Водородный переход в локальной энергетике: зарубежный опыт и российские перспективы

Дмитрий Иннокентьевич Тимофеев – руководитель проектов Управления анализа и специальных проектов АО «СУЭК»,
e-mail: timdim75@gmail.com

Аннотация. Рассмотрены возможности осуществления «водородного перехода» в локальной энергетике Дальнего Востока и Арктики на основе применения концепций социотехнологического транзита Ф. Гилса и «человекосообразной» техники Э. Ф. Шумахера и анализа зарубежного опыта по созданию автономных гибридных энергосистем.

Ключевые слова: энергетика, возобновляемые источники энергии, водород, социотехнический транзит, промежуточная техника, локальные сообщества.

Abstract. The possibilities of implementing the «hydrogen transition» in the local power industry of the Far East and the Arctic and the analysis of foreign experience in creating autonomous hybrid power systems are considered. The analysis is based on the concepts socio-­technical transition of F. Geels and the «human-like» appropriate technology of E. F. Schumacher.

Keywords: electricity, renewable energy, hydrogen, socio-­technical transition, intermediate technology, local communities.

Введение

Свыше 65% территории Российской Федерации относится к зоне децентрализованного электроснабжения, в которой работает более 6000 электростанций (7,5% от установленной мощности национальной энергетики) для надежного и бесперебойного энергоснабжения 15 млн человек, проживающих на данной территории. Большую часть зоны децентрализованного электроснабжения составляют Дальний Восток и арктические территории Российской Федерации.
Исследования экономической истории Дальнего Востока и Арктики в XX‒XXI веках выявили две чередующиеся формы территориального развития: централизованные программы развития «пустых» пространств и эволюционное развитие на основе самоорганизации местных сообществ [1].
В настоящее время государственная политика развития российского фронтира нацелена на освоение природных ресурсов (нефть, газ, цветные и редкоземельные металлы) и осуществляется через создание опорных зон развития [2] . При этом, освоение федеральных капитальных вложений осуществляется в рамках крупных инвестиционных проектов преимущественно за счет внешних трудовых ресурсов. Энергетическая политика направлена на использование традиционных технологий и развитие систем централизованного энергоснабжения, тесно связанных с единичными индустриальными потребителями.
Между тем, требования устойчивого развития и значительный потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в зоне децентрализованного электроснабжения создает предпосылки для развития распределенной энергетики и применения инновационных энерготехнологий [3]. Требования социальной справедливости обуславливают необходимость использования многовекового опыта эффективного хозяйствования местных сообществ и коренных народов, проживающих на Дальнем Востоке и Арктике.
Постановка проблемы: На основе анализа социокультурных особенностей Дальнего Востока и Арктики и потенциала передовых энергетических технологий ставилась задача – выявить возможности трансформации региональной экономики и повышения качества жизни местного населения.

В развитых странах реализовано большое количество пилотных проектов по созданию автономных гибридных энергосистем (ветер ‒ солнце ‒ водород) для жизнеобеспечения островных или удаленных поселений

Социотехнический транзит

В современных условиях развитие энергетики охватывает экономику и общественные отношения, технические и организационные инновации, институциональную и культурную сферы. Для научно-­обоснованного управления столь сложным процессом необходим специальный инструментарий. На основе циклических теорий исторической динамики и экономического роста немецким социологом техники Фрэнком Гилсом был разработан новаторский подход к анализу и управлению развитием сложных социотехнических систем, получивший название социотехнического транзита. В основу данного подхода заложена многоуровневая модель инноваций, которая охватывает три уровня: микроуровень (отдельные фирмы и регионы), мезоуровень (отрасли, крупные корпорации), макроуровень (государства, глобальная экономика). Социотехнический транзит опирается на эволюционную концепцию, которая предполагает появление новых технологий в ходе нишевых экспериментов на микроуровне с последующим отбором и закреплением на мезо- и макроуровнях [4].
Доминирующий социотехнологический режим весьма устойчив к изменениям и базируется на нормативах государственного регулирования отрасли, интеллектуальных установках (парадигмы, когнитивные фреймы), комплексе норм и правил производителей и потребителей (ценности и ожидания). При работе с изменениями на мезоуровне требуется системный подход, который учитывает взаимосвязи между направлением активности на микроуровне и особенностями актуального исторического момента на макроуровне.

В ходе нишевых экспериментов на микроуровне создаются новые социотехнические системы, например, конфигурации инновационных технологий (фотовольтаика), секторов экономики (энергетика) и новых социальных запросов (автономность). Формирование таких экспериментальных социотехнических систем выполняет следующие функции [5]:
• создание и распространение новых знаний;
• информирование поставщиков и потребителей относительно новых технологий;
• обеспечение инновационных технологий различными ресурсами (финансы, компетенции);
• создание позитивной экономической среды, поддерживающей инновации;
• формирование специализированного рынка для данного типа инноваций, включая принятие новых законов и установление новых технологических стандартов.
Выделяют четыре фазы взаимодействия микро-, мезо- и макроуровня при развитии новой технологии [6]. На первой фазе отраслевой режим (мезоуровень) действует как сдерживающий фактор. Доминирующие хозяйствующие субъекты стремятся поддерживать существующие социальные нормы и системы убеждений, а также совершенствовать свои технологии, чтобы предотвратить угрозу со стороны подрывных инноваций. На второй фазе значительные изменения на микро- и макроуровне, (крупные научные открытия и принципиально новые технологии, вой­ны и революции) оказывают усиливающееся давление на отраслевой режим. В результате двухстороннего давления на третьей фазе отраслевой режим начинает играть стимулирующую роль, обеспечивая капитал для инноваций, за счет чего складывается новый отраслевой режим. А на четвертой фазе процесс внедрения инноваций постепенно замедляется, поскольку технологический режим достигает нового динамического равновесия и начинает сопротивляться дальнейшей трансформации. Социотехнический транзит является частным случаем проявления метасистемного энергетического подхода, который представляет собой фрактально-­циклическое подобие повторяющихся политических, социально-­экономических и технологических структурных волн [7].

«Человекосообразная» техника

Согласно доктрине известного немецкого экономиста Э. Ф. Шумахера, неустойчивость современного капитализма возникает из-за того, что он существует за счет использования невосстановимого капитала, включающего в себя: залежи ископаемого топлива, «запасы терпения» природы, т. е. способности экосистем к самовосстановлению, а также субстанции человека (психофизиологический потенциал здорового человека) [8]. Вектор технологического развития задан западной цивилизацией и сконцентрирован на максимизации производительности производства, оборотной стороной является высокая капиталоемкость передовых технологий. Парадоксальным образом рост потребления, требующий соответствующего роста производительности, входит в противоречие с традиционными ценностями здоровья, красоты и благополучия. Выход из экономического, экологического и экзистенциального кризиса современности Э. Ф. Шумахер видел в переходе к мелкомасштабной технике (appropriate technology) и к использованию малых организационных структур. На основании своих многолетних исследований немецкий экономист сформулировал принцип «Малое прекрасно».
Характеристики «человекосообразной» техники по Э. Ф. Шумахеру заключаются в следующем:
• данная техника вписывается в уклад и традиции того общества, где она используется;
• техника является относительно дешевой – объем капиталовложений на одно рабочее место не должен превышать среднегодового заработка рабочего;
• в инженерном отношении данная техника является промежуточной между передовой техникой развитых стран Запада и примитивными технологиями наиболее беднейших развивающихся стран.
Поскольку энергетическая инфраструктура является крайне важной для устойчивого социально-­экономического развития городских и аграрных территорий, целесообразно применять при разработке энергетических стратегий принцип «малое прекрасно», направленный на использование потенциала самоорганизации местных сообществ для достижения оптимального баланса социальных благ и ущербов в ходе модернизации.

Модернизационные процессы должны учитывать многоукладность национальной экономики. Известный российский философ А. Г. Дугин выделяет три экономические формации [9]:

1. Доиндустриальная (домодерн) – преобладание сельского хозяйства, скотоводства и охоты (включая собирательство), концентрация трудовых общин в небольших поселениях, слабое развитие товарно-­денежных отношений, отсутствие накопления капитала, экономика дара и жертвы (анти-утилитарного использования прибавочного продукта), циклическая, сезонная картина мира;
2. Индустриальная (модерн) – преобладание промышленного производства и урбанизации, утверждение новых стандартов жизни, модели распределения благ, идейных и этических принципов, накопление капитала, картина мира, основанная на концепциях времени, движения и прогресса;
3. Постиндустриальная (постмодерн) – преобладание финансовой автономии над производством, диверсификация жизненных стилей и стандартов, переход к символическому потреблению, полифония идей и этик, картина мира, основанная на сочетании противоположностей;
   При модернизации Дальнего Востока и арктических территорий Российской Федерации на базе широкого внедрения инновационных технологий необходимо учитывать вызванную этими процессами трансформацию хозяйственного уклада и складывание нового баланса социальных благ и ущербов [10]. С учетом хрупкости социокультурной среды формирование «человекосоразмерной» жизненной среды, во многом определяемой технико-­технологическими факторами, особенно актуально для территорий с доиндустриальным профилем экономики [11]. Целесообразно с одной стороны принимать во внимание «теневой» характер местной экономики построенной на использовании природных ресурсов, а с другой стороны использовать социокультурный потенциал изолированных локальных сообществ, выражающийся во взаимной поддержке и самоорганизации [12].

Гибридные энергосистемы и изолированные сообщества

На текущий момент в развитых странах реализовано большое количество пилотных проектов по созданию автономных гибридных энергосистем (ветер ‒ солнце ‒ водород) для жизнеобеспечения изолированных сообществ (островных или удаленных поселений).
Одним из первых проектов подобного типа стала запущенная в 2004 году ветро-­водородная энергосистема острова Утсира (Utsira), находящегося в 20 км от западного побережья Норвегии [13]. Первоначально на острове Утсира использовался дизель-­генератор, но он был полностью замещен гибридной ветро-­водородной генерацией.
Автономный энергетический комплекс острова Утсира включает в себя ветровую электростанцию (600 кВт), водородный двигатель (55 кВт), щелочной электролизер (10 Нм3/ч, 48 кВт), топливные элементы (10 кВт), водородный компрессор (5,5 кВт), хранилище газообразного водорода (2400 Нм3 при 200 бар).
Данный демонстрационный проект был реализован консорциумом норвежской энергетической компании Statoil ASA и Enercon, владеющим технологиями электролиза водорода и строительства ветро-­электростанций соответственно. В создание и управление гибридной энергосистемой были активно вовлечены местные власти, члены местного сообщества и представители местного бизнеса. Инновационная энергосистема обеспечивает качественное и надежное энергоснабжение 10 домохозяйств, причем она может функционировать до 18 месяцев в автономном режиме. Дальнейшее развитие данного проекта состоит в повышении уровня утилизации энергии ветра, многоцелевом использовании водорода, диверсификации генерации, компактификации систем хранения водорода, а также в тиражировании и масштабировании ветро-­водородных энергосистем в островных территориях Европейского союза.
Другим примером применения водородной энергетики на изолированных территориях является проект PURE, реализованный на небольшом острове Унтс (Unst) в северной Шотландии [14]. Высокий потенциал возобновляемых источников энергии позволил создать локальную энергосистему, состоящую из двух ветряных турбин (6 кВт), электролизера (3,55 Нм3/ч), и хранилища газообразного водорода (90 Нм3 при 30 бар), водородный автомобиль с топливным элементом (5 кВт). Проект реализован компанией Unst Partnership Ltd. при поддержке Агентства по развитию сообщества Унтс.
Проект HARP реализован BC Hydro и General Electric Corp. в рамках инициативы по электрификации отдаленных общин и заключался в применении водородных технологий и «умных» сетей (Smart Grid) в изолированной энергосистеме Белла Коул, штат Британская Колумбия, Канада. Проект направлен на оптимизацию расхода дизельного топлива и сокращение выбросов парниковых газов. Два дизель генератора были замещены на электролизер (60 Нм3/ч), топливный элемент (100 кВт), хранилище газообразного водорода и литийионный накопитель энергии (30‒125 кВт), кроме того, сооружена линия электропередачи до ГЭС на водопаде Клейтон (2 МВт).
Тенерифе является одним из Канарских островов и обладает значительным потенциалом возобновляемых источников энергии, при этом его энергосистема является полностью изолированной и зависит от импорта ископаемого топлива. Технологическим институтом Канарских островов были реализованы два демонстрационных проекта RES2H2 (производство электроэнергии и опреснение воды) и HYDROHYBRID (повышение энергонезависимости острова на основе возобновляемых источников энергии и водорода).

Водородные энергосистемы

В институте были созданы две экспериментальные энергосистемы. Первая разработана для удовлетворения потребностей изолированных сообществ в электроэнергии и воде. Она включает в себя щелочной электролизер (11 Нм³/час), систему хранения водорода (500 Нм³ при 25 бар), шесть топливных элементов по 5 кВт, ветряную турбину и опреснительную установку обратного осмоса. Вторая энергосистема состоит из ветровой турбины (10 кВт), фотоэлектрической системы (3 кВт), PEM‑электролизера (1.16 Нм³/ час), компрессора, хранилища газообразного водорода (50 Нм3 при 200 бар) и топливного элемента (5 кВт). Вырабатываемый водород используется для зарядки транспортного средства с топливным элементом (4 кВт).
Водородный проект Гебридских островов на западном побережье Шотландии направлен на использование потенциала возобновляемых источников энергии (энергия ветра, биогаза). Частично изолированная энергосистема Гебридских островов имеет один из самых высоких уровней энерготарифов в Великобритании, поскольку на 97% зависит от внешних источников энергии и топлива. Местный совет сформировал водородную стратегию Гебридских островов, предусматривающую создание на первом этапе лаборатории водородных ресурсов Гебридских островов с целью формирования базы знаний и компетенций, повышения осведомленности сообщества о водородных технологиях и их интеграции с возобновляемыми источниками энергии.На втором этапе предполагается создание мощностей по производству, хранению и распределению водорода. Электролизер (5 Нм³/час) будет работать на энергии от генератора биогаза, установленного на местных очистных сооружениях, кроме того, будут использованы мощности ветровых электростанций. На третьем этапе будет развиваться водородная инфраструктура (транспорт с топливными элементами, источники бесперебойного питания и теплоэнергетические установки).
Сравнительный анализ 28 островных и изолированных сообществ и энергосистем выявил ряд особенностей отличающих их друг от друга [15]. Технические особенности связаны с уровнем проникновения возобновляемых источников энергии и наличием связи с централизованными системами энергоснабжения. Но основные отличия связаны с характеристиками местных сообществ: уровнем энергопотребления среднего домохозяйства, особенностями хозяйственного уклада, степенью развития местной экономики и т. д. При этом, во всех проектах в качестве главного условия их выхода на окупаемость указывалось активное вовлечение местных сообществ в проектирование, строительство и эксплуатацию гибридных энергосистем.
Таким образом, главным для развития инновационной локальной энергетики является сплоченность и активность местного сообщества. Основные причины, по которым локальные сообщества прилагают значительные усилия для развития гибридных энергосистем ‒ это укрепление энергетической безопасности, достижение полной или частичной энергонезависимости, сокращение расходов на энергоснабжение за счет использования местного потенциала «зеленой» энергетики, а также защита окружающей среды. Местные сообщества становятся инновационными из-за желания получить в свои руки контроль над локальной энергетикой и региональной экономикой, остановить «утечку мозгов». Кроме того, успешная реализация инвестиционных проектов с применением передовых технологий порождает гордость сообщества за свои достижения.
В российских условиях разработка механизмов вовлечения коренных народов Севера в инновационные процессы является важнейшим условием комплексного развития северных территорий [16]. Исследования Сибирского федерального университета выявили, что приоритетным направлением для всех изолированных поселков и удаленных территорий является производство дешевой электроэнергии и воды, на базе чего возможно устойчиво развивать локальную экономику.

Гибридная энергосистема села Батамай, Республика Саха (Якутия)

Республика Саха (Якутия) обладает рекордными для Арктики показателями приходящей на горизонтальную поверхность солнечной радиации [17]. Для использования данного потенциала возобновляемых источников энергии в 2011 году в селе Батамай Кобяйского улуса Республики Саха (Якутия) была построена первая экспериментальная солнечная станция (СЭС). Пилотная СЭС состояла из 52 солнечных панелей общей мощностью 10 кВт. После первого года эксплуатации стала очевидна экономическая выгода от новых технологий и энергетики, началось поэтапное наращивание мощности СЭС. В настоящее время многофункцио­нальный автономный энергетический комплекс в селе Батамай включает в себя автоматизированную дизельную электростанцию (160 кВт), солнечную электростанцию (60 кВт, фотоэлектрические панели JRM‑195, FSM‑230, FSM‑250, ECS250M60-A) сетевых инверторов (SMA STP 10000 TL, АКБ LT-LFP 300, SMA Sunny Island SL6.0H) и системы накопления электроэнергии номинальной емкостью 86,4 кВт.ч (LTLFP 300). Оборудование рассчитано на работу в экстремальном климате с перепадом температур от +40 градусов Цельсия летом до –45 зимой. В летнее время 70% энергии в Батамае вырабатывается СЭС, а зимой 30‒40%, максимум и минимум нагрузки составляет 65 кВт и 3 кВт соответственно. Работа «солнечной» электроэнергии уменьшает износ дизель генераторов, снижает зависимость поселка от сезонной поставки дизтоплива (экономия топлива – 17,4 тонн/год), оптимизирует себестоимость производства электроэнергии (снижение стоимости 1 кВт.ч на 33%), а также повышает надежность энергоснабжения [18].

В ходе строительства и эксплуатации гибридных (солнечно-­дизельных) электростанций специалистами АО «Сахаэнерго» были выявлены следующие проблемы: нестабильность фундаментов объектов ВИЭ, сложная логистика запчастей и оборудования, снижение выработки из-за налипания снежного покрова на солнечные панели, неоднозначное соотношение «выгоды ‒ затраты» у солнечных трекеров, дефицит квалифицированных кадров, недостаточность механизмов государственной поддержки развития ВИЭ.
Развитие ВИЭ в Якутии стратегически управляется с федерального уровня, поскольку АО «РусГидро» является мажоритарным акционером дальневосточной энергетики. Оперативное планирование развития гибридных энергокомплексов осуществляется с регионального уровня (АК «Якутскэнерго»), а практическая реализация инвестиционных проектов ведется на локальном уровне (АО «Сахаэнерго»).
Сводный анализ развития гибридной энергетики в Якутии на основе концепций социотехнологического транзита и «человекосообразной» техники представлен в таблице 1. На макроуровне федеральная экономика включает в себя индустриальную формацию (преимущественно в сырьевой форме), а также постиндустриальную формацию в рентной (гос. сектор, военно-­промышленный комплекс) и когнитивной форме (сектор информационных технологий). Национальная энергетика относится преимущественно к индустриальной формации, а развитие ветровой и солнечной энергетики может быть отнесено к когнитивной постиндустриальной формации.
На мезоуровне региональной экономики и энергетики социотехнический профиль сконцентрирован преимущественно в индустриальной формации (сырьевая и промышленная формы), а также рентной постиндустриальной формации эксплуатирующей в межбюджетных отношениях с федеральным центром статус крупнейшего национального субъекта в Дальневосточном Федеральном округе. Инновационный очаг в региональной энергосистеме связан преимущественно с внедрением ВИЭ в зоне децентрализованного электроснабжения Республики Саха (Якутия).
Село Батамай является историческим поселением, на его территории археологические раскопки выявили стоянку человека каменного века (4 тысяч лет до н. э.), а в 1773 году в данном селе была открыта ямщицкая станция «Батамайская». В настоящее время село Батамай с населением 233 человек относится к группе населенных пунктов слабого градостроительного развития, поскольку объекты производственной и социальной сферы рассчитаны только на удовлетворение местных потребностей. По сравнению с другими населенными пунктами Кобяйского улуса, обеспеченность медициной и услугами социальной сферы, а также спортивной инфраструктурой в селе Батамай находится на низком уровне, а образование на среднем уровне. Также село Батамай относится к группе населенных пунктов, не обеспеченных связью со столицей Республики Саха (Якутия) городом Якутском и улусным центром поселка Сангар по автомобильным дорогам с твердым покрытием. Таким образом, село Батамай можно обоснованно отнести к изолированным, «островным» сообществам, сочетающим в себе черты доиндустриальной формации (кочевой и оседлый хозяйственный уклад) и постиндустриальной формации (рентный бюджетный сектор). При этом, социотехнический профиль локальной энергосистемы также обладает двой­ственным профилем: дома с индивидуальным (печным) отоплением относятся к доиндустриальной формации, а солнечно-­дизельная электростанция относится к рентной постиндустриальной формации.
Технический дизайн гибридной энергосистемы села Батамай и особенности ее эксплуатации свидетельствуют о том, что данный вид энергетических технологий не отвечает критериям «человекосообразной» техники. Основная ­проблема ­заключается в том, что на всех трех уровнях (макро, мезо, микро) социотехнической системы имеют место разрывы в уровне развития экономики и энергетики, которые в совокупности создают социально-­экономические и производственные проблемы на локальном уровне.
Проектирование энергосистемы села Батамай производилось на региональном, а утверждалось на федеральном уровне, при этом главной целью энергетиков была экономия завозимого внешнего топлива. Местные власти не были тесно вовлечены в данную работу, поскольку перекрестное субсидирование энерготарифов привело к низкой чувствительности локального сообщества к производственной задаче сокращения расхода дизельного топлива.
Хозяйственный уклад в селе Батамай приводит к высокому уровню сезонной неравномерности в графике производства и потребления энергии: в весенне-­зимний период электроэнергия, вырабатываемая фотоэлектрическими панелями, в значительной степени остается невостребованной из-за сокращения потребления в ходе сезонных работ, а в зимний период возрастающие нагрузки не могут быть удовлетворены солнечной энергетикой в силу снижения соляризации. С точки зрения «человекосообразной» техники, решением сложившегося противоречия может стать развитие гибридной солнечно-­водородной энергосистемы с активным вовлечением местного сообщества за счет сооружения крышных солнечных электростанций (до 30 шт, единичная мощность 3‒5 кВт), цифровизации распределительных сетей (снижение потерь на 30%) и перехода на расчеты за электроэнергии на основе технологии «блокчейн». О реалистичности и перспективности данного подхода свидетельствует описанный выше мировой опыт в сфере создания гибридных энергосистем в изолированных и островных сообществах, а также новейшие исследования российских ученых [19, 20. 21. 22].

Выводы

Развитие локальной энергетики Дальнего Востока и Арктики необходимо вести с учетом социокультурных особенностей коренных народов и местных сообществ. Экономическая эффективность инвестиционных проектов в распределенной энергетике сильно зависит от интегрированности в локальную экономику, поскольку даже в условиях быстрого роста цен на завозимые топливные ресурсы объем добавленной стоимости местных производств пока не позволяет окупить инновационные технологии. Мировой опыт формирования гибридных энергосистем в изолированных и островных сообществах свидетельствует, что полное использование потенциала возобновляемых источников энергии может быть достигнуто при использовании передовых водородных технологий. Активное вовлечение коренных народов Севера в инновационные процессы является важнейшим условием комплексного развития удаленных территорий, ускоренного перехода к новому энергетическому укладу и укрепления геополитических позиций Российской Федерации на всем пространстве Евразии и Арктики.