Стан і основні напрями використання поновлюваних джерел енергії

В Україні практичне використання поновлюваних джерел енергії становить доволі незначну частку в загальному енергоспоживанні — всього 2,7%(табл. 2, 3), хоча енергетичний потенціал основних видів ПДЕ доволі високий.

Останнім часом в Україні відчутно зріс інтерес до поновлюваних джерел енергії (ПДЕ). Це зумовлено такими чинниками:
1) виснаженням викопних енергоносіїв нафти та природного газу в цілому світі, в тому числі і в Росії — основному постачальнику нафти й газу в Україну; відчутним подорожчанням природного газу та обмеженням поставок нафти;
2) наша держава чітко продекларувала свої наміри щодо вступу в ЄС, однією з умов якого є доведення до 2020 року обсягу використання поновлюваних джерел енергії в загальному енергетичному балансі країни до 20 відсотків;
3) екологічними проблемами, пов’язаними із забрудненням навколишнього середовища викидними газами, двигунами внутрішнього згоряння, рідкими стоками тваринницьких комплексів, нітратами тощо.
У багатьох країнах Європи динамічно розвивається виробництво енергії з відновлюваних джерел. У 1995 році в країнах ЄС частка відновлюваної енергетики становила 74,3 млн т нафтового еквівалента, або близько 6% загального споживання первинних енергоносіїв. Частка біомаси в них перевищувала 60%, що становило близько 3% загального споживання первинних енергоносіїв. Відповідно до програми розвитку поновлюваних джерел енергії, ПДЕ покриють 12% загального споживання первинних енергоносіїв у 2010 р. в ЄС, у тому числі біомаса — близько 74% загальної частки ПДЕ. Вочевидь, біомаса є найсильнішим і прогресивно зростаючим сектором відновлюваної енергетики в ЄС.
 В Україні — інша ситуація. Тільки гідроенергетика, біомаса та вітроенергетика досягли рівня комерційного застосування; інші технології відновлюваної енергетики ще перебувають на стадії дослідження та розробки або демонстрації, і їхня частка в енергопостачанні — незначна.
Для ефективного використання потенційних можливостей упровадження кожної технології чи джерела енергії слід визначити пріоритети й черговість їхнього впровадження та розвитку і на основі цього розробити концепцію розвитку поновлювальної енергетики в аграрній галузі. Дальшим кроком має бути розробка цільових програм та їхня реалізація згідно з визначеними пріоритетами.
Сонячна енергетика. У сонячній енергетиці як найперспективніші визначено такі напрями: безпосереднє перетворення сонячної енергії в низькопотенційну теплову енергію без попередньої концентрації потоку сонячної радіації та безпосереднє її перетворення на електричну енергію постійного струму з допомогою фотоперетворювачів.
В Україні сонячне теплопостачання має достатній досвід використання, а технологічний потенціал вітчизняної промисловості дає змогу вирішити завдання масового виробництва геліотехнічного устаткування.
Основний чинник, що стимулює широке використання геліотехнічного обладнання в Україні, — їхня відсутність в продажу на внутрішньому ринку, насамперед для індивідуального споживача. Своєю чергою, впровадження сонячних колекторів у виробництво в Україні, з урахуванням високих і постійно зростаючих цін на матеріали, стримується тим, що в цьому питанні немає стимулюючої державної політики.
Основною перешкодою розвитку фотоенергетики в Україні є висока вартість встановленої потужності сонячних фотоелектроперетворювачів і, відповідно, електроенергії, що генерується.
Із реальних розробок у фотоенергетиці слід відзначити сонячні коллектори SintSolar виробництва ТОВ ПКК “Синтек” (Україна), які експонувало на “Агро’2007” ТОВ “Новатор” (Київ). На основі сонячних колекторів SintSolar названа фірма пропонувала комплексні системи теплозабезпечення, які містять також баки-акумулятори й теплообмінники. Характеристики систем наведено в таблиці 1.
Використання сонячних колекторів SintSolar дає можливість у цілому на 70–75% зменшити загальні витрати енергоносіїв на теплозабезпечення.
У сільськогосподарському виробництві пріоритетними напрямами застосування сонячної енергії є такі. По-перше, це забезпечення гарячою водою від сонячних установок тваринницьких ферм і пасовищ. Саме тут є можливість найбільшої економії паливно-енергетичних ресурсів, оскільки гаряча вода — невід’ємний атрибут тваринницької і молочнотоварної ферми. По-друге, велика перспектива у використанні сонячної енергії у рільництві, тепличному вирощуванні овочів і процесах їхньої переробки та сушіння. І, нарешті, по-третє, це забезпечення комунально-побутових потреб сільського населення.
Вітроенергетика. Сучасна вітроенергетика є однією з найрозвиненіших і найперспективніших галузей нетрадиційної енергетики. У галузі використання енергії вітру інтенсивні науково-дослідні, дослідно-конструкторські роботи та практичне впровадження вітроенергетичного обладнання здійснюють у багатьох країнах світу.
Цілеспрямовані роботи в галузі вітроенергетики в Україні почали проводити порівняно недавно, ще за часів СРСР, спільно з великою кількістю організацій в інших республіках.
Розвиток ринку вітроенергетичного обладнання в Україні можливий лише за певного рівня його насиченості. Вітроагрегати, якими треба наповнити ринок в Україні, можна поділити на три основні групи: великі вітроенергетичні установки одиничною потужністю 100 кВт і більше, які виробляють електроенергію в складі вітроелектричних станцій за їхньої паралельної роботи з централізованою енергосистемою; вітроелектричні установки середньою одиничною потужністю від 20 до 100 кВт, призначені для колективного використання, здебільшого для виробничих цілей; електричні та механічні вітроагрегати малої одиничної потужності від 0,5 до 20 кВт, призначені переважно для індивідуального використання в приватних господарствах і на невеликих підприємствах, задоволення локальних потреб електропостачання, водопідіймання тощо.
За останні роки в Україні створено цілу низку вітроелектричних установок (ВЕУ) номінальною потужністю від 750 Вт до 20 кВт для енергопостачання невеликих сільськогосподарських і промислових підприємств, приватних господарств та інших споживачів. Нині в Україні тривають роботи зі створення ще цілої низки вітроенергетичних установок різного призначення й потужності.
Фірма “Уінденерго” організувала серійне виробництво й масове впровадження мережних вітроенергетичних установок потужністю 110 кВт.
Використання енергії вітру в сільському господарстві спрямовано на досягнення економії палива й електроенергії у найенергоємніших технологічних процесах рослинництва й тваринництва, а також для забезпечення енергією віддалених від баз централізованого енергопостачання автономних споживачів. Пріоритетним поряд зі створенням вітроелектричних установок залишається створення вітронасосних і вітромеханічних установок, а також універсальних електромеханічних вітроагрегатів, які дають змогу водночас із електроенергією одержувати й механічну енергію для привода технологічного обладнання.
Аналіз результатів випробувань автономних вітроенергетичних установок, проведених в УкрНДІПВТ ім.  Л. Погорілого, свідчить, що основним недоліком установок ПП “Аванте”, “Крименерго” та інших є те, що вони починають стартувати за швидкостей, близьких до середніх по Україні, а номінальну потужність розвивають, коли швидкість вітру сягає 7–9 м/с, частка яких незначна в Україні. Це призводить до низької ефективності використання номінальної потужності вітроустановок. Тому не випадково коефіцієнт використання установок “Уінденерго” потужністю 110 кВт на Донузлавській ВЕС становить 0,05–0,07 (установка розвиває номінальну потужність за V=13 м/с).
Аналіз експонованих на виставці “Агро’2007” вітроенергетичних установок свідчить, що новинкою в конструюванні нових вітроенергетичних установок є їхня комбінація з фотопанелями й дизель-генераторами. Для автономних споживачів це дає змогу подовжити термін використання електроенергії протягом року. Особливо ефективною є комбінація вітроенергетичних і фотоелектричних установок, бо відомо, що влітку зазвичай мало вітру й багато сонця. Навпаки, взимку більше вітрів і менше сонця.
Із новинок слід відзначити вітроенергетичну установку ТОВ “Техцентр”. На ній використано вітроколесо ортогональної оригінальної конструкції, яка не потребує орієнтації вітроколеса за вітром, що потрібно для вітроустановок із горизонтальною віссю обертання вітроколеса.
Біомаса. Нині біомаса вважається четвертим за значущістю паливом у світі, яке щороку дає в середньому 2 млрд т у. п. енергії, що дорівнює близько 14% загального світового споживання первинних енергоносіїв (див. табл. 2).
Десятиріччями рослинництво орієнтували на максимальну продуктивність крохмалю, рослинної олії, цукру й протеїнів. При цьому не враховували загальну врожайність, яка містить лігніноцелюлозні комплекси, що утримуються в стеблах і листі. Потенціал такої утилізації у рослинництві й досі використовують недостатньо. Перспективами утилізації біомаси передбачається максимальне використання рослин загалом.
Обладнання для виробництва біодизелю. Його в Україні розробили ТОВ “Елерон” (Київ); ТОВ “Техносоюз” (Донецьк), ННЦ ІМЕСГ (смт Глеваха Київської обл.), ТОВ “Укрбіоенергія” (Київ), підприємство “Біодизельдніпро” (Дніпропетровськ), ТОВ “Тан” (Чернігів), ТОВ “ТЕКМАШ” (Херсон), ЗАО “Порцелакінвест” (Київ). Основними елементами міні-заводів із виробництва біодизелю є приймальні бункери для ріпакового насіння; олійні преси; фільтри олії; ємності для олії, CаОН і метанолу; естерифікатори; фільтри для біодизелю; ємності для гліцеролу й біодизелю. Продуктивність різних установок становить від 16 до 1333 л/год. Більшість біодизельних комплексів містить обладнання для виробництва олії, її фільтрації, виробництва біодизелю й гравітаційне, водне та абсорбне очищення, що забезпечує відповідність біодизелю міжнародному стандарту ЕN 142214. Деякі біодизельні комплекси працюють на привозній олії і не передбачають повне очищення біодизелю від метанолу й гліцеролу, що може призвести до ускладнення під час його використання в експлуатаційних умовах. Слід зазначити, що двигуни та паливні системи провідних виробників тракторів і самохідних сільгоспмашин (CASE, John Deere, New Holland, CLAAS, Massey Ferguson тощо) адаптовані до біодизелю. Біодизельне паливо набуло поширення в багатьох країнах Європи. На заправних станціях біодизель можуть заливати в бак автомобіля як у чистому вигляді, так і у вигляді добавки до дизпалива.
2004 року тільки Німеччина виробила 1,035 млн т біодизелю. Основна його відмінність від звичайного дизельного палива — екологічна чистота. Відпрацьовані гази під час спалювання біодизелю за основними показниками на порядок чистіші, ніж у тих, що працюють на солярці. Близько 80% біодизелю, виробленого в Євросоюзі, продукують із ріпаку. На виробництво цього екологічного палива в Євросоюзі в 2004 році витратили третину врожаю. В Україні створюють сприятливі умови для виробництва біодизелю. Так, обсяги виробництва в Україні ріпаку в 2004 р. становили 150 тис. т; у 2005 — 300, у 2006 — близько 650, у 2007 р. планується зібрати 1200 тис. т ріпаку. Але слід врахувати застереження деяких спеціалістів німецького сільськогосподарського товариства DLG, що часте вирощування на одних і тих самих площах ріпаку призводить до накопичення в грунті речовин, які негативно впливають на здоров’я людини.
У цілому, в Україні створюються оптимальні умови для виробництва біодизелю. Якщо площі під ріпак збільшити до 3 млн га, то виробленого з ріпаку біодизелю буде достатньо для покриття потреб сільського господарства в дизпаливі.
Потенціал виробництва біопалива з біомаси очевидний. Він може бути реалізований за допомогою традиційних технологій. У майбутньому велика увага надаватиметься розвиткові та впровадженню вдосконалених систем вирощування біомаси з дальшою переробкою й одержанням палива та інших матеріалів. Цей інтерес визначатиметься зростанням потреб у продуктах переробки біомаси.
Нині розробляють цікаві варіанти застосування енергетичних рослинних культур для виробництва газоподібних і рідких видів палива. Реалізуються проекти дослідження конверсії матеріалів, що містять лігноцелюлозу (наприклад, солома, деревні тріски та інші рослинні рештки), у рідке біопаливо або біогаз. Первинну біомасу використовуватимуть у виробництві біоетанолу для транспорту, біогазу для комбінованого виробництва тепла й електроенергії або як замінник природного газу, а також органічних добрив для відновлення оброблюваних земель.
Біогазові установки. Одним із найефективніших методів отримання електроенергії із біомаси є використання біологічної ферментації органічної маси, одержання біогазу і спалювання його в двигунах внутрішнього згоряння, що надають руху потужним електрогенераторам.
Біогаз — це газ, який приблизно на 60% складається із метану (СН4 ) і на 40% — із вуглекислого газу (СО2). Особливо ефективне використання біогазової технології під час переробки рідких стоків тваринницьких ферм, що дає можливість унеможливити потрапляння біогазу в атмосферу за нинішньої технології зберігання й використання рідких стоків тваринницьких ферм; знищити насіння бур’янів і яйця гельмінтів; нейтралізувати неприємні запахи; отримати високоякісні добрива, які посприяють підвищенню врожайності сільськогосподарських культур на 10–20%. Це пояснюється тим, що поживні речовини, що є в біомасі — азот і фосфор, — у процесі зброджування зберігаються. Завдяки цьому продукти збродження придатні для використання у виготовленні біологічних добрив.
Нині в світі біогазові установки виробляють переважно німецькі фірми в тому числі фірми PlanET BiogastechnickGmbH, Zorg, AgrikompGmbH, Frings-Biotte, Agraferm Technologies AG, EnviTec Biogas, Archea BiogastechologieGmbH, ProbitechGmbH тощо.
У Німеччині близько 80 фірм продукують біогазові установки.
Зазвичай, усі фірми виробляють біогазові комплекси, які складаються з ємностей для приймання рідкого гною і подрібненої рослинної маси, підігрівачі маси, метантенки, обладнання для фракціонування збродженої маси та енергетичні установки.
Слід зазначити, що 25–30 років тому Україна пережила бум у розробці та виготовленні біогазових установок. На біогазовому полігоні УкрЦВТ змонтували та випробували кілька експериментальних зразків вітчизняних установок, але далі справи не пішли. Зумовлено це було відсутністю в складі біогазових установок енергетичних блоків, великою часткою у балансі виробленої енергії витрат на виконання технологічного процесу, тобто низьким к.к.д. установок і браком дієвого екологічного законодавства.
Основні тенденції в розробці та виготовленні зарубіжних біогазових установок
1. Зарубіжні фірми не виготовляють стандартних типорозмірних рядів, а розробляють для кожного господарства проекти біогазових комплексів, виготовляють відповідну елементну базу (метантенки, енергетичні блоки) і збирають біогазові комплекси.
2. Біогазові установки виготовляють комплексними, починаючи з ферментації рідких органічних відходів і закінчуючи виробництвом електроенергії.
3. Для збільшення виробництва біогазу з 1 м3 вихідної маси німецькі фірми почали спеціально вирощувати й доставляти в метантенки подрібнену рослинну масу. Для цього використовують весь біологічний урожай кукурудзи.
Слід також наголосити, що біогазові установки вловлюють біогаз, переважно метан, який виділяється в атмосферу в нинішніх системах переробки гноєвих стоків ферм, а його спалювання запобігає потраплянню цього газу в атмосферу, скорочуючи викиди парникових газів, на що зобов’язалась Україна, ратифікувавши Кіотський протокол.
Основним бар’єром на шляху розвитку біогазових установок в Україні є те, що наявні в Україні біогазові установки мають незначну питому величину виходу біогазу. Це пов’язано насамперед з тим, що їхні конструкції не передбачають ефективного перемішування зброджуваної маси, інокуляції вхідної маси, утримання анаеробної мікрофлори в метантенку. Питання теплової ефективності біогазових установок та економічної ефективності використання збродженого гною та посліду поки що не вирішено для установок промислового масштабу.
У концепції розвитку технічної біоенергетики в Україні чільне місце посідає проблема використання енергії із соломи. Котли на соломі в Україні продукують ВАТ “ЮТЕМ” (Київ), ВАТ “Бриг”, ВАТ “Могилівський машзавод ім. С. М. Кірова”, ЗАТ “Порцелакінвест (Київ), ВАТ “Макагротех” (м. Макарів Київської обл.), ВАТ “ЮТЕМ” продукує котли за ліцензією данської компанії “ЮТЕМ”. Потужність у них — від 150 до 860 кВт. Вони пристосовані для використання пресованої соломи у великих рулонах і паках. Котли “ЮТЕМ” призначено для опалення ферм, теплиць, шкіл та інших об’єктів.
Для забезпечення ефективного використання соломи на енергетичні цілі слід виконати дослідження, створити належну інфраструктуру для пресування, перевезення, вантажно-розвантажувальних робіт, зберігання та подрібнення соломи, розробити й освоїти виробництво вітчизняних котлоагрегатів для спалювання соломи. Крім соломи, для одержання енергії доцільно використовувати деревину.
Головний недолік раніше розроблених концепцій розвитку енерговикористання побічної продукції рослинництва полягає у відсутності системного підходу, в їхній замкненості. Увага зосереджена переважно на підсистемі опалення виробничих і соціальних об’єктів, а не розглянуто можливості поліпшення енергозабезпечення зерносушарок, тепличних комплексів тощо. Запропоновано розробку та освоєння виробництва лише соломоспалювальних котлоагрегатів і не розкрито перспективи створення іншого теплоенергетичного обладнання. Нарешті, залишено без уваги особливості поєднання роботи всієї множини різнотипового обладнання (у тому числі серійного) в єдиній системі енергозабезпечення господарств.
У біоенергетиці пріоритетними є розробка біогазових установок для переробки різних видів сільськогосподарських відходів і рослинної біомаси, теплоенергетичного обладнання для спалювання соломи, відходів деревини тощо, а також розвиток технологій та обладнання для отримання рідкого біопалива.
Аналіз сучасного стану з використанням ПДЕ в країні дав змогу виокремити чотири основні групи чинників, що стримують широке впровадження поновлюваних джерел енергії у сільськогосподарському виробництві: соціально-психологічні, правові, фінансово-економічні та технологічні.
Попри певний прогрес у розробці технологій і обладнання для використання енергії вітру, сонця та біомаси, частка поновлюваних джерел в енергобалансі України незначна. Основними причинами такої ситуації є: брак науково обгрунтованої і взятої до реалізації національної програми розвитку поновлюваних джерел енергії в АПК України; відсутність загального компетентного керівництва дослідними та конструкторськими розробками ефективної техніки з урахуванням світового й вітчизняного досвіду та координації розробників, виготовлювачів і споживачів цього обладнання в Україні для ефективної інтеграції їхніх творчих, виробничих і фінансових можливостей; нестача інженерних і наукових кадрів, які комплексно володіють проблемою використання поновлюваної енергії і здатні вирішувати як технічні, так і екологічні та економічні проблеми; відсутність зацікавленості держави (підтвердженої законодавчо й фінансово) у впровадженні екологічно чистої поновлюваної енергії у сільське господарство та АПК України.
Вказані організаційні чинники разом із чисто технічними проблемами серйозно гальмують розвиток поновлюваної енергетики в Україні, хоча можливості її впровадження в сільськогосподарському виробництві майже безмежні.
Варто вжити заходів економічного характеру, спрямованих на підвищення зацікавленості потенційних споживачів у впровадженні ПДЕ, аж до пільгових кредитів і тарифів на електроенергію та прямих дотацій на виробництво й придбання техніки зацікавленими організаціями, господарськими колективами, фермерами.
Широке залучення в енергетичний баланс поновлюваних джерел — перспективний напрям, що забезпечує скорочення енергетичного дефіциту та охорону навколишнього середовища (див. табл. 3). Проте застосування таких поновлюваних джерел, як сонячна, вітрова, енергія біомаси, потребує проведення спеціальних досліджень з урахуванням кліматичних умов. Якщо ефективність застосування, наприклад, сонячної енергії у південних широтах країни не викликає сумнівів, то для північніших районів вона може бути досягнута за раціонального поєднання конструкційних, технологічних і організаційних факторів.
Найефективнішого використання поновлюваних джерел енергії і стабільного енергопостачання споживачів можна досягти за комбінованого вироблення електричної і теплової енергії та комплексного її акумулювання за поєднання з технологіями традиційної енергетики. Конструкції всіх видів обладнання для поновлюваних джерел енергії мають забезпечувати можливість їхньої паралельної роботи (комбінованого використання). Таке обладнання має працювати в автоматичному режимі без присутності обслуговуючого персоналу.
Враховуючи сказане вище, можна зробити такі висновки:
1. В умовах постійного зростання цін на традиційні енергоносії постає завдання забезпечити якнайширше залучення поновлюваних джерел енергії у паливно-енергетичний баланс країни. В Україні практичне використання поновлюваних джерел енергії становить доволі незначну частку в загальному енергоспоживанні, хоча енергетичний потенціал основних видів ПДЕ є доволі високим. Розвиток поновлюваних джерел енергії дає можливість підвищити рівень енергетичної безпеки завдяки використанню ПДЕ замість органічного палива; знизити негативний вплив на довкілля; мінімізувати локальні й глобальні екологічні проблеми; створити нові ринки товарів і послуг у сфері ПДЕ; здійснювати науково-дослідні та дослідно-конструкторські роботи у цій галузі тощо, що за максимального використання власного потенціалу країни дає змогу ефективно вирішувати загальні завдання сталого розвитку економіки.
2. Щоб широко впроваджувати поновлювані джерела енергії, найближчим часом для забезпечення більшої частини додаткових потреб в енергії на місцях потрібно конструкційно поліпшити наявне обладнання, збільшити його відповідність умовам використання, диференціацію за потужностями та схемами експлуатації, ніж це є нині.
3. В Україні широке впровадження поновлюваних джерел енергії стримує те, що у нас немає внутрішнього ринку вітчизняного обладнання й висока вартість отриманої енергії. Тому мають бути вжиті заходи економічного характеру, спрямовані на підвищення зацікавленості потенційних споживачів у впровадженні ПДЕ, аж до пільгових кредитів і тарифів на електроенергію і прямих дотацій на виробництво та придбання техніки зацікавленими організаціями, господарськими колективами, фермерами. Для економії енергетичних ресурсів і поліпшення екологічної обстановки в Державному бюджеті мають бути передбачені значні інвестиції в науково-дослідні й дослідно-конструкторські роботи, в організацію виробництва високоефективного обладнання.
4. Активне залучення в енергетичний баланс АПК поновлюваних джерел енергії можливе лише після насичення ринку відповідним технологічним обладнанням. Тому потрібно розробити концепцію впровадження поновлюваних джерел енергії у сільськогосподарському виробництві та на її основі розробити державні програми створення відповідного обладнання.

В. Ясенецький,
завлаб  поновлюваних джерел енергії  УкрНДІПВТ
ім. Л. Погорілого
В. Клименко,
старший науковий  співробітник