). В качестве иллюстративного примера использовался ветрогенератор. Например,В90–3МВт.

Таблица 1

Технические характеристики ветрогенератора V90–3mw

Производитель	Vestas
Тип ветрогенератора	V90- 3МВт
Высота башни	80 м
Расчетная мощность	3000 КВт
Скорость ветра	3,5 м/с
Расчетная скорость ветра	15 м/с
Скорость ветра	25 м/с

Оценки ветрогенерации представлены в таблице 2. В этой таблице «частота ветра» отражает количество времени в выбранном периоде (12 месяцев), в течение которого ветрогенератор может производить электроэнергию. Другими словами, это время, когда скорость ветра находится в диапазоне от 3,5 м/с (входная скорость ветра) до 25 м/с (выходная мощность).

Таблица 2

Оценка ветрогенерации [11]

Место	Средняя скорость ветра, 80 м, (м / с)	k	c, м / с	Суммарная номинальная мощность, МВт	Частота появления ветра
Астана	6,8	2,11	7,12	484,713	0,82
Аркалык	7,7	2,16	7,02	593,513	0,86
Ерментау	9,2	1,86	8,82	787,477	0,90
Форт-Шевченко	8,2	2,21	8,11	636,719	0,92
Карабатан	7,7	2,92	7,80	603,291	0,89
Каркаралы	6,2	1,45	6,08	490,644	0,70
Кордай	5,9	1,29	6,47	461,093	0,67
Шелек	8,4	1,96	6,60	686,793	0,90
Жүзимдик	7,1	1,71	7,94	554,941	0,81
Общее /среднее	7,5	1,96	7,33	5295,184	0,83

Ветроэнергетика несет аналогичные обязательства, как и другие формы электростанций в сфере альтернативных источников энергии. Эти обязательства включают валютный риск, стабилизацию законодательства, развитие местных ресурсов и низких мощностей. Также существуют специфические аспекты, такие как предварительное измерение ветропотенциала на определенной территории перед запуском проекта, сложности логистики и монтажно-пусконаладочные работы.

В настоящее время ветроэнергетика сталкивается с несколькими препятствиями, замедляющими ее развитие:

1) Проблемы, связанные с организационной структурой энергетического сектора.

2) Проблемы с законодательством.

3) Организационно-операционные риски.

Проблемы, связанные с энергетической структурой, включают основное использование угля. В Казахстане запасы угля оцениваются в 75 млрд. тонн, обеспечивая энергией еще 750 лет. Цена угля составляет 5–15 долларов за тонну. Низкие тарифы не стимулируют инвестиции в возобновляемые источники. Повышение цен и поддержка от государства могут способствовать развитию зеленой энергетики.

Рис. 1. Сравнение цен на электроэнергию в различных странах

В 2009 году был принят закон о возобновляемых источниках энергии для привлечения частных инвесторов. Требуются более строгие меры, такие как налоговые льготы и агрессивные стандарты, чтобы стимулировать инвестиции в эту область.

Организационно-операционные риски представляют собой потенциальные проблемы, с которыми может столкнуться каждая ветроэлектростанция.

Обледенение и эрозия могут повлиять на работу ветрогенераторов и представлять опасность для людей. Сейсмостойкие башни используются для защиты от землетрясений. Для предотвращения замерзания частей ветрогенераторов могут применяться электронагреватели и специальные тефлоновые покрытия лопастей, что сопряжено с дополнительными расходами.

Таблица 3

Возможные операционные и операционные риски.

Место	Риски
Астана	Замораживание
Аркалык	Замораживание
Ерментау	Заморозки, Землетрясение
Форт-Шевченко	Миграция птиц
Карабатан	Миграция птиц
Каркаралы	Заморозки, Землетрясение
Кордай	Землетрясение
Шелек	Землетрясение
Жүзимдик	Землетрясение

Вывод: Ископаемые топлива, такие как нефть, газ и уголь, преобладают в энергетическом секторе Казахстана, но сопровождаются высокими выбросами углекислого газа и централизацией электростанций. Переход к возобновляемым источникам энергии может решить эти проблемы. В Казахстане имеется значительный потенциал ветроэнергетики, разделенный на три группы в зависимости от скорости и повторяемости ветра. Несмотря на коммерческую выгодность, отрасль пока недостаточно подготовлена к переходу к альтернативным источникам энергии из-за зависимости от топлива и недостатка государственной поддержки. Существуют также трудности с установкой и обслуживанием ветряных турбин из-за условий окружающей среды.

Литература:

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