Анализ использования нетрадиционных источников энергии в энергетических системах сельскохозяйственных предприятий

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»
На тему: «Анализ использования нетрадиционных источников энергии в
энергетических системах сельскохозяйственных предприятий Тамбовской
области»
Научный руководитель: к.т.н., доцент
Автор магистерской диссертации: Бегдамиров Денис Рафаэлевич
Тамбов 2025

2.

Целью диссертационной работы: исследование и обоснование эффективности технологий повышения
надежности региональных систем электроснабжения.
Методология исследования: опирается на основные теории электрических сетей, математического
моделирования и теории надежности.
Научная новизна работы: заключена в проведении исследования по обоснованию эффективности
технологий повышения надежности региональных систем электроснабжения.
Практическая значимость работы.
Предложенные методы могут найти применение электросетевых организациях, в службах метрологии и
качества.

3.

ГЛАВА 1 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
Электроэнергетика – один из важнейших видов промышленного производства, включающий в себя производство,
передачу и сбыт электроэнергии, и являющийся основой функционирования экономики и жизнеобеспечения населения.
Важным условием конкурентоспособности энергетики является внедрение энергосберегающих технологий во всех
звеньях экономики и, в частности, повышение экономической эффективности использования энергоресурсов в
промышленности.
В Тамбовской области за 2022 г. всеми предприятиями и организациями произведено 1178,5 млн. кВт ∙час
электроэнергии. Кроме того, из-за пределов области получено 2738,8 млн. кВт ∙час электроэнергии, отпуск за ее пределы
составил 488,0 млн. кВт ∙час.
Постоянный рост цен на электроэнергию является серьезным фактором, усиливающим важность решения вопроса
экономии электроэнергии. В настоящее время приоритетными направлениями развития электроэнергетики является
энергосбережение и энергоэффективность.

4.

Повышению энергоэффективности систем электроснабжения
способствуют:
- обеспечение надежности электроснабжения;
- обеспечение стандартов качества электроэнергии;
-
снижение
потерь
электроэнергии
(технологический
и
электромагнитный ущерб);
- снижение эксплуатационных расходов, предотвращение аварий за
счет внедрения современного оборудования.
Систему электроснабжения можно представит в виде древовидной
структуры (рисунок 1), которая наглядно представляет процессы
передачи электрической энергии к электроприемникам.
Рисунок 1 - Структура СЭС

5.

Пример схемы СЭС с выделенными структурными
уровнями представлен на рисунок 2.
Указанное количество уровней можно считать
минимальным.
Возможно
появление
заводских
распределительных пунктов на 110 (220) кВ, которые
питаются
от
предназначены
районных
источников
питания
и
для
увеличения
количества
присоединений и экономии проводниковой продукции.
Рисунок 2 – Уровни системы электроснабжения

6.

Всего в 2023 г. в области произведено собственной электроэнергии 1178,5 млн. кВт ч, что составляет 31 % от общего
потребления электроэнергии в Тамбовской области (таблица 1). Данный индикатор находится на кризисном уровне.
Таблица 1 - Структура электропотребления в Тамбовской области (млн.кВт∙ч)
Наименование
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
2023
Выработано всего в том числе:
1444,7
1290,3
1320,8
1211,5
1084,3
1261,2
1178,6
1076,6
ТЭС
1444,7
1290,3
1320,8
1211,5
1084,3
1261,2
1178,6
1076,6
Получено
2646,6
2774,5
3353,6
2707,1
3132,3
3231,6
2738,8
2759,2
Отпущено
457,2
474,3
1157,7
774,9
875,1
1076,9
488,0
356,9
Сальдо-переток
2189,4
2300,2
2195,9
1932,2
2257,6
2154,7
2250,8
2402,3
Потреблено всего, в том числе
3634,1
3590,5
3516,7
3143,7
3341,9
3415,9
3429,3
3478,7
Промышленность
868,2
883,7
857,6
828,0
691,5
771,8
775,5
884,4
Строительство
49,9
46,7
39,9
28,1
35,6
39,5
33,3
39,5
Сельское хозяйство
112,7
88,6
75,1
67,0
61,1
72,9
139,9
147,9
Транспорт и связь
906,3
890,4
818,4
521,3
680,6
650,5
562,9
543,9
Коммунально-бытовой сектор,
сфера услуг и население всего:
в том числе: население
831,2
3837,6
1252,1
1251,9
1407,8
1446,1
1413,1
791,9
804,6
750,1
750,1
772,5
791,7
798,6
781,8

7.

Рисунок 3 - Потребление электроэнергии на душу
человека
Рисунок 4 - Состояние расчетов по дебиторскокредиторской задолженности предприятий
электроэнергетики Тамбовской области

8.

ГЛАВА 2 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Основными источниками российской энергетической биомассы являются:
- органические отходы агропромышленного комплекса с энергосодержанием до 80 млн. т.у.т./год;
- органические
отходы лесопромышленного комплекса (при условии использования современных
технологий лесопроизводства и деревообработки) с энергосодержанием до 1 млрд. т.у.т./год; (весь лесной
запас – 20 млрд. т.у.т.);
- отходы городов (сточные воды и твердые бытовые отходы);
- торф (всего -60 млрд. т.у.т. 10,7 млрд. т.у.т. промышленный фонд, 100 млн. т.у.т./год);
- энергетические плантации (минимум 270.9 млн. т.у.т./год, 19,5 млн. га - 20%, биогаз – 228,5 млн. т.у.т.,
этанол – 41,9 млн. т.у.т.);
- биогазификация остаточной нефти

9.

Таблица 2 - Общие данные по валовым ресурсам возобновляемых источников энергии по Федеральным округам РФ
Федеральный Солнечн Энерги
Малая
округ
ая
я ветра гидроэнергет
энергия млрд. ика млн.ту.т.
млрд.
ту.т.
ту.т.
Вид ресурсов
Энергия биомассы
Отходы
Эксплуатацион
ные запасы
термальных вод
и
парогидротерм
млн.Гкал/год
Торф
ЛПК
АПК
ЖКХ Млн.т
млн.ту. млн.ту. млн.ту.т
у.т
т
т
8,6
1,7
1,095 2900,9
СевероЗападный
Центральный
178,2
58,8
54,55
84,9
9,8
2,9
1,5
14,5
3,22
760,7
Южный,
включая
СКФО
Приволжский
100,7
24,0
20,6
0,37
24,8
1,956
0,3
140,8
32,1
11,9
4,24
24,9
2,65
413,8
Уральский
215,6
219,9
25,9
4,23
3,35
1,049
2534,0
Сибирский
672,0
295,8
147,9
18,13
11,82
1,48
3632,5
Дальневосточ
ный
813,2
335,8
153,7
11,4
0,73
0,56
510,5
29,5
1,3

10.

На рисунке 5 приведена
схема
комбинированной
энергетической
технологии
получения электрической и
тепловой
энергии
и
минеральных удобрений при
сжигании
помета
с
постоянным использованием
природного
газа
подсушивания
сырья
течение
Подобные
года.
для
в
системы являются самыми
перспективными
серийного
применения
для
в
России.
Рисунок 5 – Схема производства электрической энергии при сжигании органических отходов птицефабрики с
использованием природного газа, или каменного угля, или древесной щепы

11.

Россия является мировым
лидером по лесным ресурсам,
обладая
четвертой
частью
мировых запасов древесины,
оцениваемых в 82 млрд. м3
или 41 млрд. т.. На рисунке 6
приведены
потенциальные
количественные
данные по
производству
различных
видов
биотоплива:
пеллет,
этанола, сингаза, водорода и
бутанола,
из
отходов
лесопроизводства
и
деревопереработки
при
применении
технологий.
-
современных
Рисунок 6- - Потенциальные объемы производства биотоплив из отходов
лесопроизводства и деревообработки в России

12.

Таблица 3 - Виды и количества биомассы,
№
Сырье
достаточные для создания электростанций с
установочной мощностью не менее 5 МВт
1
древесина
энергетической
2
торф
биомассы в России, достаточные для создания
3
солома
электростанций мощностью не менее 5 МВт. В
4
Син-газ из
древесины
Потенциальные
запасы
Теплотворна Технологи
Количество
я
и
биомассы, тонн
способность
Влажность
В час
В сутки
А.с.в.
4000,0
ккал/кг
5000,0
ккал/кг
3200,0
ккал/кг
1500,0
ккал/кг
сжигание
3,125
75,0
х
сжигание
2,5
60,0
х
сжигание
3,9
93,75
х
сжигание
6,4
154,0
х
3200,0
ккал/кг
5000,0
ккал/кг
Навоз КРС
сжигание
3,9
93,75
х
сжигание
2500
куб.м
62,0
60000
куб.м
1500,0
х
62,0
3,5
1500,0
83,3
2,5
60,0
11,4
273,0
Естественная
На 1 год 17
тыс.га
375,0 т/сут
75%
таблице 3 представлены расчетные данные по
количеству
различных
необходимого
для
видов
создания
биомассы,
электростанции,
5
мощностью не менее 5 МВт.
В России электростанции мощностью 5 МВт
можно создавать при использовании древесины,
6
7
торфа и куриного помета при их сжигании.
8
Куриный
помет
Биогаз
Свиной навоз
ТБО
3600,0
сжигание
ккал/кг
Энергетич Биогаз 5000,0 сжигание
еские
ккал/кг
плантации
топинамбу
р
Генератор
1100,0
сжигание
ный газ
ккал/нм
85,0%
85,0%
277,7 т/сут
А.с.в.
300,0 т/сут
На 1 год 10
тыс.га

13.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
В
настоящее
время
важной
задачей
является
создание
интегрированной,
саморегулируемой,
распределенной системы электроснабжения, обеспечивающей автоматическое управление электросетями и
объединяющей энергетические, информационные и финансовые потоки в едином канале по силовым цепям.
Наиболее
подходящей
концепцией
для
потокового
моделирования
многоуровневых
электроэнергетических сетей является концепция иерархических распределенных канальных систем (ИРКС),
основные характеристики которой заключаются в следующем.

14.

d k / z k v, k 1 , K ;
d k d l c j , j 1, n ;
k D ( N j ) l D ( N j )
m
n
i 1
j 1
gi c j ;
d k 0, k 1, K ;
g i 0, i 1, m .
Рисунок 7 - Общая схема графа, моделирующего
ИРКС
1. Решаем исходную задачу без ограничений на пропускную
способность каналов (дуг).
2. Если при этом нагрузка всех каналов удовлетворяет
ограничениям сверху, то задача решена (конец работы
алгоритма).
3. Выбираем произвольный .
4. К ограничениям задачи 1 добавляем ограничение .
5. Из ограничений задачи 1 исключаем ограничение .
6. Переходим к п. 1 (повторно решаем задачу).

15.

В настоящее время целевой показатель развития использования ВИЭ определен Федеральным законом «Об
электроэнергетике» как объем производства и потребления электрической энергии с использованием ВИЭ в
совокупном балансе производства и потребления электрической энергии. Практика применения данного
показателя для установления целей развития ВИЭ в Российской Федерации показала неприемлемость его
использования для декомпозиции по субъектам Российской Федерации. Кроме того, значения потребления и
производства электрической энергии существенно различаются между собой, особенно в ряде регионов, а сам
показатель зависит от нерегулируемых факторов, темпов развитии иных видов генерации, причем его величина
при учете крупных ГЭС (с субъективно установленной границей между малыми и крупными ГЭС) уменьшается,
начиная с 2005 года.
Учитывая изложенное, предлагается заменить действующий целевой показатель развития использования ВИЭ
на показатель суммарной установленной мощности генерирующих объектов, функционирующих на основе
использования ВИЭ, в Российской Федерации и субъектах Российской Федерации, что одновременно позволит
повысить роль исполнительных органов власти субъектов Российской Федерации в планировании и координации
развития использования ВИЭ.

16.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационном исследовании достигнуты следующие результаты:
-
Проведен анализ региональной структуры потребления электроэнергии.
-
Проведен анализ использования биомассы.
-
Проведен анализ построения региональной системы электроснабжения на основе собственных источников
электроэнергии.
-
Проведен анализ технологий оптимизации развития региональной электрической сети.
-
Проведены анализ экономического обоснования использования биоэнергетических установок в структуре
региональных электрических сетей.