Возобновляемая энергетика (ВЭ) мира в последние десятилетия развивается быстрыми темпами, особенно ветровая и солнечная. На рис. 1 представлены результаты развития мировой электроэнергетики по итогам 2020 года [1]. В начале 2021 года мощность электрических станций в мире достигла 7548 ГВт, в том числе мощность электростанций на основе ВИЭ составила 2799,1 ГВт (38,7%). В 2020 году общемировое производство электроэнергии, видимо, вследствие пандемии, снизилось по сравнению с 2019 на 0,67% и составило 26823,2 ТВт-ч, но доля ВЭ увеличилась. Мировая энергетика находится в периоде 4-го энергетического перехода [3].
Общая установленная мощность возобновляемой энергетики России, включая крупные ГЭС, на начало 2020 года составляла 55 190 МВт. Следует отметить, что российская программа развития ВИЭ (ветровой, солнечной и малой гидроэнергетики) фактически стартовала с 2013 года, когда была принята «Программа ДПМ ВИЭ 1.0», предусматривающая ввод к 2024 году 5,8 ГВт мощностей ВИЭ. В том числе должно быть введено: ВЭС - 3,4 ГВт, СФЭС - 2,2 ГВт и МГЭС - 0,2 ГВт (рисунок 2). Как видно особенно велики планы по ВЭС и СФЭС. Согласно [2] по состоянию на 1.10.2021 в рамках программы ДПМ введено 2953,4 МВт мощностей, в том числе СФЭС -1483 МВт, ВЭС -1449,4 МВт, МГЭС – 21 МВт.
История развития энергетики показывает, что в России конца ХIХ – начала ХХ века основными видами ВИЭ были дрова, торф и гидроэнергетические ресурсы («белый уголь»). Опыт дровяной энергетики описан в книге академика архитектуры Николая Александровича Львова (1751-1803) – «Русская пиростатика». В 1851 году был учрежден Комитет развития торфодобывающей промышленности. Одним из инициаторов применения торфа на электростанциях был выпускник Императорского Московского университета, стажировавшийся в Кембридже (Англия), предприниматель Савва Тимофеевич Морозов (1862-1905). На его заводах было построено несколько торфяных электростанций. Первая в 1903 году на Никольской мануфактуре во Владимирской губернии, а вторая в 1912 году на Тверской мануфактуре мощностью 12 МВт. До революции 1917 года самая мощная торфяная Богородская электростанция мощностью 15 МВт (в 1915 г.) работала в Подмосковье.
В 1913 году в России работали около 5 тыс. гидроагрегатов общей мощностью 200 МВт. Самая мощная Гиндукушская ГЭС мощностью 1,35 МВт была построена в 1909 году в Туркестане. 57 % российского рынка обеспечивалось гидротурбинами отечественного производства. В 1906 году в Санкт-Петербургском политехническом институте был издан первый учебник «Утилизация водной энергии» и фактически началась подготовка инженеров-гидроэнергетиков [4]. По данным [5], в 1907 году в Санкт-Петербургском электротехническом институте открылась специальность «Строительство ГЭС».
Солнечная энергетика в начале XX века развивалась по двум направлениям. Доктор технических наук Борис Петрович Вейнберг (1871-1942) разрабатывал солнечные опреснительные установки и тепловые гелиоустановки. В 1905 году Абрам Федорович Иоффе (1880-1960) в своей диссертации изложил теоретические основы создания фотоэлектрических элементов.
Пионером геотермальных исследований в России в начале XX века был геолог Леонид Антонович Ячевский (1858-1916), который в 1905 году опубликовал ряд соответствующих статей.
Российская ветроэнергетика была основана Николаем Егоровичем Жуковским (1847-1921), который с 1914 года разрабатывал ее аэродинамические принципы. В 1920 году им был организован Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), имевший в своем составе отдел ветровых двигателей.
Академический и системный подход к вопросам использования ВИЭ был реализован Императорской Академией наук в 1916 году с созданием Комиссии по развитию производительных сил (КЕСП), которая издавала сборники трудов, в том числе в 1919 году том I «Ветер как двигательная сила», в 1921-1923 гг. – том II «Белый уголь» (гидроэнергетика).
Этот подход к развитию энергетики был развит при разработке в 1920 году плана электрификации России (план ГОЭЛРО). При этом масштабное использование получили такие ВИЭ, как торфяные и гидравлические электростанции. Самая мощная тогда торфяная электростанция «Уткина Заводь» в Ленинграде мощностью 60 МВт была построена в 1922 году.
В 1926 году под руководством выдающегося ученого и инженера Графтио была построена Волховская ГЭС мощностью 66 МВт. В 1932 году построена уникальная и самая мощная на тот момент в Европе ДнепроГЭС мощностью 650,6 МВт. Также активно развивалась малая гидроэнергетика и в середине 50х годов в СССР работало 6614 малых ГЭС, которые производили около 25% всей электроэнергии СССР.
Развитие теоретических основ ветроэнергетики позволило в 1931 году построить около города Балаклава (Крым), под руководством Н.В. Красовского, В.В. Уткина-Егорова и В.Р. Секторова самую мощную в мире ветроэлектрическую установку (ВЭУ) Д-30 мощностью 400 кВт, имевшую ветроколесо диаметром 30 м (рис.3). Ее концепция и компоновка предвосхитила современные ВЭУ. В 30-40-е годы XX века в СССР, в том числе в Арктике, работали десятки ВЭУ единичной мощностью 20-30 кВт.
В СССР в 1930-е годы основными научными центрами возобновляемой энергетики стали Энергетический институт АН СССР (ЭНИН) и ЦАГИ. В ЭНИНе солнечную энергетику курировал академик Михаил Викторович Кирпичев (1879-1955). В ЦАГИ ветроэнергетику развивал доктор технических наук Владимир Петрович Ветчинкин.
Геотермальная энергетика в СССР получила развитие в 60-е годы XXвека. В 1961 году организован Совет геотермальных исследований АН. По инициативе академика Михаила Алексеевича Лаврентьева (1900-1980) в 1966 году на Камчатке была построена первая в СССР Паужетская геотермальная электростанция прямого цикла мощностью 10 МВт, а в 1967 году – первая в мире бинарная Паратунская геотермальная электростанция с промежуточными легкокипящим рабочим телом мощностью 630 кВт.
В 1964 году под руководством доктора технических наук Тарнижевского Б.В. построена первая в мире фотоэлектрическая электростанция с концентраторами солнечного излучения мощностью 250 Вт для объекта в пустыне Кара-Кум. В 1985 году в Крыму была построена первая в СССР термодинамическая СЭС мощностью 5 МВт, а при ней Центр возобновляемой энергетики ЭНИН в Крыму (директор Б.В. Тарнижевский).
Использование приливной энергии и технологические решения в СССР связаны с доктором технических наук Львом Борисовичем Бернштейном (1910 – 1996). Единственная советская Кислогубская приливная электростанция (ПЭС) с 1- ой капсульной гидротурбиной 400 кВт разработана под его руководством и при его инициативе, и построена в 1977 году. Она наплавным способом (изготовлена из тонкостенных бетонных конструкций) из Мурманска была доставлена и установлена в горле губы Кислой у поселка Ура-Туба в Мурманской области. Уже в российское время, в 2006 году, к станции был доставлен также наплавным способом и пристыкован, изготовленный на заводе Севмаш, стальной блок с разработанной в НИИЭС вертикально осевой ортогональной турбиной мощностью 1500 кВт.
С 1955 года работы по производству фотоэлектрических преобразователей в СССР получили интенсивное развитие в институте источников тока (ВНИИТ, Москва), который решал задачи по обеспечению электроэнергией космических аппаратов СССР.
При этом необходимо отметить огромную роль в развитии советской космической фотоэнергетики член-корреспондента РАН Николая Степановича Лидоренко, работавшего генеральным директором и Главным конструктором института ВНИИТ, затем НПО «Квант» с 1950 по 1986 год.
Комплексное развитие ВЭ в СССР связано с деятельностью председателя Госкомитета СССР по науке и технике (ГКНТ) академика Владимира Алексеевича Кириллина (1913-1999).
В1981 году совместным постановлением АН, ГКНТ и Госплана была принята программа по решению научно-технической проблемы 0.01.08 «Создать и внедрить солнечные, ветровые установки и устройства для производства тепла и электрической энергии». Одной из целей программы было создание ВЭУ мегаваттного класса. В конце 1980-х годов в СССР была спроектирована и построена отечественная ВЭУ «Радуга 1» мощностью 1000 кВт пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения ветроколеса.
Под председательством члена-корреспондента АН Эвальда Эмильевича Шпильрайна (1926-2009) в составе АН СССР был создан Совет по нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии. После 1993 года этот Совет был преобразован в научный совет РАН по возобновляемой энергетике, который до 2009 года возглавлял Э.Э. Шпильрайн, а в настоящее время - доктор технических наук Олег Сергеевич Попель.
Совет координировал работу уже имевшихся в СССР научных центров по ВИЭ: ЭНИН, Института высоких температур (ИВТАН) АН СССР, Физико-технического института Узбекской АН, НПО «Квант», Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (г.Санкт-Петербург) и других. В Махачкале был построен опытный полигон ИВТАН «Солнце» с испытанием различных типов солнечных установок, а в 1980 году в этом же городе организован Институт проблем геотермии Дагестанского филиала АН СССР [6].
Институт проблем геотермии РАН в Махачкале является единственным в России научным центром по этому направлению. В его состав входят 6 научных лабораторий, возглавляемых доктором технических наук Алибеком Басировичем Алхасовым: энергетики, геотермомеханики, комплексного освоения возобновляемых энергоресурсов, теплофизики, возобновляемой энергии, физико-химии термальных вод и экологии, аккумулирования низкопотенциального тепла и солнечной энергии. Численность института – 127 человек, в том числе 20 докторов и 29 кандидатов технических наук. В 2019 году институт вошел в состав ОИВТ РАН в качестве филиала, как Институт проблем геотермии и возобновляемой энергетики.
В 2015 году лабораторией ВИЭ МГУ (заведующий лабораторией - доктор физико-математических наук Соловьев Александр Анатольевич) совместно с ОИВТ РАН была создана база климатических данных по ВЭ территории России объемом около 4 терабайт. Указанная база была разработана с использованием базы данных NASA POWER, нескольких европейских климатических баз, базы данных Мирового центра радиационных данных, данных многолетних измерений российских метеостанций. Материалы базы представлены на интернет-портале «ГИС ВИЭ России» (http://gisre.ru), а также в Атласе ресурсов возобновляемой энергии на территории России [7].
Большой вклад в развитие образовательного процесса и научных исследований в области ВИЭ вносит Научно-образовательный центр «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» Санкт-Петербургского политехнического университета, образованный в 2005 году. Научный руководитель Центра - академик РАН Юрий Сергеевич Васильев, директор доктор технических наук, профессор Виктор Васильевич Елистратов.
Основными направлениями научной деятельности Центра являются [8-11]:
1) разработка теоретических и технологических основ преобразования возобновляемой энергии со случайно-детерминированным характером образования (солнечной, ветровой и гидроэнергии) при создании энергетических объектов для работы в централизованных, распределенных и автономных энергосистемах;
2) создание научно-технических и технологических принципов и методологии развития автономной генерации России на основе модульных энергетических комплексов на ВИЭ с адаптированным к российским, в том числе арктическим климатическим условиям, оборудованием и интеллектуальными системами управления процессами преобразования, распределения и хранения энергии для обеспечения высокой доли замещения дизельного топлива, максимального использования возобновляемого энергоресурса и экономической эффективности и созданием Smart Grid изолированного поселения.
На рис. 4 показана ветро-дизельная электростанция в поселке Амдерма, проект которой реализован при научно-техническом и проектном сопровождении специалистов НОЦ ВИЭ [11].
В целом следует отметить, что СПбПУ Петра Великого уже более 100 лет является ведущим ВУЗом России по подготовке инженеров, сначала по гидроэнергетике, а сейчас в целом по возобновляемой энергетике.
За последние годы разработана учебно-методическая база из 30 учебных пособий, справочной и методической литературы. В НОЦ ВИЭ оборудованы лабораторные стенды по исследованию процессов преобразования ВИЭ, собрана большая библиотека прикладного специализированного ПО. С начала 21 века подготовлено более 200 инженеров и магистров, более 30 докторов и кандидатов технических наук по ВИЭ.
Большое влияние на развитие возобновляемой энергетики России в целом и особенно - наземной фотоэнергетики, оказали работы академика РАСХН (позже академика РАН) Д.С. Стребкова, а также сотрудников возглавляемого им института ВИЭСХ (в настоящее время подразделение ФГАОУ ВИМ ) В.М. Евдокимова, В.В. Харченко, Ю.Д. Арбузова, В.В. Заддэ и многих других.
Для популяризации ВИЭ среди молодежи чрезвычайно важны проводимые в разных ВУЗах Школы молодых ученых. С 2012 года до последних дней жизни председателем оргкомитета такой школы в МГУ был заведующий НИЛ МГУ доктор физико-математических наук Александр Алексеевич Соловьев (1943-2020). Член-корреспондентом РАН Эвальдом Эмильевичем Шпильрайном (1926-2009) была организована и регулярно проводится и сейчас, Школа молодых ученых по проблемам возобновляемых энергоресурсов в Махачкале. К участию в работе школ приглашаются ведущие профессора и специалисты России в области ВИЭ, по материалам которых издаются сборники трудов.
В развитие возобновляемой энергетики России на современном этапе важнейший вклад вносит доктор технических наук Павел Павлович Безруких [12]. Выпускник МЭИ, прошедший многолетнюю практику на инженерных и руководящих постах, он был ответственным исполнителем первой в СССР комплексной масштабной программы по увеличению использования в 1987-1990 годах нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в народном хозяйстве.
В результате координации усилий, например, объемы добычи геотермальной воды увеличились к 1986 году до 55 млн м3 в год. Были заложены научные основы, разработаны новые технологии и оборудование, созданы новые геотермальные электростанции на Камчатке мощностью более 60 МВт. Производство солнечных коллекторов было развернуто на пяти заводах, а общая площадь гелиоустановок в стране увеличилась до 100 тыс. м2.
Советская космическая фотоэнергетика обеспечила развитие и наземных установок, успешно конверсировала свои технологии в создание наземных фотоэлектрических преобразователей и батарей. Как уже отмечено, были разработаны и изготовлены образцы ВЭУ мощностью 100, 250, 1000 кВт.
Важным этапом деятельности П.П. Безруких явилась разработка и утверждение в 1994 году Концепции развития и использования возможностей малой нетрадиционной энергетики [13].
В 1995–1997 годах по инициативе и под руководством П.П. Безруких была разработана и утверждена Правительством РФ в качестве подпрограммы федеральной целевой программы «Топливо и энергия» программа «Энергообеспечение районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, а также мест проживания коренных малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока за счёт использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и местных видов топлива на 1997–2000 годы». В рамках ее реализации было создано несколько региональных программ развития ВИЭ, в том числе в Чукотском автономном округе, Бурятии, Алтайском крае.
Важным вкладом в развитие возобновляемой энергетики современной России явилось создание в 2002 году общественной инженерной организации - Комитета по проблемам использования возобновляемых источников энергии при Российском союзе научных и инженерных общественных объединений России (РосСНИО) под председательством П.П. Безруких. Заместителями председателя были избраны Д.С. Стребков и В.В. Елистратов. Ученым секретарем Комитета с 2012 года является кандидат технических наук С.В. Грибков.
Эта общественная организация объединяет ведущих ученых, инженеров и практиков. Число членов комитета более 120 человек. Основные направления возобновляемой энергетики возглавляют: академик РАН, доктор технических наук Стребков Дмитрий Семенович (солнечная энергетика), доктор технических наук Панцхава Евгений Семенович (биоэнергетика), доктор технических наук Томаров Григорий Валентинович (геотермальная энергетика), кандидат технических наук Бляшко Яков Иосифович (малая гидроэнергетика), доктор технических наук Бутузов Виталий Анатольевич (солнечная энергетика), доктор технических наук Елистратов Виктор Васильевич (подготовка кадров ВИЭ, комплексное использование ВИЭ), доктор технических наук Безруких Павел Павлович и кандидат технических наук Грибков Сергей Владимирович (ветроэнергетика).
Ежегодно Комитет проводит международные научно-технические конференции по малой и возобновляемой энергетике, как правило, тематические и совмещенные с выставками оборудования и юбилейными мероприятиями. В ноябре 2021 году в Москве на площадке НИУ МЭИ прошла уже XVIII Международная конференция «Возобновляемая и малая энергетика – 2021. «Энергосбережение. Автономные системы энергоснабжения стационарных и подвижных объектов».
Читать продолжение
