Розглянуто найактуальнішу проблему паливно-енергетичної структури ХХІ ст. Вперше продемонстровано різновекторність підходу авторів до теоретичних та прикладних проблем водневої енергетики. Висвітлено загальні питання фундаментально-прикладних аспектів походження водню. Наведено результати наукових розробок з картування водню, виконаних у рамках наукових і практичних пошукових і геоекологічних досліджень на понад 200 вуглеводневих об'єктах на суходолі (включаючи шахтні поля) та в морських акваторіях. Обґрунтовано прогнозно-пошукові системні критерії, де складовою частиною комплексу методичних рішень вперше в пошуковій практиці використовувся водень. Показано важливість вирішення проблеми геоекологічних процесів і подій у шахтних виробках та свердловинах, з якими пов'язані численні катастрофи. За багатьма дослідженнями шахтних масивів наводено розроблений комплекс упереджувальних заходів та критеріїв, що унеможливлюють вибухонебезпечні процеси. Наведено наявність унікального природного комплексу складових водневої технології, сонячних та вітрових енергоресурсів та прісних вод придунайських озер та Дунаю. Відображено вирішальну роль України в змаганні за першість у наукових розробках. Вперше у світовій практиці обґрунтовано впровадження глобальних проєктів з видобування та виробництва зеленого та білого водню. Технологію апробовано на чисельних родовищах вуглеводнів, водних ресурсів і в шахтних виробках, і тому має всі перспективи для ефективного застосування при пошуках і видобутку водню.

Реалізовано перших два етапи системного аналізу плану відбудови та розвитку енергетики України в напрямку інтеграції в неї відновлювальних джерел, тобто, плану, розробленого групою фахівців при Кабміні України та оприлюдненого в липні 2022 р. Системний аналіз здійснюється, по-перше, з метою вироблення реалістичніших оцінок урахуванням збитків, нанесених бомбардуваннями об'єктів української енергетичної інфраструктури протягом року, відлік якого починається від дня вторгнення російських окупаційних військ на територію України в лютому 2022 р. По-друге, системний аналіз здійснюється для окреслення реалістичніших траєкторій подальшого розвитку української енергетики, обумовлених цими уточненими оцінками збитків. Згідно з ідеологією системного аналізу цей метод реалізується в п'ять етапів. Перший етап включає в себе окреслення об'єкта дослідження, постановку задач та визначення критеріїв оцінки отриманих результатів. На другому етапі виокремлюється об'єкт дослідження з навколишнього середовища і визначаються точки, ліній чи поверхонь контакту цього об'єкта з навколишнім середовищем та уточнюються обмеження, в полі яких об'єкт дослідження реалізує закладену в нього програму функціонування. Третій етап включає в себе синтез математичних моделей процесів, що відбуваються в об'єкті дослідження. Четвертий етап містить в собі вибір метода та результати дослідження і їх оцінку, отримані з використанням синтезованих на третьому етапі математичних моделей та вибраних на першому етапі критеріїв. На п'ятому етапі оптимізується функціонування об'єкта дослідження у випадку, якщо дослідників не задовольняють результати, отримані на четвертому етапі системного аналізу. Розкриваючи суть усіх етапів системного аналізу зрозуміло, що в одній публікації вмістити увесь матеріал, отриманий на кожному з п'яти його етапів, неможливо, тому у першу статтю з системного аналізу плану відбудови та розвитку енергетики України в напрямку інтеграції в неї відновлювальних джерел включені лише матеріали, отримані в результаті реалізації перших двох етапів системного аналізу.

Локальні енергоринки є окремою системою розподілу з декількома джерелами розосередженої генерації та з власним оператором, який не залежить від мережі. Вартість електроенергії в локальних системах залежить від багатьох критеріїв, серед яких витрати первинного палива дизель-генераторів, що залежать від його потужності. Рівномірний розподіл потужностей між паралельно ввімкненими генераторами призводить до збільшення витрат первинного палива. Розроблено алгоритм оптимізації витрат палива, який виконує розрахунок розподілу потужностей паралельно з'єднаних генераторів. Ці потужності відповідають мінімальному значенню витрат палива. Розглянуто систему з трьома дизель-генераторами та варіант з заміною одного генератора на сонячну електричну установку. У порівнянні з рівномірним розподілом використання оптимального алгоритму дає змогу знизити ціну в середньому від 9 до 20 %. Введення сонячної установки з акумуляторною батареєю дало змогу підвищити енергоефективність та зменшити ціну за рахунок менших поточних витратах сонячної установки.

Викладено матеріали щодо природи та особливостей використання відновлювальних джерел енергії. Висвітлено загальні питання екологічного впливу та економічної доцільності ресурсозберігаючої енергетики. Розглянуто закономірності розвитку ресурсозберігаючої енергетики у світі і в Україні. Проаналізовано фізичні та технічні основи застосування відновлювальних джерел для генерації теплової та електричної енергії. Досліджено принципи роботи і позитивні та негативні сторони різних класів енергетичних установок, їх структурні схеми, параметри, характеристики і конструкції. Значну увагу приділено умовам підвищення ефективності функціонування та коефіцієнту корисної дії сучасних генеруючих енергетичних станцій на основі відновлювальних джерел. Окреслено основні режими роботи, базові принципи керування і регулювання параметрів різних енергетичних установок. Наведено матеріали щодо систем акумулювання теплової та електричної енергії, одержаної з відновлювальних джерел.

Розглянуто проблеми енергетичної безпеки в умовах зростання світових цін на викопні енергоресурси, а також військових дій на території України, у наслідок яких змінилися глобальні моделі торгівлі, виробництва та споживання. Зауважено, що науково-практичний інтерес представляє розгляд біоенергетики в контексті закону збереження та перетворення енергії, заперечення щодо неправомірності вживання терміну відновальності енергії на планеті Земля, яке правомірно лише для Всесвіту. Проведено системний аналіз динаміки споживання та виробництва енергоресурсів у світі та Україні. Увагу приділено тенденціям виробництва основних видів біопалива (біодизель, біоетанол тощо), досвіду його виробництва в країнах світу, формуванню ринку рідкою біопалива, законодавчо-нормативному забезпеченню регулювання його виробництва та використання.

Розглянуто найактуальнішу проблему паливно-енергетичної структури ХХІ ст. Вперше продемонстровано різновекторність підходу авторів до теоретичних та прикладних проблем водневої енергетики. Висвітлено загальні питання фундаментально-прикладних аспектів походження водню. Наведено результати наукових розробок з картування водню, виконаних у рамках наукових і практичних пошукових і геоекологічних досліджень на понад 200 вуглеводневих об'єктах на суходолі (включаючи шахтні поля) та в морських акваторіях. Обґрунтовано прогнозно-пошукові системні критерії, де складовою частиною комплексу методичних рішень вперше в пошуковій практиці використовувся водень. Показано важливість вирішення проблеми геоекологічних процесів і подій у шахтних виробках та свердловинах, з якими пов'язані численні катастрофи. За багатьма дослідженнями шахтних масивів наводиться розроблений комплекс упереджувальних заходів та критеріїв, що унеможливлюють вибухонебезпечні процеси. Наведено наявність унікального природного комплексу складових водневої технології, сонячних та вітрових енергоресурсів та прісних вод придунайських озер та Дунаю. Відображено вирішальну роль України в змаганні за першість у наукових розробках. Вперше у світовій практиці обґрунтовано впровадження глобальних проєктів з видобування та виробництва зеленого та білого водню. Технологія апробована на чисельних родовищах вуглеводнів, водних ресурсів і в шахтних виробках, і тому має всі перспективи для ефективного застосування при пошуках і видобутку водню.

Індекс рубрикатора НБУВ: З15 + З6

Рубрики:

Джерела енергії. Енергетичні ресурси.Поновлювані джерела енергії

Інші галузі енергетики

Шифр НБУВ: Ж25096 Пошук видання у каталогах НБУВ 

На основі даних моніторингу результатів наукових досліджень, який проводиться Інститутом досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г. М. Доброва НАН України, наведено статистичні дані щодо розвитку досліджень в галузі відновлюваної енергетики установами Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України за період з 1995 по 2000 рік. Відзначено стійкий тренд зростання кількості робіт з цієї тематики - за розглянутий період їх кількість зросла приблизно в чотири рази. Показано, що між результативністю робіт та обсягом фінансування за інших рівних умов існує високий коефіцієнт кореляції.

Висвітлено проблеми, що спричинені прискореним використанням відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) та відповідним накопиченням відходів. Розглянуто перспективи найближчих років, пов'язані з потребами енергетичного переходу до чистих технологій та сталого розвитку. Основна увага приділена питанням утилізації обладнання відновлюваної енергетики, особливо вітрової та фотоелектричної, після завершення термінів експлуатації. Проаналізовано стан справ у світі з переробкою та продовженням життєвого циклу матеріалів ВДЕ. Підкреслено важливість впровадження економіки замкнутого циклу у сфері відновлюваної енергетики і наголошено на її ролі у боротьбі за скорочення викидів парникових газів. Проведено аналіз проблем, пов'язаних з утилізацією відходів у технологіях сонячної і вітроенергетики. Наведено приклади інноваційних розробок лопатей вітроелектричних турбін провідними компаніями для забезпечення утилізації відходів матеріалів та компонентів турбін, які сприяють вирішенню проблеми. Щодо відходів фотоелектричних панелей виконано аналіз поточного стану з їх утилізацією, дано рекомендації на найближчу перспективу. Надано узагальнені рекомендації на підставі досліджень, виконаних провідними фахівцями, для впровадження заходів з використання відходів ВДЕ.

Представлено результати теоретичних і прикладних досліджень та практичного доробку вітчизняних вчених у галузі зеленої водневої енергетики. Завдяки екологічним перевагам водневих технологій їх широке застосування є одним із перспективних сучасних напрямів декарбонізації світової енергетики. У рамках створення комплексних енергосистем на основі ВДЕ, починаючи з 1980 року в Україні проводились наукові дослідження щодо використання водню як енергоносія та акумулювального середовища. Досліджувались різні форми зберігання і транспортування водню та визначались найприйнятніші методи акумулювання з урахуванням подальшого його використання в енергосистемах на основі ВДЕ: спалювання з отриманням теплової енергії, перетворення в електричну енергію в мотор-генераторах і паливних елементах, використання паливних сумішей з бензином в автотранспорті. На основі аналізу науково-технічної інформації та практичних напрацювань у галузі водневої енергетики було створено ряд моделей екологічно чистих систем виробництва, зберігання і використання водню різної енергетичної ємності в залежності від потужності енергоустановок на основі ВДЕ, визначено їх енергетичні параметри, економічні показники, технічне і технологічне забезпечення. У результаті спільної роботи творчих колективів данських і українських вчених за договором між Фолькецентром (Данія) та інститутом електродинаміки НАН України від 1990 року на основі науково-технічних рішень з отримання водню від ВДЕ, його зберігання і подальшого перетворення в електричну і теплову енергію та використання як палива в автотранспортних засобах, створено першу в Європі вітроводневу станцію. Результати її подальших випробувань стали реальною основою для розвитку сучасної екологічно чистої галузі водневої енергетики. Наведено результати сучасних досліджень у галузі зеленої водневої енергетики, енергетичний потенціал зеленого водню на території України та перспективи його виробництва і застосування. Визначено основні напрями розвитку водневої енергетики для побудови нової економічної моделі України, спрямовані на створення послідовної загальнодержавної політики, яка забезпечить застосування зеленого водню як енергетично та екологічно ефективного енергоносія - важливої складової безвуглецевого енергетичного комплексу.

Запропоновано метод дослідження ефективності заходів компенсації нестабільності генерування відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) в електроенергетичних системах (ЕЕС). Через залежність генерування електроенергії сонячними і вітровими електростанціями від природних умов виникають проблеми участі їх в процесі балансування режимів ЕЕС. Виконати запланований і затверджений погодинний графік на наступну добу для них є нереальним. Тому в ЕЕС змушені тримати резерв потужності для компенсації відхилень ВДЕ від прогнозованого графіка генерування. Оскільки ці відхилення можуть бути як в більшу, так і меншу сторони від допустимого, то це відповідним чином формує засоби з балансування режимів ЕЕС. Насамперед використовується загальносистемний резерв (в основному це маневрені потужності теплових і гідроелектростанцій). Оскільки цього резерву недостатньо, то планується використовувати доступні на сьогодні засоби резервування потужності: електрохімічні накопичувачі електроенергії, водневі і біогазові технології. Для аналізу техніко-економічної ефективності будь-яких засобів резервування розроблено математичні моделі на основі теорії подібності і критеріального методу. Такому методу надано перевагу через те, що він за мінімально доступної вихідної інформації забезпечує можливість порівнювати між собою різні способи компенсації нерівномірності генерування ВДЕ, оцінювати їх співмірність, а також визначити чутливість витрат до потужності способів резервування. Сформовано критеріальні моделі, які дозволяють побудувати залежності витрат на компенсації нерівномірності генерування ВДЕ від потужності засобів резервування. Ці залежності дають можливість обгрунтованіше вибирати на першому етапі ті чи інші способи резервування відповідно до характеристик і вимог ЕЕС. Вони можуть бути уточнені, якщо будуть відомі цінові показники, що діють на сьогодні та на найближчу перспективу.

Наведено результати аналізу різних стратегій розвитку генеруючих потужностей, в яких використовуються відновлювані джерела енергії (ВДЕ). Показано, що прогнозні показники обсягів виробництва електроенергії з ВДЕ та встановлена потужність відповідних генеруючих установок є загальносистемними і не відображають особливості їх регіонального розвитку. Зазначено, що регіональний розвиток потужностей, які використовують ВДЕ, обумовлює утворення "розумних" мереж, тобо таких учасників ринку електроенергії, які здатні формувати власні графіки виробництва-споживання електроенергії в енергосистемі. Для відображення особливостей функціонування "розумних" мереж в Об'еднаній енергосистемі України сформульовано та розв'язано задачу моделювання регіонального розподілу загальносистемних обсягів виробництва електроенергії з ВДЕ, зокрема генеруючим устаткуванням вітро- (ВЕС) та сонячних електростанцій (СЕС). При розв'язанні задачі враховано регіональні відмінності у ефективності використання генеруючого устаткування ВЕС та СЕС, темпи соціально-економічного розвитку регіонів, максимально досяжні значення обсягів виробництва електроенергії ВЕС та СЕС в регіональних енергосистемах України, а також значення вже встановленої потужності та обсягів виробництва електроенергії ВЕС та СЕС в цих регіональних енергосистемах у базовому році. Подано результати моделювання регіонального розподілу загальних обсягів виробництва електроенергії ВЕС та СЕС на довгостроковий період за двома можливими сценаріями.

Підручник розроблено на основі останніх досягнень та результатів науково-дослідних робіт. Вміщено актуальні узагальнення щодо конструкції, розрахунку та експлуатації систем відновлюваної енергетики в аграрному виробництві. Серед них основні поняття щодо систем відновлюваної енергетики в аграрному виробництві, основ виробництва і використання дизельного біопалива, біоетанолу. Звернено увагу на виробництво і використання біогазу та біометану, використання соломи для енергетичних потреб, виробництво енергетичних культур, виробництво і використання газогенераторів та піролізного газу. Описано особливості використання низькотемпературних джерела тепла, вітрової та сонячної енергії, а також біоводню.

Запропоновано та обгрунтовано оригінальний підхід до проектування інформаційної системи моніторингу стану та динаміки розвитку малих, або малопотужних генеруючих об'єктів регіональних енергосистем, у складі яких постійно зростає кількість електростанцій на відновлюваних джерелах енергії. Розроблено нову систему опису зазначених електростанцій за допомогою розширення переліку показників їх функціонування. На відміну від опису показників об'єктів виробників електроенергії (ЕЕ) централізованої енергосистеми, додано їх деталізацію на рівні регіональних енергосистем щодо видів енергетичних ресурсів, які використовуються для виробітку ЕЕ, а також характеристика їх приєднання до (високовольтних або розподільних) мереж передачі ЕЕ. Визначено основне призначення інформаційної системи, що пропонується до розробки, - формування інформаційного ресурсу, що актуалізується, для вирішення завдань моделювання процесів ціноутворення на ринку ЕЕ та розробки регуляторних механізмів стимулювання розвитку відновлюваної енергетики на рівні регіональних енергосистем Об'єднаної енергосистеми України.

Розглянуто особливості зберігання електроенергії, виробленої традиційними системами та з використанням відновлюваних джерел енергії; обговорено стан проблеми. Наведено приклади промислового застосування систем акумуляції електроенергії з використанням стисненого та зрідженого повітря. Показано, що системи накопичення електроенергії на рідкому повітрі є найефективнішими. Запропоновано схему накопичення електроенергії та її виробництва з використанням турбодетандерних електрогенераторних агрегатів із застосуванням зрідженого повітря. Запропоновано схему одержання рідкого медичного кисню за криогенним методом на малотоннажному транспортабельному обладнанні.

Індекс рубрикатора НБУВ: З15 + З354.3 + З6

Рубрики:

Джерела енергії. Енергетичні ресурси.Поновлювані джерела енергії

Водень як енергетичне паливо

Інші галузі енергетики

Шифр НБУВ: Ж28350 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Розглянуто нетрадиційні та відновлювальні джерела енергії. Охарактеризовано стан і перспективи впровадження альтернативних джерел енергії. Описано технології виробництва сучасних альтернативних джерел енергії з метою енергозбереження. Висвітлено основі засади державної політики у сфері альтернативних джерел енергії. Розкрито конструктивні особливості вітроелектростанцій. Увагу приділено сонячним системам електропостачання, геотермальній енергетиці, вторинним енергоресурсам та їх утилізації. Розглянуто питання термоядерної енергетики.

Наведено підходи до вирішення завдання оптимізації складу джерел енергії ГЕТК шляхом мінімізації фінансових видатків на енергетичне обладнання. Питання техніко-економічної ефективності ГЕТК вирішуються шляхом вибору оптимального складу основного обладнання: встановленої потужності фотоелектричної станції (ФЕС); встановленої потужності вітроелектричної станції (ВЕС); кількості та встановленої потужності дизельних генераторних установок (ДГУ); кількості та потужності накопичувачів електроенергії (СНЕ). Для оптимізації використовується багатокритеріальна функція оптимізації та градієнтний метод оптимізації. Наведено математичні моделі джерел енергії, які входять до складу системи електрозабезпечення: дизель-генераторів, фотоелектростанцій, ВЕС, накопичувачів електричної енергії. Крім того, вирішується задача мінімізації витрат користувача мікромережі на електричну енергію (ЕЕ), що реалізується шляхом розробки алгоритму оптимізації режимів джерел живлення та визначення значення енергії, яка отримується від кожного з джерел енергії та накопичувача електричної енергії з урахуванням тарифів на ЕЕ від енергосистеми. Оптимізація режимів системи електрозабезпечення проводиться з використанням оптимального добового графіка навантажень. При вирішенні задач оптимізації враховуються обмеження на кількість запусків дизель-генератора протягом доби та кількості зарядів/розрядів акумуляторних батарей протягом року. Вирішення задач оптимізації добового графіка навантаження та режимів роботи системи електрозабезпечення проводиться на основі прогнозованих на основі статичних даних і метеоданих добових графіків генерації ЕЕ ФЕС, ВЕС. Наведено результати імітаційного моделювання системи електрозабезпечення цивільного об'єкта з відновлювальними джерелами енергії та накопичувачами ЕЕ в середовищі Matlab/Simulink.

Мета роботи - розробка системи керування інверторами джерел розосередженої генерації з мінімізацією гармонічних викривлень вихідної напруги. Даний напрямок є актуальним у зв'язку з бурхливим розвитком джерел відновлювальної енергії, а також потенційним їх впливом на зниження якості електричної енергії. Використано методи теорії автоматичного керування при аналізі динамічної системи відновлювальне джерело енергії - інвертор - фільтр - мережа та розробки регуляторів системи керування, методи математичного моделювання для аналізу процесів у електроенергетичній системі з відновлювальними джерелами енергії, методи теоретичних основ електротехніки для аналізу складових активної та реактивної потужності, що циркулює між джерелом енергії та мережею централізованого електропостачання. Розроблено принцип функціонування систем інтеграції відновлювальних джерел енергії до мереж електропостачання з мінімізацією впливу на показники якості електричної енергії. В основі розробленого принципу - двоконтурна система керування, яка містить зовнішній контур керування величинами вихідної напруги та частоти інвертора, а внутрішній контур - керування складовими вектору мережевого струму. Розроблена система керування може знаходити практичне втілення у системах інтеграції відновлювальних джерел енергії, а також в системах поліпшення якості електричної енергії. Розглянуто принципи формування систем керування мережевими інверторами задля мінімізації їх впливу на якість електричної енергії в мережі. Розглянуто аналітичні залежності, що описують динамічну систему відновлювальне джерело енергії - інвертор - фільтр - мережа змінного струму та складено модель у просторі станів, що може бути основою для синтезу системи керування. Запропоновано внутрішню систему керування струмом реалізовувати з використанням H-регуляторів, а зовнішню систему керування величинами амплітуди та частоти вихідної напруги - з використанням методу статизму.

В містах проживає 70 % населення України. Забезпечення міст із щільною забудовою електричною енергією здійснюється в основному від централізованих джерел генерації: ТЕС, ТЕЦ, АЕС, ВДЕ, а тепловою - від ТЕЦ та газових котелень. Проаналізовані можливості енергетичного самозабезпечення міст України на основі використання альтернативних та місцевих джерел енергії. У енергозабезпеченні міст спостерігається світова тенденція збільшення частки ВДЕ, особливо у містах та районах із котеджною забудовою. Забезпечення міст власними енергоресурсами може бути досягнуто за умови комплексного використання відновлюваних та місцевих джерел. Виробництво електричної енергії відновлюваними джерелами по показниках повернення інвестицій EROі та нормованої вартості енергії за життєвий цикл джерела генерації LCOE наближається до показників для традиційних джерел. Наведено приклади використання ВДЕ задля забезпечення енергетичних потреб будинків та поселень в Європі. Висока вартість енергії з ВДЕ стримує розвиток цього напрямку в Україні. Ефективність використання відновлюваних та місцевих джерел у будівлях досягається тільки з одночасним запровадженням енергозберігаючих заходів - утепленням будинків, впровадженням систем контролю енерговитрат.