Л. Нефедова. Адаптация энергокомплекса к изменениям климата в Арктике

Людмила НЕФЕДОВА
Старший научный сотрудник МГУ им. Ломоносова (географический факультет), к. г. н.
e-mail: nefludmila@mai.ru

Lyudmila NEFEDOVA
Lomonosov Moscow State University,
Senior Researcher, C. G. Sc
e-mail: nefludmila@mai.ru

Аннотация. В работе рассматриваются проблемы энергетики в Арктике в условиях глобальных климатических изменений. Определены механизмы воздействия климата региона на условия эксплуатации и эффективность работы энергообъектов. Приведены данные оценок последствий возможных климатических изменений на инфраструктуру и функционирование ТЭК арктической зоны.
Ключевые слова: Арктическая зона, адаптация к климатическим рискам, АЭС, ВИЭ, ГЭС, климатические изменения, распределенная энергетика, ТЭС, энергетический комплекс.

Abstract. The paper discusses the problems and features of the functioning of the energy complex in the regions of the Arctic Zone of the Russian Federation (AZRF) under the influence of global climate change. The mechanisms of the impact of changes in the climatic characteristics of the region on operating conditions and the efficiency of energy facilities of the fuel and energy complex are determined. The data of assessments of the effects of possible climate changes on the infrastructure and functioning of the fuel and energy complex of the Russian Arctic are presented, which include: the impact on power generation facilities; impact on energy transportation; problems of permafrost thawing and solifluction; climate impact on energy consumption and socio-­economic impacts; the role of distributed energy and renewable energy in adaptation to climate change. Measures have been formulated to adapt to possible risks associated with climate change in the fuel and energy sectors – extraction of fossil fuel resources, production of heat and electricity, and transportation of electricity and fuel.
Keywords: Arctic zone, adaptation to climatic risks, NPP, RES, HPP, climate change, distributed energy, TPP, energy complex.

Введение

Одним из определяющих моментов успешного выполнения программы по освоению арктической зоны России является создание и бесперебойная работа в течение длительного срока энергетической инфраструктуры. Принятие РФ в сентябре 2019 г. Парижского соглашения по климату требует разработки методов адаптации энергокомплекса страны для его выполнения. Глобальные климатические трансформации, происходящие последние десятилетия, находят свои проявления и в Арктическом регионе. Рост температуры и увеличение количества осадков дают основание ряду исследователей прогнозировать глубокие изменения климатических и природных условий в Арктике [1–3]. Наиболее значимыми природными изменениями для социально-­экономического развития региона, связанными с повышением температуры воздуха, являются сокращение площади ледяного покрытия в морях Северного Ледовитого океана, интенсификация процессов деградации многолетней мерзлоты, изменение ветрового режима и режима осадков, повышение уровня океана, вызывающее смещения местоположения уреза морских вод, усиление абразивных процессов в береговой зоне, а также – смещение границ природных зон в северном направлении [4,5].
По данным Росгидромета, за последние 40 лет среднегодовая температура в Арктической зоне на территории России увеличилась в среднем на 2 °C, а зимы стали теплее на 3–4 °C. В остальные сезоны температура возросла на 1–1,5 °C. Количество осадков в целом не изменилось. За последние 10 лет рост среднегодовой температуры в Арктической зоне России составил до 0,8 °C, то есть почти в 5 раза выше глобального [6]. Повышение температуры атмосферного воздуха рассматривается рядом ученых, как результат циклических колебаний атмосферных процессов [7].
Математическое моделирование изменения ключевых параметров климата в Арктическом регионе показало, что влияние глобального потепления на российскую часть Арктики будет неоднородным. В целом значения температуры поднимутся практически везде, но в азиатской части они вырастут заметно больше. Количество осадков в российской Восточной Арктике возрастет значительно в большей степени, нежели на Севере европейской части страны. Более всего увеличится количество осадков, выпадающих зимой. Слой снежного покрова к концу века для Ямало-­Ненецкого автономного округа увеличится на 40 %, а для севера Якутии и Чукотки – на 70 % [8]. Изменения климатических характеристик неизбежно оказывают влияние на условия эксплуатации и на эффективность работы энергетических объектов, при этом степень зависимости для разных типов электростанций значительно различается.

Влияние климатических изменений на производство и передачу энергии в Арктике

Атомные и тепловые ЭС. На безопасность работы тепловых и атомных станций оказывает значительное влияние изменение экстремальных значений температуры и влажности воздуха. Кроме того, большое значение имеют скорость ветра и повторяемость смерчей, которые могут нанести значительный ущерб сооружениям, и штилей, поскольку штилевые условия способствуют увеличению значений концентрации вредных примесей в воздушной среде. Особенно опасны экстремальные смерчи для атомных станций, поскольку могут вызвать аварию с утечкой топлива. При проектировании АЭС условием безопасной эксплуатации является вероятность воздействия смерчей менее 0,01 %. Для ТЭС повышение среднегодовых температур и связанные с ним снижение расходов на отопление и относительное сокращение затрат на энергетические ресурсы для генерирующих мощностей носят положительный характер. Однако типичные для интенсивных изменений климата резкие колебания температуры воздуха оказывают негативное влияние на эффективность работы газотурбинных установок. Рост среднегодовой температуры на 5 °C снижает экономичность газотурбинной ТЭЦ на 1,5–2,5 % [9]. Вероятное потепление и увеличение осадков не приведут к авариям на АЭС, так как принятая степень защиты очень велика. Однако при увеличении повторяемости и интенсивности опасных природных явлений может быть изменена степень угрозы для инфраструктурных объектов, а также для комплекса зданий и сооружений, на которых используются ядерные или радиационно-­опасные технологии. При этом наибольшую угрозу для АЭС и их окружения в Мурманской области и на Чукотке, представляют штормы и ураганы [10].

Изменения климата неизбежно оказывают влияние на условия эксплуатации и эффективность работы энергетических объектов, но степень зависимости для разных типов электростанций отличается

Гидроэлектростанции. При изменении климатических условий гидроэнергетический потенциал и условия эксплуатации гидроэлектростанции конкретного района могут изменить свою величину в связи со следующими факторами:

• изменения сумм осадков и испарения приведут к изменению объема стока и его годового хода (например, сдвиг весеннего половодья на более ранний период);
• изменения интенсивности и частоты экстремальных погодных явлений (наводнений и засух) могут увеличить стоимость гидроэнергетических проектов и изменить условия эксплуатации ГЭС;
• изменения в режиме донных отложений могут увеличить изнашиваемость турбин и уменьшить выработку электроэнергии;
• изменение ледового режима повлияет на условия эксплуатации ГЭС.

Наибольшее значение для гидроэнергетики имеет изменение стока рек. Экстремально высокие значения притока воды могут привести к наводнениям и выходу из строя агрегатов ГЭС [11,12]. В российской Арктике гидроэлектростанции играют значительную роль в Мурманской области. При установленной в настоящее время мощности гидротурбин на ГЭС, выработка электроэнергии на действующих ГЭС останется стабильной, однако в периоды особо многоводных годов возникнет необходимость более частых попусков воды из гидротехнических сооружений минуя турбины, во избежание катастрофических подъемов уровня воды в водохранилищах. В целом для Арктического региона ожидается увеличение нормы стока весеннего половодья на 23 % и снижение коэффициента его вариации на 14 % согласно средним значениям по всем сценариям изменения климата. Наиболее значительное увеличение нормы стока при одновременном снижении коэффициента вариации ожидается на территории большей части Восточной Сибири за исключением Чукотского полуострова. Значительное изменение статистических характеристик стока весеннего половодья может быть зафиксировано в Мурманской области, северо-­западных районах Карелии, Архангельской области, Коми, на территории Ненецкого, Ямало-­Ненецкого и Долгано-­Ненецкого АО, на севере Якутии и Магаданской области, а также части Чукотского АО. Проведение расчетов максимальных расходов малой обеспеченности по данным наблюдений без учета ожидаемых изменений климата может привести к занижению или завышению объемов стока на период эксплуатации гидротехнических сооружений [13]. Увеличение стока малых рек и продолжительности безледоставного периода позволит развивать малую гидроэнергетику и включать ее в энергокомплексы более восточных, нежели Мурманская область, регионов Арктики. Для учета глобальных климатических изменений при развитии гидроэнергетики в Арктической зоне к 2040 году и далее, необходимо создание условий для получения достоверной гидрологической информации: расширение стандартной гидрологической сети наблюдений, создание репрезентативных гидрологических полигонов в каждой опорной зоне для комплексного мониторинга основных компонентов водного баланса и гидрологических процессов с применением современного оборудования, внедрением новых методов исследований, в том числе на основе современных методов моделирования и дистанционного зондирования [14].

Передача энергии осуществляется главным образом по ЛЭП. Наиболее значимыми климатическими характеристиками для ЛЭП является максимальная гололедная и ветровая нагрузки, а также число дней с опасными явлениями погоды (гроза, град, ливень, снегопад). Кроме того, представляют опасность высокие температуры воздуха, так как они приводят к растяжению проводов. При этом возможно их провисание и контакт с соседними проводами, вызывающий короткое замыкание. Потепление климата приводит к возрастанию экстремальных значений атмосферных нагрузок и необходимости удорожания строительства и обслуживания ЛЭП. Частые повышения температуры воздуха в зимний период и увеличение числа случаев выпадения жидких осадков, в том числе переохлажденного дождя, приведут к росту рисков опасного гололедообразования и аварий на ЛЭП (разрыв проводов и разрушение опор). Аварии на ЛЭП страшны не столько из-за необходимости их восстановления. Стоимость восстановительных работ может составлять от 2–3 млн до 10 млн руб. Однако главная опасность состоит в том, что от энергоснабжения отключаются целые районы, и в том числе компрессорные станции на магистральных трубопроводах, многие из которых не имеют автономного энергоснабжения [8].

Потребление электрической и тепловой энергии

Изменения климата могут существенно повлиять и на энергопотребление в российской Арктике. Потепление сократит длительность отопительного сезона. Оценивается, что в Арктической зоне европейской части России его продолжительность уменьшится на 40–50 суток в год к середине XXI века и на 60–70 суток в год – к его концу. Общие затраты на отопительный сезон здесь могут упасть на 30 %. В арктических условиях это особенно важно, поскольку в целом ряде районов российского севера энергосистемы изолированы и их функционирование зависит от дорогого северного завоза. Одной из важнейших прогнозных задач является уточнение оценок ожидаемой продолжительности и температуры отопительного периода, а также таких климатических показателей, как дефицит тепла и дефицит холода в Арктическом регионе России [8]. Рост среднегодовых значений температуры преимущественно за счет зимнего потепления приведет к сокращению потребления тепловой энергии в Арктике из-за снижения продолжительности и температурного режима отопительного периода, а соответственно и даст значительную экономию в теплоснабжении.

Прогнозирование энергопотребления населением Арктики базируется на данных о структуре его распределения по территории, миграционных потоках и численности. На современном этапе отмечается сильное «сжатие» урбанизированного и индустриального пространства российской Арктики. В целом, на три наиболее развитых региона (Мурманская, Архангельская область и ЯНАО) приходится около 3/4 всего городского населения Арктической зоны. Основной демографический и экономический потенциал Арктики концентрируется по-прежнему в районе Беломоро-­Баренцевоморского побережья (около 55 %). За последние 40 лет доля ЯНАО в городском населении севера выросла с 2 % до почти 20 % и будет расти в ближайшие 10 лет. Численность городского населения снизилась на 0,5 млн человек, а доля населения европейской части Арктики упала до 55 %, при этом удельный вес Западной Сибири вырос с 10 % до 18 % [16].
Большая доля городского населения и связанного с ним производственного потенциала смещается на восток к районам нефтегазодобычи – в зоны распространения многолетней мерзлоты с нарастающими рисками ее деградации. Согласно проведенным прогнозным исследованиям и в будущем доля населения сибирской Арктики будет увеличиваться за счёт постепенного оттока северного населения европейской части и увеличения миграции в сторону крупных нефтяных проектов [16]. В соответствии с этими тенденциями и будет происходить перестройка инфраструктуры ТЭК.

Роль распределенной энергетики и ВИЭ в адаптации ТЭК к изменению климата

Современные исследования направлены на разработку формирования систем распределенной энергетики в Арктике с использованием инновационных типов производства электроэнергии: газотурбинные установки, объекты на ВИЭ, атомные установки малой мощности [17]. В связи с возрастающим влиянием климатических изменений, интенсификация процесса развития распределенной энергетики в Арктической зоне для энергоснабжения изолированных потребителей требует проведения исследований по разработке методологии учета климатических рисков [18]. Сопоставление экономических характеристик использования привозного органического топлива по реальной стоимости и освоения ресурсов возобновляемых источников энергии, позволяет говорить о перспективности их полноправного включения в энергокомплекс Арктики для снижения выбросов СО2 и других парниковых газов в регионе [19]. Использование технологий ВИЭ может стать одним из важнейших элементов адаптации к климатическим изменениям энергетической инфраструктуры Арктической зоны. Развитию арктической возобновляемой энергетики препятствует ряд факторов, в основном связанных с суровыми климатическими условиями. Несмотря на это, потенциал освоения ВИЭ в регионе значителен. Комбинированное использование ВИЭ с дизельными и газовыми двигатель-­генераторами в условиях децентрализованного энергоснабжения Арктической зоны позволяет обеспечить высокую надежность электроснабжения, значительную экономию за счет меньшего использования углеводородного топлива.

Проблемы оттаивания
вечной мерзлоты, солифлюкции и таяния морских льдов

Изменение климата вызывает увеличение температуры многолетних мерзлых грунтов, уменьшение их прочности и интенсификацию ряда деструктивных геокриологических процессов, таких как термокарст, солифлюкция, неравномерные просадки почвы и тому подобное. При оттаивании почвы из нее выделяются метан и углекислый газ, которые были зафиксированы вечной мерзлотой. Освобождение этих газов может изменить баланс углекислого газа Арктики в целом, а значит – глобальное потепление пойдёт еще более быстрыми темпами. Это воздействие крайне опасно, поскольку более 80 % территории расположены в зоне многолетней мерзлоты, а 45 % городского населения Арктики проживает в зоне распространения мерзлых грунтов [16]. Потепление и деградация вечной мерзлоты уже к настоящему времени способствовали широко распространенной деформации технических и строительных конструкций в ряде поселений, в частности – в Норильске. За последние годы число сооружений, получивших повреждения из-за неравномерных просадок фундаментов, увеличилось по сравнению с предшествующим десятилетием в Норильске на 42 %, Якутске – на 61 %, Амдерме – на 90 %. Необходимы новые разработки для конкретных геотехнических проблем человека и климата, связанных с вечной мерзлотой, и инновационные экономически эффективные решения для безопасного инфраструктурного строительства. Прогнозы указывают на то, что эти изменения будут усиливаться в последующие несколько десятилетий, в результате чего возникают и со временем увеличиваются риски повреждения и разрушения сооружений и транспортных коммуникаций в криолитозоне. В контексте развития экономики Арктических регионов России особенно важен вопрос об устойчивости к деструктивным геокриологическим процессам инфраструктуры топливно-­энергетического комплекса, которая включает в себя как энергообъекты и ЛЭП, так и сеть трубопроводов [20].

Повышение уровня безопасности строительства объектов энергетической инфраструктуры в многолетних мерзлых грунтах при климатических изменениях требует повышения коэффициента запаса прочности для сохранения стабильности сооружений даже в районах с относительно «слабой» мерзлотой. Увеличение числа свай фундаментов или удлинение их части, погруженной в мерзлоту, при том же расчетном весе конструкции уменьшает нагрузку на каждую из них, в результате фундамент сможет выполнять свои функции при более высоких температурах грунта. Такое повышение коэффициента запаса прочности будет приводить к значительному удорожанию строительства крупных энергообъектов (АЭС, ТЭС, ГЭС).
Сокращение морского ледяного покрова, вероятно, увеличит возможность доступа к ресурсам на шельфе арктических морей. Однако одновременно усилится волнение моря, возрастет количество айсбергов из-за разрушения ледников. Знание статусного состояния айсберга позволяет уточнить риски, связанные с возможным столкновением с ним инженерных сооружений и судов [21]. Так, айсберги, дрейфующие на открытой воде, имеют большую скоростью, чем дрейфующие во льдах; этот факт должен учитываться при разработке планов минимизации этой угрозы.

Стоимость восстановления после аварий на ЛЭП может составлять от 2–3 млн до 10 млн рублей. Но главная опасность состоит в отключении целых районов, не имеющих автономного энергоснабжения

Недропользователям необходимо предусматривать создание специальных служб контроля айсберговой и ледовой опасности, которые должны включать активную защиту от айсбергов и ледовый мониторинг. Необходим пересмотр полученных ранее оценок экстремальных высот волн, значения которых заложены в проектные решения буровых платформ для нефтяных и газовых месторождений, таких, как например, Штокмановское. Увеличение высот волн должно обязательно учитываться при проектировании гидротехнических сооружений, нефтяных платформ и судов, а также при обеспечении безопасных условий плавания в море.

Угрозы рисков и меры адаптации

Учет рисков при изменениях климата крайне важен в отраслях добычи топливных ресурсов, производства электроэнергии и тепла, транспорта энергоресурсов в российской Арктике для минимизации возникающих потерь от возможных угроз. Авторами были обобщены и систематизированы основные риски в топливно-­энергетическом комплексе Арктики, связанные с глобальным потеплением климата, а также выделен ряд мер адаптации для снижения данных рисков (табл. 1). Рекомендации подготовлены с учетом результатов анализа прогнозируемых изменений климата и социально-­экономических особенностей региона.

Заключение

Изменения климатических характеристик неизбежно оказывают влияние на условия эксплуатации и на эффективность работы разных типов инфраструктурных объектов ТЭК. В настоящее время природно-­климатические изменения в российской Арктике все чаще становятся причиной различных стихийных бедствий, в том числе наводнений, обусловленных изменениями гидрологического режима рек, разрушения зданий и опор линий электропередач вследствие активизации процессов термокарста, солифлюкции.
При наблюдаемой тенденции изменчивости климатических характеристик увеличивается нагрузка на объекты энергетического комплекса. Моральный и физический износ основного оборудования, исчерпание пропускной способности ЛЭП и недостаточность их резервирования лишь усиливают климатические риски. С другой стороны, изменение климатических условий создает новые возможности, в частности, понижение потребностей в отоплении в зимний период, увеличение гидро- и ветроэнергетического потенциала, расширяет перспективы для использования солнечной и фотоэлектрической энергии. Это подчеркивает необходимость диверсификации источников энергии, развития возобновляемой энергии, совершенствования управления энергосистемой, способной справиться с более выраженной флуктуацией в спросе на электричество.
Сложные природно-­климатические условия в совокупности с высокой значимостью российской Арктики для развития всей страны приводят к необходимости углубленного изучения природных рисков и потенциального ущерба от опасных природных явлений. Разработанный авторами комплекс мер по адаптации ТЭК Арктики к возможным рискам при климатических изменениях позволит повысить эффективность его функционирования и уменьшить возможный ущерб. Для территорий Арктики с изолированным энергоснабжением развитие энергоэффективных систем и использование возобновляемых источников энергии в ТЭК обеспечит как снижение климатических рисков для устойчивого роста данного сектора экономики, так и сокращение техногенных выбросов парниковых газов, являющихся одним из главных факторов указанных изменений.
Работа выполнена в рамках госзадания (AAAA-A16-116032810088-8).