Экологические перспективы ценозависимого потребления электроэнергии

Евгений ЗЕНКИН
Управляющий директор
ПАО «Братский алюминиевый завод»
e-mail: semen.nozhko@rusal.com

Семен НОЖКО
Менеджер ПАО «Братский
алюминиевый завод», к. т. н.
e-mail: semen.nozhko@rusal.com

Инна СОБОЛЕВА
Руководитель направления сектора работы с клиентами АО «Мосэнергосбыт» e-mail: semen.nozhko@rusal.com

Сергей ДАЦЮРА
Магистрант,
Сибирский федеральный университет
e-mail: semen.nozhko@rusal.com

Введение

Во исполнение Указа Президента РФ от 7 мая 2018 года № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» в 12 городах России был начат проект «Чистый воздух», целью которого является существенное снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Позднее, Минприроды расширило список городов, которые могут стать участниками этого федерального проекта, до 35 [1]. Отдельно стоит отметить, что многие города из обновленного списка территориально находятся в Сибири: только в Иркутской области таких городов 9. Перечень веществ, загрязняющих воздух, в этих городах разнообразен: это и бенз(а)пирен, сернистый ангидрид, оксиды азота, перфторуглероды, пыль неорганическая и многие другие. Отдельно следует выделить разнообразные парниковые газы, образование которых в подавляющем большинстве случаев связано с энергетикой (рис. 1).

Рис. 1. Динамика ежегодных выбросов/поглощения выбросов парниковых газов в России в 1990–2015 гг. (млн тонн в эквиваленте СО2) [2]

Для снижения эмиссии парниковых газов во многих странах мира было введено ценообразование за выбросы углерода. С помощью механизма ценообразования на углерод перекладываются ущербы от эмиссии парниковых газов обратно на тех, кто непосредственно их выделяет. Таким образом, вместо прямого жесткого указания на снижение эмиссии парниковых газов проводится политика экономической заинтересованности в снижении выбросов для поставщика товаров и услуг. Происходит снижение общего объема выбросов загрязняющих веществ путем релокации мест производства в более экологически целесообразные условия. Углеродный налог в таком контексте имеет фундаментальное значение и становится экономическим стимулом для чистого развития [3].
По состоянию на 2017 год в 42 странах инициированы и в той либо иной степени внедрены цены на выбросы углерода. Часто, фактический механизм уплаты углеродного налога зависит от конкретной ситуации в стране, а политические цели углеродного налогообложения согласовываются с национальными экономическими целями и техническими возможностями. Так, в Швеции налог на выбросы углерода был введен в 1991 году, после чего он несколько раз изменялся. В настоящее время, если сравнивать с другими странами, шведский налог достаточно высокий, взимается с ископаемого моторного и печного топлива. В 2020 году он составил примерно 126 долларов США за тонну СО2. Часть промышленности освобождена от данного налога либо данный налог действует на нее ограниченно. Это относится к сельскому хозяйству, лесному хозяйству, металлургии и горнодобывающей промышленности. Данные отрасли рассматриваются как национальные, они технически не могут снизить эмиссию углерода в краткосрочной перспективе. Отдельно следует отметить, что в Швеции практически нет производителей ископаемого топлива, поэтому плательщиками являются исключительно импортеры. Денежные поступления от уплаты углеродного налога не являются целевыми и поступают в государственный бюджет [4, 5].
Федеральный налог на эмиссию углерода в Канаде был введен в 2019 году. Федеральный налог уплачивается, если провинция не ввела свой налог на эмиссию углерода либо если налог провинции не соответствует федеральному. Структура провинциальных налогов на углерод может быть различной, однако структура налога в целом идентичная: для малых предприятий и граждан введена единая ставка, а для крупных промышленных источников эмиссии углерода существуют отдельные схемы исчисления налога, привязанные к выбросам углерода [6].
Приказы Минприроды РФ № 300 от 30.06.2015 г. «Об утверждении методических указаний и руководства по количественному определению объема выбросов парниковых газов» и № 330 от 29.06.2017 г. «Об утверждении методических указаний по количественному определению объема косвенных энергетических выбросов парниковых газов» определяют методику расчета уровня выбросов для всех отраслей и потребителей углеродоемкой продукции [7, 8]. В июле 2021 года принят федеральный закон № 296, где прописаны меры по ограничению выбросов парниковых газов и порядок предоставления отчетности по выбросам. Начиная с 1 января 2023 года отчеты по выбросам СО2 должны будут предоставлять регулируемые организации, деятельность которых сопровождается выбросами парниковых газов, масса которых эквивалентна 150 и более тысячам тонн СО2 в год. Начиная с 2025 года отчитываются компании, масса выбрасываемых парниковых газов у которых эквивалентна 50 и более тысячам тонн СО2 в год.
Введенный Еврокомиссией в 2021 году трансграничный углеродный налог чреват для российской промышленности суммарными отчислениями в бюджеты стран ЕС на сумму не менее 1,1 млрд евро ежегодно [9]. Это уже привело к изменению ландшафта на российском экономическом поле: так, «РУСАЛ» объявил о выделении своих углеродоизбыточных активов в отдельную «грязную» компанию [10]. Более 71 % алюминия в мире производится из электроэнергии, полученной из ископаемого топлива [11], следует ожидать и дальнейших трансформаций у производителей алюминия. Ряд экспертов сходятся в необходимости дополнительных протекционистских мер российского правительства, ограничивающих отечественного производителя от уплаты пограничного углеродного налога [12].

Demand Response
как резерв снижения выбросов парниковых газов

Demand Response это общепринятое название «умного» энергопотребления, которое заключается в изменении потребления электроэнергии конечным покупателем для решения общих проблем, например, недопущения аварийного прекращения энергоснабжения в результате перегрузки сетевого хозяйства и/или ликвидации локального энергодефицита. Таким образом, через экономические механизмы Demand Response крупные потребители электроэнергии изменением спроса могут существенно влиять на баланс электроэнергии в общей системе [13]. Механизм Demand Response достаточно широко распространен в США [14], Китае [15], Австралии [16], Великобритании [17] и Евросоюзе [18]. Причем в Великобритании и Евросоюзе Demand Response функционирует в том числе и с целью сокращения выбросов парниковых газов путем смещения производства электроэнергии в сторону возобновляемых (ветряной и солнечной) источников энергии, тем самым являясь механизмом экологического регулирования производства электроэнергии.
В целом, существование Demand Response в европейских странах позволяет широко использовать этот механизм для снижения выбросов парниковых газов, однако объемы использования весьма ограничены из-за низкой доли гидроэнергетики в общем балансе производства электроэнергии.
Первые шаги управления спросом на электроэнергию в России были предприняты в 2017–2018 гг. Уже на начальном этапе эффект от реализации на российском энергетическом рынке только непосредственно за счет энергетической составляющей (без учета возможных экологических эффектов) оценивается в 0,8 трлн руб­лей [19]. Интерес к реализации механизмов Demand Response в России имеется как у крупных потребителей электроэнергии («РУСАЛ», «ЛУКОЙЛ») [20], так и у крупных производителей («Росэнергоатом») [21]. Однако в настоящее время механизм Demand Response в России практически не используется из-за отсутствия нормативной базы, описывающей экономические механизмы взаимодействия участников процесса.
Ситуация с балансом производства и потребления электроэнергии в России (особенно, сибирской ее части) принципиально иная (рис. 2).

Рис. 2. Почасовое потребление энергии ОДУ Сибири, МВт [22]

Почасовое потребление энергии ОДУ Сибири, представленное на рис. 2, показывает, что выравнивание энергопотребления в течение суток позволит существенно снизить использование тепловых электростанций, особенно в летний период. Снижение доли тепловой генерации за счет гидрогенерации в общем случае приведет к снижению выбросов парниковых газов. Таким образом, использование механизмов Demand Response в условиях Сибири имеет ярко выраженный экологический резерв. В настоящее время энергопотребление в течение суток в Сибирском регионе изменяется более, чем на 3 ГВт.
С одной стороны, в Сибири высока доля гидрогенерации в общем балансе производства электроэнергии, с другой стороны, в регионе имеется ряд крупных потребителей электроэнергии, в первую очередь алюминиевых заводов с общим энергопотреблением более 6 ГВт. Следует отметить наличие успешного зарубежного опыта использования алюминиевого завода в качестве регулятора энергосистемы [23, 24, 25]. Также есть и отечественные исследования, подтверждающие принципиальную возможность изменения потребляемой мощности алюминиевого завода [26].
На Братском алюминиевом заводе был проведен пассивный эксперимент, который заключался в оценке технической характеристики работы электролизеров в режиме существенного (около 10 % – рис. 3) снижения потребляемой мощности. Этот пассивный эксперимент был проведен во время ремонта электротехнического оборудования, осуществляющего питание электролизеров. Проведение ремонтных работ сопровождалось обесточиванием группы трансформаторов для исключения поражения технического персонала электрическим током. Работы проводились ежедневно в течение 7–8 часов в течение трех недель, т. е. временной период проведения эксперимента был корректен для оценки эксперимента. Таким образом, проведение ремонтных работ по сути стало технологической оценкой возможной работы электролизеров в качестве агрегатов для ценозависимого энергопотребления.

Рис. 3. График изменения потребляемой мощности на электролизерах

Проведенный эксперимент показал, что снижение токовой нагрузки на электролизерах на величину до 10 % мощности не привело к существенной дестабилизации технологического хода электролизеров. Суммарная мощность алюминиевых заводов Сибири превышает 6 ГВт, таким образом, возможное изменение нагрузки составляет 600 МВт. Это достаточно серьезная величина в энергобалансе Сибири.
По самым скромным подсчетам, использование Demand Response алюминиевой промышленности на уровне 10 % мощности в ОДУ Сибири позволит снизить эмиссию (в пересчете на снижение тепловой генерации на половину высвобождаемой мощности – 300 МВт) СО2 не менее, чем на 4,6 тысяч тонн в год в случае газовой генерации и до 10 тысяч тонн в случае замещения генерации угольной. В случае угольной генерации эмиссия загрязняющих веществ во многом зависит от химического состава используемых углей. Снижение эмиссии оксидов азота в пересчете на диоксид составит не менее 350 тонн в год. Возможно, это не так и много, но для ценозависимого энергопотребления, которое изначально позиционируется не как экологическое, а как энергетическое мероприятие, совсем неплохо.
Выводы:

  1. В Сибирском макрорегионе достаточно остро стоит проблема качества воздушной среды во многих городах.
  2. Исследования показывают, что основным источником загрязнения воздуха в городах Сибири являются предприятия энергетического сектора.
  3. Во многих странах мира, в том числе и в России реализуются механизмы налогообложения избыточных выбросов диоксида углерода.
  4. Практика ценозависимого энергопотребления, реализуемая во многих странах мира, направлена на снижение дисбаланса потребления электроэнергии в течение суток. Эта практика имеет широкие перспективы для использования в Сибири: как по причине наличия гидрогенерации электроэнергии, так и по причине наличия крупных энергоемких производств, в первую очередь алюминиевых заводов.
  5. Внедрение ценозависимого энергопотребления в Сибири имеет не только энергетическую, но и экологическую направленность: выравнивание энергопотребления в течение суток позволит вывести из эксплуатации мощности тепловой генерации, которая производит электроэнергию путем сжигания углеродсодержащего топлива.
  6. Пассивный эксперимент, проведенный на Братском алюминиевом заводе, показал принципиальную возможность кратковременного снижения потребляемой мощности до 10 %, что эквивалентно изменению мощности в пересчете на все сибирские алюминиевые заводы на величину до 600 МВт.
  7. Использование ценозависимого энергопотребления может снизить эмиссию СО2 в Сибирском регионе на 4,6–10 тысяч тонн ежегодно, эмиссию оксидов азота в пересчете на диоксид – на 350 тонн.