В кінці вересня і на початку жовтня — одразу після Дня університету, який ми щороку проводимо у перший вівторок жовтня, в нашому університеті пройшли дві Міжнародні наукові конференції: «Автоматика-2006» (по плану Національної асоціації України з автоматичного управління) та «1-й Всеукраїнський з’їзд екологів» (разом з Міністерством охорони навколишнього природного середовища України та Національною академією наук України). У екологів я був головою Програмного комітету, у кібернетиків — заступником голови (головою був директор Інституту космічних досліджень НАНУ і НКАУ, академік Всеволод Кунцевич, який є головою Української національної асоціації з автоматичного управління).

На обох наукових форумах я виступив з пленарними доповідями. Перед екологами я виступив з доповіддю «Екологічні та економічні аспекти створення повітряних акумулюючих електричних станцій (ПАЕС)», а перед кібернетиками — з доповіддю «Системи еколого-енергетичного управління». Оскільки широкий читач з матеріалами цих конференцій навряд чи матиме змогу ознайомитись, то я вирішив розмістити фрагменти першої із цих доповідей, яка є більш зрозумілою непідготовленому читачеві, і на сторінках цієї, розрахованої на широкого читача книги. А кому питання енергетики взагалі і вітроенергетики зокрема, які підняті в моїх доповідях, не будуть цікавими, той далі читати цей розділ не буде.

Далі подаю фрагменти тексту доповіді у тому ж варіанті, в якому вона подана в матеріалах 1-го Всеукраїнського екологічного з’їзду.

УДК 620-91

Мокін Б. І. (Україна, Вінниця)

ЕКОЛОГІЧНІ ТА ЕКОНОМІЧНІ АСПЕКТИ СТВОРЕННЯ ПАЕС

Висвітлені екологічні та економічні перспективи доповнення ЕЕС акумуляторами енергії класу ПАЕС, запропоновані функціональні схеми комплексів ВЕС-ПАЕС та економіко-математичні моделі для їх аналізу.

Вступ

Проблеми нестачі енергоресурсів та проблеми погіршення стану навколишнього середовища з кожним днем стають усе актуальнішими для людства. Тож пошук методів розв’язання цих проблем для науковців є теж актуальним [5, 7].

Добуваючи первинні енергоресурси, руди та будівельні матеріали, людство погіршує стан навколишнього середовища, зменшує ареал комфортного проживання та збільшує небезпеку руйнування усього, що створене природою та руками людини [7].

Для зменшення цього впливу людство намагається збільшити частку використання в повсякденному житті енергії поновлюваних джерел, особливе місце серед яких посідає вітер [7].

Енергія вітру в багатьох районах Землі уже сьогодні є конкурентоспроможною з енергією теплових (ТЕС), гідравлічних (ГЕС) та атомних електростанцій (АЕС) [2]. Але у більшості регіонів України швидкість вітру недостатня для ефективного перетворення його енергії на вітроелектростанціях (ВЕС) в електричну енергію в кількостях, достатніх для забезпечення зростаючого її споживання в населених пунктах та на нових промислових об’єктах [5]. А тому у цих регіонах України держава планує спорудження нових АЕС.

Але для АЕС актуальною є проблема використання створеної електроенергії в нічні та обідні провали електроспоживання, оскільки законом для АЕС є робота в базовому режимі з генерацією стабільної потужності. Тож для збереження «лишньої» електричної енергії, яка генерується у ці години, поряд з АЕС необхідно мати потужні акумулятори. Але потужних електричних акумуляторів, здатних зберігати електричну енергію у значних кількостях без перетворення в інші види енергії, поки що людство не створило. Тож фахівці пропонують зберігати цю «лишню» електроенергію, перетворюючи її на гідравлічних акумулюючих електростанціях (ГАЕС) в енергію води, закачаної із нижнього басейну у верхній, та на повітряних акумулюючих електростанціях (ПАЕС), перетворюючи її в енергію стисненого повітря, закачаного в наземні чи підземні резервуари [1].

Ідея побудови ПАЕС для акумуляції електроенергії в Україні не здобула прихильників серед переважної більшості фахівців, оскільки вони вважають її такою, що не може бути обґрунтованою економічно. Особливою вадою ПАЕС противники їх зведення вважають те, що повітряні маси, які від стиснення нагріваються, перед закачуванням у повітресховище потрібно охолоджувати, що, на їхню думку, вимагатиме додаткових коштів на спорудження та експлуатацію потужних градирень. А це уже крім додаткових економічних збитків додасть ще й додаткових екологічних збитків [1, 5].

В даній роботі показана перспективність побудови ПАЕС з використанням під повітресховища вироблених кар’єрів, рудників, шахт, газових і нафтових скважин та карстових печер і підземних каменеломень. Показано, як завдяки підключенню ПАЕС до діючих енергосистем можна суттєво збільшити ефективність використання їх сумарної потужності без спорудження нових АЕС та магістральних ЛЕП. Показано, як зростає ВВП держави від використання енергії вітру, завдяки її акумуляції вночі і створенню потоків «з-під землі» вдень, завдяки поверненню для використання земель над «покрівлями» ПАЕС, завдяки зниженню рівня поверхневих вод під тиском закачаного повітря. Доведено, що повітря, яке закачуватиметься у повітресховища, не потрібно охолоджувати, а достатньо лише охолоджувати турбокомпресори, які його закачуватимуть. А при такому підході не потрібні градирні взагалі. Більше того, завдяки прогріву «даху» повітресховища і через нього постійному підігріву грунту, насипаного на «дах», створюється можливість побудови при кожній ПАЕС потужних парників, в яких протягом усього року вирощуватимуться овочі без витрачання на їх обігрів додаткової теплової енергії від ТЕЦ. Сформульовані задачі, які постають при комплексному розв’язанні проблеми акумуляції електричної енергії за допомогою ПАЕС з позицій підвищення енергозабезпечення регіонів, підвищення ефективності використання виробленої на ТЕС та АЕС електричної енергії та покращення екології у цих регіонах.

Екологічне та економічне обґрунтування доцільності

створення ПАЕС

Станом на сьогодні у будь-якому економічному регіоні України можна віднайти сотні природних та рукотворних підземних і наземних об’єктів, придатних для створення повітресховищ стисненого повітря (ПС) в якості акумуляторів енергії.

На Волині, Поділлі, Поліссі, у Криму, Прикарпатті та на Одещині — це карстові печери та покинуті підземні каменоломні, довжина яких сягає від десятків метрів до сотень кілометрів з висотою до 20 метрів і шириною в таких же межах.

У Донбасі, Криму, Прикарпатті та на Дніпропетровщині і Черкащині — це відпрацьовані вугільні і соляні шахти та рудники залізних і поліметалічних руд об’ємом до одного мільйона кубометрів і більше.

У Прикарпатті та на Полтавщині і Харківщині — це відпрацьовані нафтові та газові свердловини об’ємом від ста тисяч кубометрів і більше.

Рівномірно по усій Україні — це колишні кар’єри по добуванню глини, руд корисних копалин та щебню площею до 10 гектарів і більше та глибиною від 10 метрів до 200.

Можливість створення ПС у підземеллях ні в кого не викликає сумнівів, тим паче, що і досвід такий в Україні уже є — усім відомо про вітчизняні підземні сховища природного газу, що поступає до нас із Росії, завдяки яким забезпечується безперебійна подача природного газу споживачам в Україні та за кордоном під час аварій на магістральних газопроводах. А оскільки у нас є діючі підземні газосховища, то не може не бути технологій їх побудови. Тож ніяких принципових труднощів на шляху створення підземних ПС немає — потрібно лише доведення доцільності їх створення і обґрунтування економічної ефективності сьогодні чи в майбутньому з врахуванням відмінностей в закачуванні горючого газу та негорючого повітря та різної економічної віддачі кожного їхнього кубометра.

Тож цілком очевидним є те, що дослідження можливостей і перспектив створення підземних ПС в якості акумуляторів енергії необхідно проводити в напрямку адаптації для цих цілей існуючих технологій побудови підземних газосховищ природного газу та визначення умов і термінів вводу ПС в експлуатацію з прийнятними суспільством і бізнесовими структурами економічними показниками.

Що ж стосується створення наземних ПС в якості акумуляторів енергії, то доводиться констатувати, що станом на сьогодні немає ні технологій їх створення, ні методик оцінки економічних показників, ні математичних моделей для дослідження процесів у них і з ними. А саме цей напрямок розвитку засобів акумуляції енергії може внести один із найбільш вагомих внесків в поліпшення стану довкілля. Адже відпрацьовані кар’єри та глинища сьогодні багатотисячними язвами вкрили поверхню землі, перетворивши ці її ділянки на свідчення варварського відношення людини до природи та вогнища бруду, безнадії і небезпеки.

На рис. 1а показано, як широкий, але неглибокий кар’єр шляхом покриття його бетонними плитами, встановленими на колонах, які у свою чергу міцно скріплені з фундаментами, та насипанням на плити шару землі, можна ліквiдувати цю ерозію земної поверхні і органічно вписати її в навколишній ландшафт.

А на рис. 1б показано, як у такий же спосіб органічно вписати в навколишній ландшафт колишній глибокий, але неширокий кар’єр.

Звичайно, якщо запропонувати у такий спосіб лише поліпшувати стан навколишнього середовища, то важко буде знайти інвестора, який погодився б вкладати у це кошти, оскільки, по-перше, цих коштів потрібно буде багато, а по-друге, вони ніколи не окупляться. Але, якщо цю споруду перетворити у повітресховище, то вкладені інвестиції рано чи пізно окупляться, оскільки, по-перше, теплову енергію, яка виділятиметься при стисканні повітря, можна буде використовувати для обігріву близько розташованих приміщень і споруджених на насипному ґрунті теплиць (рис. 2), по-друге, електричну енергію, яка вироблятиметься вітроагрегатами при подачі на них стисненого повітря, можна буде використовувати в балансі енергосистеми, а по-третє, на насипному грунті, який є «дахом» повітресховища, а тому прогрівається теплом від стиснення повітря протягом усього року, можна вирощувати великі урожаї овочів, ягід і фруктів.