Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова

Географический факультет

Кафедра рационального природопользования

Проект

Объекты наследия как демонстрационная площадка использования возобновляемых источников энергии на Северо-западе Европейской части России

Выполнил: магистрант I курса

Гридасов Максим

Москва, 2010

Содержание

Введение

Идея использования особо охраняемых природных территорий (ООПТ) и, шире, объектов природного и культурного наследия как демонстрационной площадки для возобновляемых источников энергии (ВИЭ) возникла у автора во время посещения Тисо-самшитовой рощи, где непосредственно за табличкой с названием заповедника проходила газовая труба (рис. 1).



Рис. 1. Указатель на Тисо-самшитовую рощу

В результате последующего исследования данной проблематики выяснилось, что практика использования ВИЭ на ООПТ и объектах наследия существует как в России, так и в других странах мира. Но в мировой практике объекты ВИЭ, как отдельные, так и находящиеся на территории объектов наследия, являются достопримечательностью, посещаемым экскурсионным объектом. В российской же практике объекты ВИЭ на ООПТ зачастую создаются благодаря энтузиазму сотрудников ООПТ и, в большей степени они используются по их прямому назначению, а не как демонстрационный объект.

Таким образом, целью работы является обоснование возможности размещения демонстрационных площадок использования возобновляемых источников энергии на объектах наследия в регионе исследования.

Существующие объекты наследия на территории региона исследования

Регион исследования включает в себя три субъекта РФ – Мурманскую и Архангельскую области и республику Карелия. На территории исследуемого региона присутствуют объекты природного и культурного наследия как национального и регионального, так и всемирного значения.

Объекты Всемирного наследия ЮНЕСКО.

По определению Института наследия, Всемирное наследие – это выдающиеся культурные и природные памятники, признанные достоянием всего человечества, которые должны быть надежно сохранены в неизмененном и целостном состоянии с целью передачи последующим поколениям [1]. Список Всемирного наследия ведется и публикуется с 1978 года организацией ЮНЕСКО. По состоянию на 01.08.2009 всего в списке Всемирного наследия ЮНЕСКО числилось 890 объектов, включая 689 – культурных, 176 – природных и 25 – культурно-природных. Они располагаются в разных регионах мира, на территории 148 государств. Россия, с её 23 памятниками Всемирного наследия (включая 15 культурных и 8 природных) – находится на девятом месте в мире. В частности 2 объекта культурного наследия находятся на территории региона исследования. Это Погост Кижи (республика Карелия) и Историко-культурный комплекс Соловецких островов (Архангельская область).

Что касается объектов природного наследия, то пока ни один из существующих объектов не имеет статуса Всемирного. Хотя уже несколько лет существует подготовленная номинация объекта для включения его в Список Всемирного наследия ЮНЕСКО. Эта номинация называется Зеленый пояс Фенноскандии. Фенноскандия - обширная физико-географическая область на севере Европы, объединяющая Скандинавию, Кольский полуостров, Финляндию и Карелию. С российской стороны в состав международного объекта предложены наиболее ценные и хорошо сохранившиеся природные комплексы, расположенные вдоль норвежско-российской и финско-российской границ: заповедники Пасвик, Лапландский, Костомукшский, национальный парк «Паанаярви», планируемые национальный парк «Калевальский» и биосферный полигон «Лапландский лес». Общая площадь кластерного объекта 682960 га: 435263 га. в Мурманской области и 247697 га. в Республике Карелия [2].

Особо охраняемые природные территории.

Ниже рассмотрены особо охраняемые природные территории (ООПТ) региона исследования. ООПТ занимают на территории Мурманской области общую площадь 1156,6 тыс. га, что составляет 7,9% от площади региона:

• 
  3 государственных природных заповедника, общей площадью 363,7 тыс. га;
  
• 
  10 государственных природных заказников, общей площадью 787,1 тыс. га (из них 3 заказника федерального значения, обшей площадью 394,4 тыс. га, 7 заказников регионального значения, общей площадью 392,7 тыс. га);
  
• 
  47 памятников природы, общей площадью 4,5 тыс. га (из них 4 федеральных памятника природы, общей площадью 0,03 тыс. га и 43 региональных памятника природы, общей площадью 4,49 га);
  
• 
  полярно-альпийский ботанический сад-институт Кольского научного центра РАН (ПАБСИ КНЦ РАН), площадью 1,25 тыс. га;
  
• 
  планируемый государственный природный комплексный заказник «Лапландский лес», под создание которого зарезервирован земельный участок обшей площадью 142,1 тыс. га.
  

На территории Архангельской области располагаются следующие ООПТ федерального значения: 1 заповедник (Пинежский), 3 национальных парка (Водлозерский (также на территории Карелии), Кенозерский и Русская Арктика) и 2 федеральных заказника (Земля Франца-Иосифа и Сийский). Сеть ООПТ регионального значения включает в себя 1 музей-заповедник, 2 природных парка, 33 заказника и 66 парков природы.

Природно-заповедный фонд Республики Карелия включает 168 особо охраняемых природных территорий. К объектам федерального значения относятся два заповедника, три национальных парка, два федеральных зоологических заказника, а также находящийся в пределах Карелии Кемь-Лудский участок Кандалакшского заповедника, находящегося в Мурманской области. Сеть ООПТ регионального значения включает 45 заказников, 107 памятников природы, 1 курортную зону, 1 ботанический сад, охранную зону федерального заповедника «Кивач», уникальную историческую и природно-ландшафтную территорию «Валаам», музей-заповедник «Кижи» с охранной зоной и 4 объекта со статусом «земли историко-культурного назначения».

Объекты наследия и возобновляемая энергетика.

Идея использования объектов наследия как демонстрационную площадку для возобновляемых источников энергии не нова. Она неоднократно высказывалась как российским исследователями (например, аналитический обзор Владислава Ларина «Состояние и перспективы применения возобновляемых источников энергии в России», Москва, 2006), так и в зарубежной. Более того, за пределами Российской Федерации эта практика имеет повсеместное применение, например, в Западной Австралии на базе заказника Пайни Лэйкс в городе Уинтроп образован экологический образовательный центр, электроснабжение которого обеспечивается от фотоэлектрических панелей и ветроустановки [7]. В Российской практике также есть примеры использования ВИЭ в ООПТ. Например, правительство Карачаево-Черкесской Республики приняло решение об оснащении солнечными и другими установками с ВИЭ центральной усадьбы и кордонов Тебердинского природного биосферного заповедника [8]. В регионе исследования также есть некоторые опыт использования ВИЭ. Так, Водлозерский национальный парк задействовал ветроустановки для обеспечения радиосвязи. Заповедник «Кивач» рассматривал возможность надежного снабжения электричеством своего поселка с использованием малой гидроэнергетики. В Нижнесвирском заповеднике (Ленинградская область) применяются солнечные панели для обеспечения электроэнергией ловушек для отлова птиц для кольцевания [9].

C точки зрения развития возобновляемой энергетики в регионе, эффективнее было бы размещение площадок на территории самых посещаемых объектов наследия. Повышению посещаемости объектов наследия, в том числе, способствует статус объекта Всемирного наследия ЮНЕСКО. Также, хотя и в меньшей степени, повышению посещаемости способствует статус биосферного резервата, также присваиваемый решением ЮНЕСКО. На территории региона исследования расположены две ООПТ, имеющие статус биосферных, это – Лапландский и Водлозерский заповедники (рис. 2).

Рис. 2. Сеть биосферных заповедников в России (1978 – 2009) [6].

Для сокращения объема исследования, но сохранения репрезентативности, в дальнейшем в работе было принято решение рассматривать по одному объекту наследия в каждом из субъектов РФ, входящих в регион исследования. Так в Архангельской области и в республике Карелия были выбраны объекты Всемирного наследия – комплекс Соловецких островов и погост Кижи соответственно. В Мурманской области был выбран Лапландский заповедник, имеющий статус биосферного и включенный в номинацию объекта, предполагаемого к включению в список Всемирного наследия.

Краткое описание выбранных объектов наследия.

Площадь заповедной территории Лапландского государственного биосферного заповедника — 278435 га. Площадь охранной зоны - 27998 га. Заповедник организован с целью сохранения северной тайги и горных тундр Кольского полуострова и зашиты дикого северного оленя. Территория заповедника представлена одним, несколько вытянутым с северо-запада на юго-восток, участком четырехугольной формы. Протяженность его территории с севера на юг 70 км, с запада на восток — 75 км., что приблизительно соответствует 1 градусу широты в данной широтной зоне (южная граница заповедника проходит на 120 км. севернее полярного круга). Центральная усадьба заповедника находится на Чунозерской базе, расположенной на северном берегу озера Чунозеро, в 5 км. от автомобильной дороги Мурманск—Санкт-Петербург.

Наиболее интересными местами в заповеднике являются:

• 
  исконные старовозрастные леса, которые занимают примерно половину площади заповедника. Возраст деревьев достигает 500-600 лет, высота до 30 м., а диаметр стволов до 70 см., что является уникальным феноменом для столь высоких широт;
  
• 
  основная часть заповедника, которая является наибольшей по площади охраняемой территорией Кольского полуострова и на которой гнездятся перелётные птицы, они зимуют в Западной и Южной Европе и Северной Африке;
  
• 
  мемориальный музей Г.М. Крепса¹;
  
• 
  музей – квартира О.И. Семенова – Тян – Шанского.
  

Соловецкий архипелаг, состоящий из 6 островов, общей площадью более 300 кв. км, расположен в западной части Белого моря, примерно 150 км. к югу от Северного полярного круга. На архипелаге выявлено множество различных археологических памятников, самые древние из которых относятся к 2-3-му тысячелетиям до н.э. Свыше 200 памятников истории и культуры относятся к монастырскому периоду, который начался в первой половине XV в. Центральное место в историко-архитектурном ансамбле занимает величественный Соловецкий кремль.

Кижский погост² расположен на одном их многочисленных островов Онежского озера, в Карелии. Здесь можно увидеть две деревянные церкви XVIII в., а также восьмигранную колокольню, построенную также из дерева в 1862 г. Эти необычные сооружения, являющиеся вершиной плотницкого мастерства, представляют собой образец древнего церковного прихода и гармонично сочетаются с окружающим природным ландшафтом. «Ядро» всего ансамбля образует Преображенская церковь (воздвигнута в 1714 г.) – очевидно, самая сложная по конструкции из всех памятников северного деревянного зодчества.

Выбранные объекты действительно являются носителями материального и духовного, природного и культурного достояния России и мира.

Эффективность использования ВИЭ на объектах наследия

Эффективность использования ВИЭ оценивается на основе данных о посещаемости объектов наследия, а также данных о потенциале использования различных источников возобновляемой энергии.

Посещаемость объектов наследия.

В среднем, Лапландский заповедник посещают чуть более 4000 человек в год. Стоит отметить, что на базе визит-центра заповедника проводятся конференции и семинары с участием представителей местного бизнес-сообщества, например, сотрудники компании «Норильский никель».

Посещаемость просветительских и рекреационных объектов в Лапландском заповеднике выглядит следующим образом [4,5]:

• 
  Мемориальный музей Г.М. Крепса – 4000 чел/год;
  
• 
  Музей – квартира О.И. Семенова – Тян – Шанского – 4000 чел/год;
  
• 
  Визит – центр (информационный) – 4000 чел/год;
  
• 
  Дендрарий – 800 чел/год.
  

Данные о посещаемости Соловецкого архипелага представлены на рисунке 3.



Рис. 3. Обслуживание посетителей Соловецкого архипелага [5]

Как видно из рисунка 3 в последнее десятилетие наблюдается устойчивый тренд повышения посещаемости Соловецких островов, несмотря на небольшой спад в 2003 и 2004 годах.

По итогам сезона 2009 года музей-заповедник Кижи принял 161557 человек (против 204861 в 2008 году) при плане 150 000 человек. Музей-заповедник «Кижи» по-прежнему остается самым посещаемым туристическим объектом Карелии, несмотря на значительное падение уровня посещаемости за последний год, а также является самым посещаемым среди выбранных в работе объектов наследия. По данным Управления развития экономики муниципальных образований, социальной сферы, туризма Минэкономразвития республики Валаамский монастырь принял 120 тыс. туристов. Заповедник «Кивач» и национальные парки «Водлозерский» и «Паанаярви» вместе приняли 98,5 тыс. чел. [4].

Потенциал использования ВИЭ на выбранных объектах наследия.

Как было показано в работе [11], использование базы данных NASA³ вполне оправдано для оценки энергетического потенциала территорий. Поэтому автором был проведен анализ энергетического потенциала территорий выбранных объектов с помощью этой методики для источников прямой солнечной и ветровой энергии. Результаты анализа приведены в таблицах 1-3.

Таблица 1

Большой Соловецкий остров: 65° с.ш. и 35°42' в.д

Широта	Долгота	Суммарная солнечная радиация, дневные суммы (на горизонтальную поверхность), кВтч /м2	Прямая солнечная радиация, дневные суммы (на нормальную поверхность), кВтч/м2	Скорость ветра на высоте 50 м, м/с
65	35	2.50	3.19	3.81
65	36	2.62	3.43
Выработка электрической энергии (монокристалл. Кремний, к.п.д. = 17,5%)		0,45	0,58

Таблица 2

Кижи: 62° с.ш. и 35°12' в.д

Широта	Долгота	Суммарная солнечная радиация, дневные суммы (на горизонтальную поверхность), кВтч /м2	Прямая солнечная радиация, дневные суммы (на нормаль-ную поверхность), кВтч/м2	Скорость ветра на высоте 50 м, м/с
62	35	2.61	3.11	3.82
Выработка электрической энергии (монокристалл. Кремний, к.п.д. = 17,5%)		0,44	0,54

Таблица 3

Лапландский заповедник: 67°48' с.ш. и 32°30' в.д

Широта	Долгота	Суммарная солнечная радиация, дневные суммы (на горизонтальную поверхность), кВтч /м2	Прямая солнечная радиация, дневные суммы (на нормаль-ную поверхность), кВтч/м2	Скорость ветра на высоте 50 м, м/с
67	32	2.24	2.76	4.44
67	33	2.24	2.76	4.57
68	32	2.18	2.74	5.48
68	33	2.18	2.74	5.65
Среднее		2.21	2.75	5.04
Выработка электрической энергии (монокристалл. Кремний, к.п.д. = 17,5%)		0,44	0,54

В ходе анализа при подготовке данной работы были проведены оценки падающей солнечной радиации - суммарной и прямой – на территориях объектов природного и культурного наследия. Учет распределения прямой радиации необходим при расчете эффективности работы солнечных фотопреобразователей (ФЭП) с концентраторами солнечной энергии или ФЭП, снабженных устройствами слежения за солнцем. Видно из таблиц, что для всех рассматриваемых объектов, в силу того, что они находятся примерно в одной и той же широтной зоне (62-68° с.ш.) приход солнечной радиации примерно одинаков: значения энергии суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность составляет от 2,18 до 2,62 кВтч/м²/день, тоже для прямой радиации на нормальную к лучу поверхность – от 2,74 до 3,43 кВтч/м²/день. Расчеты выработки электрической энергии стандартной солнечной батареей площадью 1 м² с фотоэлектропреобразователем на основе монокристаллического кремния (для расчетов был взят максимальный для такого типа ФЭП коэффициент преобразования солнечной энергии, равный 17,5%) дает выработку электроэнергии на 1 кв.м. солнечной батареи при указанном уровне освещенности: для суммарной солнечной радиации – около 0,44 кВтч/сутки. При использовании прямой солнечной радиации можно получить выработку 0,54 – 0,58 кВтч/сутки. При использовании в течение года солнечная батарея единичной площади сможет дать, таким образом, порядка 640-850 кВтч электроэнергии (принимаем, что с заданной мощностью батарея работает ежедневно не более 4 часов). Лампа мощностью 100 Вт. при работе в течение 4 часов потребляет соответственно 0,4 кВтч электроэнергии.

Большое значение для теплоснабжения в зонах ООПТ может иметь использование солнечных водонагревательных установок. Использование энергии солнца в этом случаем позволяет предварительно подогревать воду, которая затем, если не достигнута требуемая температура, подается на традиционную колонку или бойлер, где вода подогревается до нужной температуры. Это приводит к значительной экономии средств и уменьшает энергозатраты. Такую систему легко установить, она почти не требует ухода. В работах специалистов ОИВТ РАН было проведено моделирование эффективности работы солнечных водонагревательных установок (СВУ) в условиях различных климатических зон России. Фактологической основой этого моделирования послужили результаты многолетних наземных метео- и актинометрических измерений, а также база климатических данных RETScreen (программного продукта для анализа проектов в области ВИЭ, Канада [10]). Расчеты эффективности работы проводились для типичной индивидуальной солнечной водонагревательной установки с солнечным коллектором площадью 2 м². В качестве характеристики работы СВУ использовались удобные для потребителя показатели: удельного числа дней n нагрева воды до температуры не менее 37ºС и доли покрытия нагрузки горячего водоснабжения за счет солнечной энергии f для различных периодов года. Как показали расчеты, в летний период на территории Соловецких островов, Кижей и Лапландского заповедника доля покрытия нагрузки за счет солнечной энергии составляет 0,7…0,9 (т.е. до заданных температур вода в солнечном коллекторе нагревается в основном только за счет солнечной энергии, требуется небольшой дополнительный ее подогрев). По другому показателю – относительному числу дней – на территории рассматриваемых объектов получение в солнечной водонагревательной установке воды с температурой не ниже 37ºС возможно в течение 60…70% летних дней, то есть в самый пиковый сезон посещаемости объектов.

Что касается среднегодовых скоростей ветра (на высоте 50 м.) на рассматриваемых территориях, то она, как показал анализ данных NASA SSE, изменяется от достаточно высоких значений 5,04 м/с (Лапландский заповедник) до более низких 3,8 м/с (Соловецкий остров, Кижи). Нижняя оценка (по средним скоростям ветра без учета повторяемости) дает следующие величины удельной мощности ветрового потока⁴: от 33 до 75 Вт/м². Для системы со 100%-ной эффективностью работы электрооборудования максимальная доля мощности ветра, которая может быть преобразована в электрическую энергию составит от 19 до 45 Вт/м². Следует отметить, что эта величина приходится на единичную площадь (1 м²), ометаемую ветроколесом. Современные ветроэнергоустановки с высотой мачты 50 м. имеют (в зависимости от номинальной мощности) ветроколеса с диаметром от 25 до 50 м., и, соответственно, ометаемой площадью от 572,5 до 1810 и выше м² (марки ВЭУ: NORDEX N 27 – 50 мощностью 150 кВт и ENERCON - 48 – 50 мощностью 800 кВт). Поэтому в зависимости от выбора ветроагрегата, приведенные выше оценки электрической мощности ветроагрегата нужно увеличить соответственно в 500-2000 раз. Приведенные выше оценки имеют, безусловно, самый предварительных характер, но уже они могут дать картину наиболее предпочтительных для данных территорий способов использования местных энергоресурсов и ориентировочных величин энергетического выхода. Для данных объектов не было проведено оценок потенциала малой гидроэнергетики и биоэнергетики, хотя существует проект установки малой ГЭС на Соловецком архипелаге.

Таким образом, регион исследования содержит сеть объектов природного и культурного наследия регионального, национального и глобального уровней. В частности объектами Всемирного наследия ЮНЕСКО являются Погост Кижи и Историко-культурный комплекс Соловецких островов. Наличие таких ценных объектов наследия и их статус способствуют высокой посещаемости этих объектов, что, в свою очередь, может эффективно использоваться для популяризации возобновляемых источников энергии, демонстрации их практического применения.

Проведенный анализ потенциала территории выбранных объектов наследия показал, что ресурсов солнечной энергии достаточно для удовлетворения небольших потребностей в электроэнергии и тепловой энергии объектов, в то время как ресурсы ветровой энергии достаточно велики, что является преимуществом рассматриваемого региона.

Экономическая эффективность использования ВИЭ.

Во-первых, можно предположить, что у вышеназванных объектов есть средства для инвестиций в строительство и установку объектов ВИЭ. На рисунке 4 показано количество собственных доходов Соловецкого историко-культурного комплекса:



Рис. 4. Доходы от обслуживания посетителей и оказания услуг [5].

В 2009 году доходы от обслуживания посетителей и оказания услуг составили 22,1 млн. рублей. На взгляд автора, при грамотном планировании из этой суммы можно выделить часть для инвестирования в строительство ВИЭ. Более того, при существующей довольно высокой посещаемости объекта возможно окупить затраченные средства, т.е. вернуть вложенные инвестиции в течение относительно короткого периода времени. Как один из механизмов повышения скорости окупаемости можно использовать включение в стоимость обслуживания – для каждого конкретного посетителя такая надбавка может быть несущественна, а для Соловецкого комплекса в целом это может вылиться в довольно значительную сумму. По приблизительным подсчетам, в среднем доход от 1 посетителя составляет 1 тысячу рублей. Если повысить доход на 10%, то в течение 1 года можно будет окупить проект стоимостью более 2-х миллионов рублей, а в течение 2-х лет проект стоимостью почти 4,5 млн. рублей. На данный момент срок окупаемости объектов ВИЭ в России в 7 лет считается очень быстрым, при таком сроке окупаемости есть шанс привлечь к проекту инвестора.

Внедрение объектов на ВИЭ позволяет снизить или свести к нулю затраты на покупку электроэнергии извне, или даже можно получать доход от продажи неизрасходованного электричества, если объект подключен к электрической сети.

Помимо экономических выгод, объекты ВИЭ в меньшей степени, чем объекты традиционной энергетики воздействуют на биосферу, что также является положительным эффектом.

Заключение

На территории региона расположены объекты Всемирного культурного наследия, и есть номинации на внесение в список объектов Всемирного природного наследия. Благодаря своему статусу они являются высоко посещаемыми объектами. Погост Кижи ежегодно посещает более 160 тысяч человек, Соловецкие острова – более 20 тысяч человек. Такую высокую посещаемость объектов наследия можно эффективно использовать для продвижения возобновляемой энергетики в обществе. Автором была проведена оценка ресурсов ветровой и солнечной энергетики на избранных объектах наследия. Было выявлено, что ресурсов солнечной энергии достаточно для удовлетворения лишь части потребности в электроэнергии и тепловой энергии объектов, в то время как ресурсы ветровой энергии достаточно велики для почти полного удовлетворения потребности в электроэнергии.

Экономическая окупаемость проектов установки ВИЭ может происходить значительно быстрее, чем в обычных условиях (вне объектов наследия).

Установки возобновляемых источников энергии значительно меньше влияют на окружающую среду, что может способствовать повышению степени сохранности объектов наследия, а также улучшению здоровья местного населения.

Литература

1. 
   www.heritage-institute.ru
   
2. 
   www.nhpfund.ru
   
3. 
   www.lapland-nature.info
   
4. 
   www.kizhi.karelia.ru
   
5. 
   www.solovky.ru
   
6. 
   www.unesco.ru
   
7. 
   www.clean.energy.wa.gov.au
   
8. 
   Попель О.С. Солнечная Россия // В мире науки, №1 январь 2005, энергетика.
   
9. 
   Григорьев А. Недорогие, надежные, экологически чистые. // Мировая энергетика, №9 (45) сентябрь 2007.
   
10. 
    www.retscreen.com
    
11. 
    Возобновляемые источники энергии: Лекции ведущих специалистов. Выпуск 5 / Под общей редакцией А.А.Соловьева, С.В.Киселевой – М.: Издательство ЧеРо, 2008. – 178 с.