ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ «ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА И ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ» 13
1.1 Анализ результатов исследований и опыта использования ГИС-технологий в области возобновляемой энергетики 13
1.2. Проектирование концепции геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области» 20
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСОВ И ПОТЕНЦИАЛОВ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ НА ТЕРРИТОРИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА И ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ 26
2.1. Оценка ресурсов возобновляемых источников энергии на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области 26
2.1.1. Оценка ветроэнергетических ресурсов 31
2.1.2. Оценка солнечных ресурсов 35
2.1.3. Оценка гидроэнергетических ресурсов 38
2.2. Методики расчетов энергетического потенциала возобновляемых источников энергии 41
2.2.1. Ветроэнергетический потенциал 41
2.2.2. Потенциал солнечной энергии 45
2.2.3. Потенциал гидроэнергии малых рек 47
ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ «ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА И ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ» И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ 50
3.1. Представление данных солнечных ресурсов Санкт-Петербурга и Ленинградской области в ГИС 53
3.2. Представление данных ветрового ресурса в ГИС «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области» 61
3.3. Факторы ограничений и предпосылок для размещения установок ВИЭ 66
3.4 Алгоритм принятия решений. Апробация, применение и демонстрация единичного пакета 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 81
ПРИЛОЖЕНИЯ 88
Приложение 1 88
Купить

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день возобновляемые источники энергии (далее - ВИЭ) являются перспективным направлением развития мировой энергетики. Экономика переходит в новое «безресурсное состояние», характеризующееся снижением энергопотребления и взаимным проникновением «природного» и «технологического» компонентов.
На пленарном заседании форума «Российская энергетическая неделя» 4 октября 2017 г. президент страны В.В. Путин обозначил наиболее важные с точки зрения российской стороны тренды, которые будут определять общее энергетическое будущее всего человечества. По оценкам экспертов уже через 20 лет человечеству потребуется на 30% больше энергии, чем сегодня. Это связано с развитием мировой экономики, с ростом населения на планете, с повышением качества жизни и уровня потребления, особенно в развивающихся странах. На форуме было отмечено, что в настоящее время до 2 млрд. человек на планете еще не имеют полноценного доступа к источникам энергии. Большинство же членов энергетического сообщества сходятся во мнении, что в ближайшие 20-25 лет ведущую роль в энергобалансе XXI века будут играть углеводороды, а ожидаемый рост будет наблюдаться в межтопливной конкуренции, и прежде всего традиционных и новых источников энергии. Президент отметил, что «практически все развитые страны взяли курс на развитие чистой энергетики, в том числе возобновляемых источников» (www. tass. ru/ekonomika/4617725 Режим доступа: 12.05.2018).
Участники гайдаровского форума «Россия и мир: цели и ценности» (16-18 января 2018 г.) подчеркивали, что в настоящее время требуются новые технологические уклады, интеграция передовых технологий из разных сфер человеческой практики (www.gaidarforum.ru/). Такие возможности, на наш взгляд, предоставляет интеграция знаний в области географии, наук о земле, информационных технологий, энергетики.
В Российской Федерации принята и реализуется российская государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» (далее - Программа), утвержденная распоряжением Правительства РФ от 27 декабря 2010 года N 2446-p (Программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности», 2010). В 2013 году Программа была дополнена пунктами о «стимулировании развития использования возобновляемых источников энергии», что свидетельствует об актуальности данной проблемы. Под стимулированием развития использования ВИЭ понимаются решения о механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии путем оплаты мощности квалифицированных генерирующих объектов в объеме производства электрической энергии (пункт 2 статья 32 №35-ФЗ «Об электроэнергетике», 2007).
Одним из наиболее важных вопросов развития возобновляемой энергетики является вопрос о месте размещения установок ВИЭ. Ответом на него служат разработки геоинформационных систем (далее - ГИС ВИЭ), которые представляют собой удобное и наглядное средство (карты с оценками эффективности использования установок возобновляемой энергетики для энергообеспечения области) для анализа возможностей размещения энергообъектов ВИЭ с учетом ограничивающих факторов при выборе возобновляемых источников, природных и экономических возможностей региона.
Степень разработанности проблемы исследования. Определение теоретических и организационно-методических основ развития возобновляемой энергетики, размещения установок ВИЭ в условиях применения ГИС находятся в фокусе внимания современных исследователей. У зарубежных специалистов-энергетиков уже имеется успешный опыт применения ГИС-технологий в энергетической отрасли (Coppin, Ayotte, 2003; Baban, Parry, 2014; Neteler, Mitasova, 2008; Walt, Lou, 2009; Jimenez, Monnich, Durante, 2012; Pelland, Maalouf, 2016; Cherni,Henao, 2007; Yue, Wang, 2006; Lopez, Roberts, 2012; Van Hoesen, Letendre, 2010; Aydin, Kentel, 2013).
В исследованиях российских ученых активно изучаются особенности применения ГИС при принятии управленческих решений по энергетическому развитию территорий. В работах В.Л. Баденко анализируются вопросы эффективного поиска участков территории для размещения ВИЭ, сравнения участков в среде ГИС с целью принятия наиболее эффективного управленческого решения и удовлетворения требованиям инвестора. Исследователь предлагает подход к оценке экологических рисков и представляет результаты анализа экологических рисков в ГИС на основе нечетких множеств, при этом подчеркивает роль ГИС, способной задействовать уникальные возможности человеческого мозга по визуальному выявлению пространственных связей и отношений при анализе изображения (модели) территории, которые пока трудно поддаются алгоритмизации.
В работах Ю.Ю. Рафиковой, 2015 посвященных геоинформационному картографированию ресурсов возобновляемых источников энергии на примере Юга России, также подчеркивается сложность визуального наглядного отображения в удобной для анализа форме данных исследований для принятия обоснованных технических и управленческих решений в области развития возобновляемой энергии. Исследователь предлагает осуществлять районирование территорий по степени пригодности ресурсов ВИЭ с целью выбора наиболее перспективных площадок для развития возобновляемой энергетики.
В Российской Федерации реализуются проекты по созданию ГИС ВИЭ. Так, в 2009 году совместно с географическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова (лаборатория возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ)) и Объединенным институтом высоких температур РАН (лаборатория возобновляемых источников энергии) был начат проект «Геоинформационная система «Возобновляемые источники энергии России» (ГИС ВИЭР) (http://gisre.ru/), работа над которым продолжается и на сегодняшний день. Основная идея проекта заключается в оценке возможностей и эффективности использования ВИЭ для энергообеспечения потребителей в различных регионах страны.
Следует отметить, что в некоторых регионах РФ существуют благоприятные предпосылки для организации процесса применения и развития ВИЭ, среди которых природные и технические ресурсы территории (Исследования Юга России - Акишин, 2006; Брылев, 1995; Гридасов, 2011; Киселева, 2010; Рафикова, 2015; Gapon, Batlev, 2013).
Однако разработка региональных систем поддержки принятия решений по размещению объектов возобновляемой энергетики в форме информационно - аналитической геоинформационной системы нуждается в дальнейшем развитии.
В Северо-Западном федеральном округе России, где расположен один из крупнейших городов Европы — Санкт-Петербург, а также такой быстро развивающийся регион, как Ленинградская область, существуют как возможность, так и целесообразность использования ВИЭ: солнечного излучения, гидроэнергии малых рек, энергии ветра, геотермальной энергии, а также энергии, содержащейся в накопленной растительной биомассе и других отходах сельского хозяйства. В целом, проблема выявления территорий с максимальным потенциалом для размещения установок ВИЭ является актуальной для Санкт-Петербурга и Ленинградской области. В этой связи возникает необходимость разработки системы поддержки принятия решений по размещению объектов возобновляемой энергетики в форме информационно-аналитической геоинформационной системы для данного региона.
Таким образом, актуальность предлагаемой магистерской работы определяется состоянием научной разработанности проблемы исследования на сегодняшний день, необходимостью проведения исследований, раскрывающих теоретико-методологические и прикладные аспекты создания региональных геоинформационных систем по размещению возобновляемых источников энергии, с учетом ограничивающих факторов, природных и экономических возможностей региона.
Актуальность исследования определяется также необходимостью разрешения противоречий между глобальным, социальным, политическим и предметным уровнями:
• тенденцией развития и применения возобновляемых источников как социально - экономического заказа государства в условиях мирового тренда ограниченных ресурсов, развития возобновляемой энергетики и отсутствием современных технологических решений по размещению объектов возобновляемой энергетики на базе геоинформационных технологий;
• объективной потребностью государства в эффективном применении возобновляемых источников, развития возобновляемой энергетики и недостаточным количеством исследований о научных закономерностях, принципах, идеях, составляющих концептуальную и организационно-технологическую основу принятия управленческих решений по размещению объектов возобновляемой энергетики в РФ;
• необходимостью разработки методики расчетов ресурсного потенциала возобновляемых источников региона, в том числе методики выбора возобновляемых источников, интерактивных карт и баз данных климатических характеристик действующих объектов возобновляемой энергетики СПб и ЛО и отсутствием таковых в настоящее время;
• потребностью в разработке концепции и структуры геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области» (ГИС ВИЭ СПб и ЛО) и отсутствием таковой.
Совокупность указанных противоречий определила проблему исследования: какова структура геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области» (ГИС ВИЭ СПб и ЛО), выступающей концептуальной и организационно-технологической основой для принятия управленческих решений по размещению объектов возобновляемой энергетики с учетом природных и экономических возможностей региона, а также ограничивающих факторов? Разработка ГИС открывает возможность представления в наглядной форме (карты с оценками эффективности использования установок возобновляемой энергетики для энергообеспечения области) большого объема информации и данных по возобновляемой энергетике, а также верификацию этих данных.
Обозначенные противоречия и проблема позволили сформулировать тему и цель предпринятого нами исследования.
Тема исследования: «Создание геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области».
Цель исследования - разработать систему поддержки принятия решений по размещению объектов возобновляемой энергетики в форме информационно-аналитической геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии Санкт - Петербурга и Ленинградской области».
Объект исследования - местоположения возобновляемых источников энергии.
Предмет исследования - свойства ВИЭ, которые определяют создание и наполнение ГИС «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области».
Задачи исследования:
1. Систематизировать и обобщить теоретические и эмпирические исследования, рассматривающие содержание и характеристики использования ГИС- технологий в области теоретических и практических вопросов размещения объектов возобновляемой энергетики.
2. Обобщить и систематизировать данные по предмету исследования, а именно по ветроэнергетике, солнечной энергетике, малой гидроэнергетике, а также выявить факторы ограничений и предпосылки для размещения установок, в совокупности выступающие основой для разработки методики расчетов энергетического потенциала возобновляемых источников энергии для исследуемой территории в среде ГИС.
3. Проанализировать существующие методики расчетов ресурсного потенциала ВИЭ для территории СПб и ЛО, методики выбора местоположения возобновляемых источников, интерактивные карты и базы данных климатических характеристик, действующих объектов возобновляемой энергетики СПб и ЛО, для определения региональной специфики размещения объектов возобновляемой энергетики.
4. Разработать концепцию и структуру ГИС ВИЭ СПб и ЛО, выступающей организационно-технологической основой для принятия управленческих решений по размещению объектов возобновляемой энергетики с учетом ограничивающих факторов, природных и экономических возможностей региона.
5. Разработать интерфейс, наглядно представляющий совокупность программных средств и функций, графических элементов, тематических карт, методов, правил и протоколов взаимодействия компонентов предлагаемой ГИС и методов работы пользователя ГИС ВИЭ СПб и ЛО.
6. Верифицировать разработанную геоинформационную систему «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области».
Методологическую и теоретическую основу исследования составляют фундаментальные исследования в области картографии и геоинформатики, а также теоретические подходы и идеи:
• фундаментальные работы в области картографии и геоинформатики, а именно: общегеографическое обоснование карт, базирующееся на работах К.А. Салищева, А.М. Берлянта, С.В. Чистова, Т.В. Верещака, А.А. Медведева, В.И. Стурмана, А.И. Прасоловой и др. Геоинформационная составляющая опирается на разработки Е.Г. Капралова, Б.А. Новаковского, А.В. Кошкарева, И.К. Лурье;
• методы системного подхода к решению вопросов размещения ВИЭ в виде разработки ГИС ВИЭ СПб и ЛО как совокупности ее компонентов, взаимосвязанных с внешней средой (природные, экономические, социальные возможности региона, ограничивающие факторы для размещения ВИЭ), а также рассмотрение ГИС ВИЭ СПб и ЛО как совокупности ее внутренних компонентов и элементов, составляющих данную систему и ее структуру;
• работы отечественных и зарубежных авторов по вопросам применения ГИС- технологий в энергетической области и возобновляемой энергетики: В.Л. Баденко - анализ экологических рисков в ГИС на основе нечетких множеств; В.Н. Филатов, С.Л. Присяжнюк - автоматизированная поддержка принятия решения на базе ГИС; Ю.Ю. Рафикова - районирование и методика картографического обеспечения комплексной региональной оценки ресурсов ВИЭ, геоинформационное картографирование природного и технического энергопотенциала и др.
• методические разработки и публикации по исследуемой проблеме.
Для решения поставленных задач использовался следующий комплекс методов исследования:
• общенаучные методы: различные виды теоретического анализа научной и методической литературы по проблеме исследования, в том числе сравнительно-сопоставительный анализ, системно-структурный, формально-логический, статистический;
• методы обработки полученных данных: методы качественного и количественного анализа, графической интерпретации.
• методы: геоинформационный, картографический, математико-картографического моделирования, по теории баз данных, автоматизированному картографированию с применением геоинформационных систем.
Для оценок ресурсного потенциала территорий Санкт-Петербурга и Ленинградской области использованы: картографический метод исследования, методы комплексного и атласного картографирования.
Использованные материалы (информационная база). В качестве исходных данных в работе использованы:
• спутниковые базы данных;
• карты распределения солнечной радиации, приходящей различным образом на ориентированные поверхности (www.globalsolaratlas.info);
• карты распределения результатов динамического моделирования солнечных установок, ветровых установок, гидроустановок (www.gisre.ru);
• работы Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова;
• данные NASA «Surface meteorology and Solar Energy», а также средние многолетние данные метеорологических наблюдений на метеостанциях Северо - Запада России (суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность; суммарная солнечная радиация на наклонную поверхность; прямая солнечная радиация на нормальную поверхность; средняя скорость ветра на высоте 10 и 50 метров; повторяемость скорости ветра на высоте 50 м; среднемесячная скорость ветра на высоте 50, 100, 150 и 300 метров над поверхностью земли);
• региональные программы и пилотные проекты в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности;
• статистическая информация об электропотреблении населения, демографических характеристиках, предоставляемая федеральной службой государственной статистики РФ;
• данные об объектах возобновляемой энергетики на территории РФ, собираемые в рамках проекта создания ГИС «ВИЭ России», выполнения работ научно­исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Теоретическая значимость исследования:
• разработана и научно-обоснована геоинформационная система «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области», определена ее структура и содержательное наполнение компонентов;
• внесен вклад в разработку теории ГИС (предпринята попытка и предложена концепция и структура ГИС ВИЭ СПб и ЛО);
• обеспечено привлечение научного внимания к проблемам возобновляемых источников;
• установлен и обоснован тот факт, что эффективность ВИЭ зависит от региона, его климатических и иных особенностей, а также от целесообразности возведения энергообъекта.
Практическая значимость исследования определяется тем, что:
• разрабатываемая ГИС ВИЭ может быть ценной при выборе инвестором/пользователем решения для реализации проекта в области возобновляемой энергетики;
• по результатам исследования проведен анализ социальных, экономических и экологических факторов выбора местоположения объекта ВИЭ, а также практические шаги или пакет (состав) работ в рамках реализации ГИС ВИЭ;
• разработка системы поддержки принятия решений по размещению объектов возобновляемой энергетики в форме информационно-аналитической геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области» позволит определить ограничивающие факторы для выбора возобновляемых источников, создать интерактивные карты Санкт-Петербурга и Ленинградской области.
Апробация и внедрение результатов исследования обеспечивались выступлениями на международных, всероссийских научно-практических конференциях. Основные положения выпускной квалификационной работы магистранта нашли отражение в 3 научных статьях:
1. Баденко В.Л., Эпова Е.И., Концепция создания геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области» // Сборник материалов II международной научно-практической конференции 08-10 ноября 2017 г. «Геодезия, картография, геоинформатика и кадастры. От идеи до внедрения», Санкт-Петербург - СПб.: Политехника, 2017. - С. 500-504.
2. Эпова Е.И. Теоретические и методологические аспекты создания системы поддержки принятия решений по развитию нетрадиционной энергетики в форме информационно-аналитической геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области». XXIV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, 10-14 апреля 2017 г.
3. Эпова Е.И. Теоретические и методологические аспекты создания геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии Санкт-Петербурга и Ленинградской области». Международная научно-практическая конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика современных географических исследований», посвященной 220-летию выдающегося русского мореплавателя, географа, вице-председателя Русского географического общества Ф.П. Литке в рамках XIII Большого географического фестиваля. - СПб: Свое издательство, 2017. - С 551-553.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и 1 приложения. Общий объем работы составляет 87 страниц, включает 6 таблиц и 39 рисунков. Список литературы содержит 80 наименований.
Купить