Работа посвящена исследованию перспективы развития альтернативной энергетики в Казахстане с акцентом на определение ветропотенциала в Туркестанской области. Учитывая дефицит энергоресурсов в южных регионах и стратегические планы развития города Туркестан, обоснована актуальность строительства ветряных электростанций (ВЭС).
Проведена оценка ветрового потенциала региона для определения оптимальных мест размещения ВЭС. Исследование базируется на анализе данных программ Google Earth, Global Wind Atlas, кадастровой карты Республики Казахстан и схемы существующих сетей Единой электроэнергетической системы РК. Была описана методика выбора наиболее подходящего месторасположения с учетом географических, инфраструктурных и климатических факторов. В результате анализа предложено оптимальное месторасположение для строительства ВЭС путем сравнительного анализа трех вариантов.
Ключевые слова : оценка потенциала, ветряная энергия, выработка электроэнергии, ветряная электрическая станция, ветряной потенциал.
The paper is devoted to the study of the prospects for the development of alternative energy in Kazakhstan, with an emphasis on determining the wind potential in the Turkestan region. Considering the shortage of energy resources in the southern regions and the strategic development plans of the city of Turkestan, the relevance of the construction of wind farms (wind farms) is justified.
An assessment of the wind potential of the region has been carried out to determine the optimal locations for wind farms. The study is based on the analysis of data from Google Earth, Global Wind Atlas programs, the cadastral map of the Republic of Kazakhstan and the scheme of existing networks of the Unified Electric Power System of the Republic of Kazakhstan. The methodology for choosing the most suitable location was described, considering geographical, infrastructural and climatic factors. As a result of the analysis, the optimal location for the construction of wind farms was proposed through a comparative analysis of three options.
Keywords : potential assessment, wind energy, electricity generation, wind power plant, wind potential.
Региональные проблемы энергоснабжения: фокус на южные регионы
Энергетический дисбаланс между регионами страны, усиленный снижением выработки электроэнергии в южной зоне и зависимостью от импорта и перетоков из других регионов, подчеркивает необходимость развития локальных генерирующих мощностей, включая альтернативные источники энергии. Согласно данным «Самрук-Энерго», в 2023 году выработка электроэнергии в Казахстане составила 112,8 млрд кВт·ч, что на 0,04 % ниже по сравнению с 2022 годом. Снижение выработки наблюдалось в западной и южной зонах Единой электроэнергетической системы (ЕЭС). При этом западная зона не подключена к параллельной работе с ЕЭС, а южная зона, характеризующаяся значительным дефицитом электроэнергии, покрывает свои потребности за счет поставок с севера Казахстана, где расположены крупные угольные электростанции, а также импорта из Российской Федерации.
В частности, производство электроэнергии в южной зоне в 2023 году сократилось на 2,7 %, или на 394,9 млн кВт·ч, достигнув 14 млрд кВт·ч. В западной зоне спад составил 1,2 % (или 174 млн кВт⋅ч), и производство снизилось до 14,3 млрд кВт·ч. В северной зоне, напротив, выработка электроэнергии возросла на 526,1 млн кВт·ч (0,6 %) и достигла 84,4 млрд кВт·ч.
Потребление электроэнергии в Казахстане в 2023 году увеличилось на 1,88 % (или 2,1 млрд кВт·ч) и достигло 115,1 млрд кВт·ч. Рост был отмечен во всех зонах страны, при этом наиболее существенное увеличение зафиксировано в южной зоне, где потребление возросло на 4,23 % (или на 1,1 млрд кВт·ч) и составило 26,7 млрд кВт·ч. В северной зоне прирост потребления составил 1,23 % (или 896,7 млн кВт·ч), достигнув 73,5 млрд кВт·ч, а в западной зоне потребление возросло на 0,93 % (или на 135,75 млн кВт·ч) и составило 14,7 млрд кВт·ч.
Для покрытия дефицита электроэнергии Казахстан традиционно прибегает к импорту из России. В 2023 году объем импорта из РФ составил 2,3 млрд кВт·ч, что на 37,5 % больше, чем в 2022 году. При этом, по данным участников рынка, стоимость российской электроэнергии для Казахстана значительно выше внутренних тарифов: в 2023 году цена одного кВт·ч из РФ составляла порядка 26,2 тенге [1]. Решением этих проблем можно считать строительство экологичных электростанций в южных регионах страны.
Одним из эффективных направлений решения проблемы энергетического дефицита в южной зоне Казахстана является развитие возобновляемых источников энергии, среди которых особое место занимает ветроэнергетика. Учитывая экологические, экономические и ресурсные преимущества ветровых электростанций, их внедрение способно не только сократить зависимость региона от перетоков мощности и импорта электроэнергии, но и обеспечить устойчивое развитие энергетического сектора в условиях ограниченных природных ресурсов и необходимости снижения экологической нагрузки.
Ключевым преимуществом ветровой энергии является её экологическая безопасность. Например, эксплуатация ветрогенератора мощностью 1 МВт позволяет ежегодно предотвратить выбросы около 1800 тонн углекислого газа, 9 тонн диоксида серы и 4 тонн оксидов азота в атмосферу. Эти показатели делают ветровую энергию значимым инструментом в борьбе с загрязнением воздуха и изменением климата. В отличие от традиционных тепловых электростанций (ТЭС), ветряные станции не потребляют воду, что способствует снижению нагрузки на водные ресурсы, особенно в условиях их дефицита.
Развитие возобновляемой энергетики в Казахстане: цели, потенциал и перспективы
В 2013 году в Казахстане была утверждена «Концепция по переходу Республики Казахстан к зеленой экономике» до 2050 года, которая определяет принципы устойчивого развития через повышение доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Согласно Концепции, доля ВИЭ в общем объеме производства электроэнергии должна составить 10 % к 2030 году и 50 % к 2050 году.
К концу 2021 года в Казахстане действовали 134 объекта ВИЭ с суммарной мощностью 2010 МВт, что в 11 раз больше уровня 2014 года. Структура ВИЭ на 2022 год представлена солнечной энергетикой (57 %), ветровой (29,1 %), малой гидроэнергетикой (13,4 %) и биоэнергетикой (0,5 %). Ресурсный потенциал страны включает 920 млрд кВт·ч ветроэнергии, 62 млрд кВт·ч гидроэнергии и 2,5 млрд кВт·ч солнечной энергии ежегодно [2].
Климатические особенности Казахстана, такие как наличие ветровых коридоров со скоростью ветра свыше 5 м/с, делают его перспективным для ветроэнергетики. Основные ветровые ресурсы сосредоточены в центральных, северных и южных регионах, где возможно производство до 1,82 млрд кВт·ч электроэнергии ежегодно, что подтверждено данными ветрового атласа, разработанного в рамках проекта «Казахстан — Инициатива по развитию рынка ветроэнергетики».
Таким образом, в настоящее время на территории Казахстана существует система, способствующая развитию ветровой энергетики.
Основные принципы проектирования и выбора площадки для ветроэнергетических станций
Проектирование сетевых ВЭС регламентируется Сводом правил [3] РК 4.04–112–2014, утвержденным 7 января 2015 года, который содержит основные принципы проектирования и выбора площадки для размещения станции. Приоритетными задачами при проектировании и строительстве ВЭС являются обеспечение энергетической надежности и экономической целесообразности.
Для оптимизации эффективности, безопасности и экономической выгоды при выборе места под ВЭС должны быть учтены следующие факторы:
— географические особенности региона, включая рельеф, высоту над уровнем моря и наличие природных препятствий.
— возможности подключения к существующим электросетям, что является важным фактором для интеграции ВЭС в энергосистему.
— воздействие на окружающую среду при строительстве и эксплуатации ВЭС, включая влияние на животный мир, водные ресурсы и ландшафт.
— техническая инфраструктура, такая как дороги, железные дороги, водоснабжение, и т. д., обеспечивающая доступ к площадке.
— доступность земельных участков либо возможность их приобретения для будущего использования.
— особенности поверхности площадки, где предпочтение отдается ровным участкам для упрощения строительства и повышения эффективности работы оборудования.
Определения оптимального месторасположения СЭС в Южном регионе Казахстана
Для определения наиболее оптимального местоположения для строительства ветроэнергетической станции (ВЭС) с учетом представленных критериев были выделены три потенциально подходящих земельных участка в Туркестанской области. Ключевым фактором при выборе площадки выступает минимизация расстояния до конечных потребителей электроэнергии. Вместе с тем, учитывая сетевой характер станции, особое внимание уделяется минимизации длины линии электропередачи, обеспечивающей подключение станции к энергосистеме.
С целью объективного сравнения и оценки генерации электроэнергии, для всех вариантов были выбраны одинаковые участки с равной площадью в 50 гектаров, при этом для расчета потенциально вырабатываемой энергии использовались ветроэнергетические установки одного типа.
В первом варианте предполагается подключение ВЭС к шинам 110 кВ подстанции КОФ в городе Кентау. Подстанция является ответвительной, соединенной с двумя линиями 161 и 162 напряжением 110 кВ. Это позволит разгрузить данные линии и снизить нагрузку на трансформаторы ПС Миргалимсай. Участок для ВЭС расположен в 1,5 км от населенного пункта и в 500 м от ПС КОФ (координаты: 43.53833° северной широты, 68.49856° восточной долготы).
Во втором варианте ВЭС подключается к шинам 110 кВ подстанции Коммунальная в селе Шайтобе. Эта проходная подстанция соединяет линию № 169 (110 кВ) между ПС «ЖБИ», «Шаульдер» и ПС «Яссы». Участок для ВЭС находится в 2,5 км от ПС Коммунальная (координаты: 42.83375° северной широты, 68.45841° восточной долготы, площадь 50 га).
В третьем варианте предусмотрено подключение к шинам 110 кВ подстанции Ленгер в селе Ленгер. Подстанция имеет проходное подключение между ПС ТЭЦ-3 и «Самсоновка» через линии № 121 и № 122 (110 кВ). Участок ВЭС расположен в 2 км от ПС Ленгер (координаты: 42.19816° северной широты, 69.880407° восточной долготы).
Рис. 1. Фрагмент карты-схемы Туркестанской области с указанием проектируемых ВЭС
Вторым фактором, влияющим на выбор местоположения станции, является наличие доступных земельных участков, оценка которого проводится на основе данных кадастровой карты Республики Казахстан (см. рисунок 2).
Рис. 2. Фрагменты кадастровой карты, отображающие варианты размещения площадок ВЭС
Была проведена проверка рельефа местности на выбранных участках с использованием базы данных программного комплекса Google Earth [4]. Для этой цели были построены профили, показывающие средние и максимальные уклоны каждого участка земли, а полученные результаты были обобщены в таблице 1.
Таблица 1
Максимальный угол наклона площадок ВЭС
|
№ вар-та |
Средний уклон, % |
Максимальный уклон, % |
Максимальный угол наклона, ° |
|
1 |
3,4 |
9,4 |
5,3 |
|
2 |
1,9 |
7 |
3,1 |
|
3 |
1,9 |
6,5 |
3,7 |
В соответствии с указаниями в справочнике [3, с. 6], возможно устанавливать ветряные электростанции на ровной местности или на плато холмов, согласно в [5] ровные участки характеризуются небольшим (до 5–10 градусов) наклоном. Следовательно, все выбранные участки пригодны для размещения ветроэнергетических установок.
Первый участок расположен на расстоянии 3 км к северу от города Кентау. Второй участок находится в 2 км к восточно-северному направлению от села Шайтобе. Третий участок расположен в 2 км к северо-западу от города Ленгер, в непосредственной близости от жилой застройки.
Следующим шагом является сравнение ветряного потенциала выбранных участков. Разработчики ветроэнергетики используют различные типы программных приложений для оценки ветровых ресурсов на определенных координатах. В настоящее время часто используются такие программные обеспечения как «Meteodyn WT» и «WindStation», «ZerphyCFD», «Openwind», «WindSim», «WindPRO» и другие. Для получения данных на участках пользуемся глобальным атласом ветров «Global Wind Atlas» [6].
Рассмотрим более детально процесс получения данных о ветровом потенциале и расчета потенциальной выработки электроэнергии на примере первого участка, расположенного вблизи подстанции КОФ в городе Кентау. Получение значений в программе Global Wind Atlas осуществляется по координатам участка, для первого варианта внесем данные — северная широта 43.53833°, восточная долгота 68.49856° (см. рисунок 3).
Рис. 3. Global Wind Atlas, координаты и данные ветра первого участка
Таким образом получены данные ветра на указанных участках. В таблице 2 приведены значения средней плотности энергии, скорость ветра и коэффициент распределения Вейбулла для сравниваемых вариантов.
Таблица 2
Данные ветра Global Wind Atlas для вариантов размещения ВЭС
|
№ |
Координаты |
Название ВЭС |
Ветровой ресурс по GWA |
||
|
Средняя плотность энергии Вт/м 2 |
Скорость ветра на участке, м/с |
Коэффициент распределения Вейбулла |
|||
|
1 |
43.53833°«С 68.49856°«В |
ВЭС Кентау |
724 |
6,78 |
1,56 |
|
2 |
42.83375°«С 68.45841°«В |
ВЭС Коммунальная |
471 |
7,11 |
1,84 |
|
3 |
42.19816°«С 69.880407°«В |
ВЭС Ленгер |
147 |
4,02 |
1,68 |
Таким образом, в результате полученных данных видно, что наиболее перспективным местом для размещения ВЭС является участок Коммунальная, так как он имеет высокой стабильности ветровых потоков достаточную скорость ветра для эффективной работы станции. Участок Кентау также может рассматриваться как альтернатива благодаря высокой скорости ветровых потоков. Участок Ленгер из-за низких показателей не рекомендуется для размещения ВЭС.
Расчет вырабатываемой энергии. Для расчета вырабатываемой электроэнергии с определенного участка земли используем метод распределения Вейбулла.
При выборе ветроэнергетических установок (ВЭУ) было проведено сравнительное исследование трех типов оборудования, представленных крупнейшими производителями в данной отрасли: Vestas (Дания), Nordex (Германия), Envision (Китай).
Произведем расстановку. Для участка площадью 500 000 м 2 (50 Га) с диаметром ротора ВЭУ 148м и минимальным расстоянием между установками, равным трём диаметрам ротора, площадь, занимаемая одной ВЭУ, составляет 51 609,9 м 2 . Делением общей площади участка на площадь, занимаемую одной ВЭУ, определяется максимально возможное количество установок:
N ВЭУ =500 000/51 609,9≈9,68 шт.
Таким образом, на участке можно установить до 9 ВЭУ с учетом минимальных расстояний.
Метод распределения Вейбулла позволяет более точно учесть характер ветрового потенциала на участке и прогнозировать, сколько энергии может быть произведено в условиях конкретного ветрового режима. Распределение Вейбулла используется для описания статистики скорости ветра в определенной местности. Оно позволяет определить вероятность того, с какой частотой ветровая скорость будет находиться в определенном диапазоне.
Результаты расчета выработки электроэнергии в год по методу Вейбулла для трех вариантов размещения ВЭС сведены в таблицу 4.
Таблица 4
Выработка электроэнергии в год
|
V ветра , [м/с] |
Выработка в год ВЭС КОФ [кВт·ч] |
Выработка в год ВЭС Коммунальная [кВт·ч] |
Выработка в год ВЭС Ленгер [кВт·ч] |
|
0 |
- |
- |
- |
|
1 |
- |
- |
- |
|
2 |
- |
- |
- |
|
3 |
74 906,08 |
65 646,86 |
131 833,68 |
|
4 |
230 645,98 |
223 449,73 |
351 962,59 |
|
5 |
489 282,61 |
511 292,59 |
618 574,28 |
|
6 |
818 722,38 |
905 582,03 |
823 476,06 |
|
7 |
1 177 602,13 |
1 356 823,35 |
907 769,47 |
|
8 |
1 547 191,84 |
1 830 445,89 |
882 558,50 |
|
9 |
1 867 002,70 |
2 237 824,37 |
762 203,24 |
|
10 |
1 923 256,74 |
2 305 894,44 |
544 236,12 |
|
11 |
1 679 781,33 |
1 989 803,65 |
319 458,73 |
|
12 |
1 361 978,60 |
1 574 859,76 |
168 945,54 |
|
13 |
1 086 491,21 |
1 211 876,82 |
85 384,32 |
|
14 |
853 607,10 |
907 737,82 |
41 310,55 |
|
15 |
661 045,63 |
662 459,66 |
19 162,00 |
|
16 |
504 960,37 |
471 411,56 |
8 532,57 |
|
17 |
380 717,93 |
327 322,56 |
3 651,52 |
|
18 |
283 467,32 |
221 890,70 |
1 503,37 |
|
19 |
208 526,82 |
146 929,80 |
596,00 |
|
20 |
151 622,22 |
95 078,45 |
227,71 |
|
21 |
109 010,80 |
60 148,96 |
83,91 |
|
22 |
77 522,85 |
37 213,64 |
29,84 |
|
23 |
54 547,84 |
22 523,90 |
10,25 |
|
24 |
37 987,03 |
13 340,70 |
3,40 |
|
25 |
26 188,81 |
7 734,34 |
1,09 |
|
Итого: |
15 606 066,31 |
17 187 291,57 |
5 671 514,75 |
Исходя из расчетных данных приведенных в таблице 4 минимальное значение вырабатываемой электроэнергии у третьего варианта — вблизи города Ленгер, составляющее 5671514,75 кВт·ч. Первый вариант на 40,366 % больше третьего варианта, однако вырабатывает 15606066,31 кВт·ч за год, что на 9,1 % меньше, чем второй вариант. Наиболее потенциально-эффективным по выработке электроэнергии является второй вариант размещения площадки под строительство ВЭС — в близи села Шайтобе с выработкой в 17187291,57 кВт·ч за год.
На основе вышеуказанной таблицы построим диаграмму распределения Вейбулла для трех вариантов (см. рисунок 4).
Рис. 4. Диаграмма распределения Вейбулла
На диаграмме распределений Вейбулла для трёх ВЭС видно, что I вариант (ВЭС КОФ) характеризуется умеренным распределением с пиком около 5 м/с и узкой областью высоких частот, что свидетельствует о стабильности скорости ветра. II вариант (ВЭС Коммунальная) имеет более высокую частоту в диапазоне 5 м/с и более равномерное распределение, что указывает на больший диапазон скоростей. III вариант (ВЭС Ленгер) отличается высоким пиком на 3–4 м/с, но с резким падением частоты, указывая на преобладание низких ветров. Для выработки энергии наиболее эффективен II вариант, благодаря оптимальной скорости ветра для генераторов.
На основании расчетных данных построены графики выработки электроэнергии для каждого варианта по месяцам (см. рисунок 5).
Рис. 5. График выработки электроэнергии по месяцам для трех вариантов месторасположения ВЭС в Туркестанской области
Исходя из графика видно, что зимой в месяцы январь, февраль, декабрь и летом в месяцах июнь, июль, август наблюдаются больше выработки электроэнергии, что связано с более сильными и стабильными ветрами, тогда как в месяцы март, апрель, май, сентябрь, октябрь, ноябрь выработка снижается из-за нестабильных ветровых условий. Вариант 1 (ВЭС КОФ) выделяется высокой выработкой зимой, что указывает на регион с сильными зимними ветрами, вариант 2 (ВЭС Коммунальная) — равномерность и летние пики, а вариант 3 (ВЭС Ленгер) характеризуется самой низкой выработкой из-за слабых ветров.
По сравнению с другими вариантами, ВЭС Коммунальная может обеспечивать более сбалансированную выработку, что позволяет лучше управлять распределением энергии и снизить зависимости от сезонных колебаний ветра.
Заключение
В ходе оценки ветряного потенциала для определения оптимального месторасположения ВЭС в Туркестанской областибыли рассмотрены три варианта площадки под строительство ВЭС. Оценка ветряного потенциала для всех вариантов размещения ВЭС производилось для отведенной площади 50 Га и одинаковой мощности и количества ветроагрегатов.
С помощью программного обеспечения Global Wind Atlas были получены скоростные ветровые характеристики для трех вариантов расположения ВЭС. На основании расчетов в программе GreenWich определены коэффициенты распределения Вейбулла. При втором варианте расположения ВЭС (ВЭС Коммунальная) были получены наиболее высокие характеристики: средняя скорость ветра — 7,11 м/с; плотность энергии 471 Вт/м².
На основании сравнения технических характеристик и стоимостных показателей различных производителей был выбран ветроагрегат Envision EN-148/4,5 МВт в количестве 9 шт., который обладает высокой производительностью и экономичностью в эксплуатации.
По методу распределения Вейбулла получена годовая выработка электроэнергии для всех трех ВЭС. Исходя из результатов расчета наибольшая выработка была получена на ВЭС Коммунальная и составила 17,6 МВт. На основании полученной годовой выработки электроэнергии была рассчитана выработка электроэнергии по месяцам для каждого из вариантов. Произведен анализ этих данных.
Таким образом, наиболее оптимальным вариантом размещения ВЭС является ВЭС Коммунальная вблизи села Шайтобе. Тем не менее, для полной оценки определения оптимального месторасположения ВЭС на следующем этапе работы необходимо произвести технико-экономический расчет.
Литература:
- Отчет. Годовой отчет 2023 / АО «Самрук-Энерго» / Департамент «Развитие Рынка и Продажи» / 2023. — 16 с.
- Исследовательская команда TOO «Verny Capital» [Электронный ресурс]: Отчет об объектах возобновляемых источников энергии Казахстана, 2022 г. Электрон. дан. — URL: https://vernycapital.com/wp-content/uploads/2022/10/Kazakhstan-wind-power-05.05.2022_RUS.pdf
- Свод правил Республики Казахстан: СП РК 4.04–112–2014. Проектирование ветряных электростанций. — Введ. с 01.07.2015. — Астана: Министерство национальной экономики РК, 2015. — 40 с.
- Google Планета Земля 7.3.4.864 [Электронный ресурс]/ Alphabet. — URL: https://www.google.com/earth/about/versions
- География. Современная иллюстрированная энциклопедия. — М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина. 2006. — 624 с.
- Global Wind Atlas. Глобальный атлас ветров. [Электронный ресурс]: Потенциал ветряной энергии — Электрон. дан. — URL: https://globalwindatlas.info
