Оценка энергетической безопасности в регионах Приволжского ФО с использованием нормированных оценок

Сергей СЕНДЕРОВ
Заместитель директора, старший научный сотрудник, Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения РАН, д. т. н.
Е-mail: ssm@isem.irk.ru

Елена СМИРНОВА
Младший научный сотрудник, Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения РАН
Е-mail: smirnova.e.m@isem.irk.ru

Сергей ВОРОБЬЕВ
Старший научный сотрудник, Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения РАН, к. т. н.

Введение

Понятие энергетической безопасности (ЭБ) трактуется как «состояние защищенности граждан, общества, государства, экономики от угроз дефицита в обеспечении их потребностей в энергии экономически доступными энергетическими ресурсами приемлемого качества, от угроз нарушения бесперебойности энергоснабжения» [1, 2 и др.].
Индикативная оценка уровня ЭБ конкретного региона страны осуществляется по трем взаимосвязанным блокам индикаторов: производственной и ресурсной энергообеспеченности региона; надежности системы топливо- и энергоснабжения региона; состояния основных производственных фондов (ОПФ) систем энергетики на территории региона (таблица 1).

С учетом особенностей энергоснабжения отдельных регионов, ранее [1, 3, 4 и др.], были определены пороговые значения индикативных показателей для разных групп субъектов РФ, также относительные удельные веса индикаторов в общей системе их ценности. С использованием метода свертки полученных значений анализируемых индикаторов формировались интегральные оценки состояния ЭБ субъектов РФ.
Исследования показывают, что отдельные индикаторы измеряются в разных единицах и для того чтобы получить интегральную оценку ЭБ региона может применяться принцип нормализации значений индикаторов в зависимости от соотношения их значений с пороговыми. Для этого предлагается использовать специальный аппарат нормализации, позволяющий работать как с возрастающими, так и с убывающими значениями индикаторов, то есть с теми индикаторами, состояние которых улучшается по мере возрастания значения и с теми, состояние которых улучшается, по мере убывания их значений.
Преобразование значений индикаторов, выраженных в различных единицах измерения, в нормализованные, выполняется согласно следующему выражению:

где – нормализованное значение индикатора i в анализируемом периоде, отн. ед; – фактическое значение индикатора в системе исходных единиц; , – соответственно, пороговые значения предкризисного и кризисного состояний индикатора i в системе исходных единиц.
В соответствии с алгоритмом расчета, нормализованное пороговое значение всегда равно нулю и является точкой начала отсчета предкризисных состояний индикатора, а нормированное значение равно -1 и представляет собой границу перехода в кризисные состояния индикаторов.
В [5] был применен метод нормализации индикативных показателей на примере Центрального и Южного федеральных округов. По результатам проведенного анализа полученных нормированных показателей и их графического отображения, возникла необходимость дополнительно скорректировать перекрытие пороговых значений. И соотнести удельные веса каждого i-го нормированного индикатора к единице. Дело в том, что, если приемлемое пороговое значение по какому‑то индикатору перекрывается на 100 и более процентов, то его состояние по-прежнему остается приемлемым, но данный индикатор тянет вверх всю интегральную оценку. В результате, могут теряться кризисные и предкризисные оценки других индикаторов. То же самое происходит с кризисными значениями. Не стоит учитывать слишком большую глубину кризиса, достаточно остановиться на кризисных значениях, не слишком перекашивающих общую интегральную оценку. В связи с этим, было принято, что любое, значительное перекрытие порогового значения индикатора снизить до достаточного запаса: 25% для приемлемых состояний и 50% для кризисных.
Представим применение данного подхода на примере субъектов РФ, расположенных на территории Приволжского федерального округа. Сначала представим результаты, полученные с использованием обычного индикативного анализа. Затем, с целью более удобного сопоставления результатов и сравнения динамики состояния ЭБ в разных регионах применим подход нормализации полученных количественных оценок.

Результаты индикативного анализа ЭБ по регионам ПФО

В данном разделе представлена информация о качественном состоянии индикаторов ЭБ по субъектам РФ на территории Приволжского ФО, а также качественная характеристика состояния энергетической безопасности данных субъектов за 5 лет: с 2017 по 2021 гг. (таблицы 2–5).

Исходная информация для исследования принята в соответствии со статистической информацией за 2017–2021 гг. [6–8], а также с необходимой информацией по конкретным регионам. В результате анализа соответствующих данных по субъектам ПФО, можно судить о тенденциях в обеспечении энергетической безопасности в исследуемых регионах.
В таблице 2 представлена информация об оценке состояния индикаторов по блоку производственной и ресурсной обеспеченности системы топливо- и энергоснабжения за 2017 и 2021 гг. в субъектах ПФО.

По индикатору 1.1 приемлемая ситуация в Республике Марий Эл, Нижегородской, Оренбургской и Саратовской областях. Максимальная электрическая нагрузка здесь обеспечена с запасом собственными электрогенерирующими мощностями.
Что касается электрических связей с соседними регионами (индикатор 1.2), то их пропускную способность, в случае возникновения крупномасштабных аварийных ситуаций с энергоснабжением, можно оценить, как приемлемую.
Также, благодаря достаточному количеству производства собственных КПТ в отдельных регионах (мазут в Нижегородской, Самарской, Марий Эл, уголь и газ в Оренбургской области, мазут и природный газ в Саратовской области) обеспечиваются приемлемые значения индикатора 1.3.
Кризисную ситуацию по индикатору 1.3 можно отметить в Мордовии, Кировской, Чувашской и Ульяновской областях из-за недостаточных объемов производства КПТ, либо полного его отсутствия.
Ситуация по блоку индикаторов «Надежность топливо- и энергоснабжения региона» представлена в таблице 2.
По индикатору 2.1 во всех субъектах Приволжского ФО доля газа, в качестве доминирующего ресурса, в общем потреблении КПТ чрезвычайно высока и составляет 90–95%, что не может быть приемлемым с позиций ЭБ.
Что касается доли крупнейшей электростанции в установленной электрической мощности регионов, в целом ситуация приемлема. Исключения составляют Республика Удмуртия (Ижевская ТЭЦ‑2), Чувашская Республика (Чебоксарская ГЭС), Оренбургская область (Ириклинская ГРЭС) и Саратовская область (Балаковская АЭС). Здесь доля крупнейшего источника составляет более 60%, а ситуация с точки зрения ЭБ оценивается как предкризисная. Кризисная ситуация по данному индикатору является в Республике Мордовии (крупнейшая электростанция Саранская ТЭЦ‑2, на которую приходится более 70% установленной мощности и более 60% выработки электроэнергии), а также в Пензенской области (более 80% – доля Пензенской ТЭЦ‑1, кроме того, Пензенская область является энергодефицитным регионом как по электроэнергии, так и по мощности, а недостаток восполняется за счет перетоков электроэнергии из соседних регионов).
В состав важнейших индикативных показателей входит индикатор 2.3 (таблица 3), отражающий уровень потенциальной обеспеченности спроса на ТЭР в условиях резкого похолодания (10% наброс потребления) на территориях региона. Он оценивается по результатам модельных исследований, описанных в [2, 3, 9] как величина обеспеченности потребителей котельно-­печным топливом при возможном пиковом похолодании, с увеличением потребления КПТ на 10%. Субъекты Приволжского федерального округа относятся к регионам с особо холодным климатом со средней температурой наиболее холодной пятидневки ниже минус 30°C [10]. Очень высокая доля природного газа в отдельных регионах, отмеченная как кризисная с точки зрения ЭБ, определяет ситуацию с возможностью обеспечения потребителей топливом в условиях возрастающего спроса при резких похолоданиях на территории Приволжского ФО. Исследования показывают, что в такой ситуации не всегда могут быть обеспечены поставки необходимого количества газа. В Кировской области нет собственного производства КПТ, а доля природного газа в энергобалансе составляет 93%, между тем возможность обеспечить пиково возрастающий спрос на топливо в случае резкого похолодания, позволяет наличие мощных газопроводных коридоров на территории региона. То же самое можно сказать о Пермском крае, Пензенской и Нижегородской области.

По индикаторам блока «Состояние ОПФ систем энергетики на территории региона, учитывались усредненные данные по износу ОПФ энергетических отраслей (таблица 4).

По третьему блоку индикаторов полностью приемлемым нельзя назвать состояние ни в одном из субъектов. По степени износа основных производственных фондов энергетического хозяйства, а также по показателям среднегодового ввода установленной мощности в кризисном состоянии находятся Чувашская Республика, Кировская, Пензенская и Саратовская области. В Республике Башкортостан по индикатору 3.2 состояние из предкризисного перешло в приемлемое за счет ввода ряда СЭС суммарной мощностью 50 МВт в 2020–2021 гг., а также блоков на Ново-­Салаватской ТЭЦ и Уфимской ТЭЦ‑1. В Оренбургской области ситуация изменилась из кризисной на предкризисную за счет ввода солнечных ЭС, суммарной мощностью 327 МВт, за 5‑летний период.

Интегральная оценка уровня ЭБ Приволжского федерального округа

С учетом представленных ранее значений основных индикаторов были получены интегральные оценки уровня энергетической безопасности на территории субъектов Приволжского федерального округа. Для формирования этих оценок использован подход, основанный на свертке значений индикаторов, с учетом их удельных весов. Качественные характеристики состояния всех обсуждаемых индикаторов из таблиц 2–4, были собраны по соответствующим территориям и обработаны согласно специально разработанной методике [3, 4, 9]. В результате была получена качественная интегральная оценка состояния энергетической безопасности регионов Приволжского федерального округа, представленная в таблице 5.

Как показал анализ данных качественного состояния важнейших индикаторов ЭБ в Приволжском ФО (таблица 5), из 14 рассмотренных субъектов, приемлемая ситуация с обеспечением энергобезопасности в анализируемом периоде, наблюдалась лишь в Нижегородской области, и то только в 2017 г., а к 2021 г. перешла в предкризисное состояние за счет ухудшения ситуации с обновлением ОПФ электроэнергетики. В семи регионах округа ситуация также, оценивается как предкризисная: Республика Башкортостан, Татарстан, Оренбургская область, Пермский край, Самарская, Саратовская и Ульяновская области.
В остальных шести регионах ситуация оценивается как кризисная, в том числе по показателям блока состояния ОПФ энергетического хозяйства, из-за высокой доли газа в балансе потребления КПТ и, соответственно, недостаточности возможностей удовлетворения потребностей в энергоресурсах в условиях пиково-­возрастающего зимнего спроса: Марий Эл, Мордовия, Удмуртия, Чувашская Республика, Пензенская и Кировская область.

Нормализация значений индикаторов ЭБ

Следующим этапом в работе была нормализация полученных значений индикаторов по всем субъектам Приволжского ФО, в соответствии с выражением (1). На базе полученных значений за 5‑летний период, были построены графики состояния нормализованных значений индикаторов по соответствующим блокам, рис. 1–3. Пороговые значения индикаторов здесь также были учтены как нормализованные; где согласно выражению (1) «кризис» = -1, «предкризис» = 0. Таким образом, все состояния, находящиеся в области значений ниже «-1», можно считать кризисными, в области от «-1» до «0» – предкризисными и в области выше «0» – приемлемыми.
Полученные результаты нормализованных значений по каждому индикатору для регионов ПФО представлены на графиках (рис. 1–3). Сравнивая полученные результаты на графиках с ранее представленными в таблицах (таблицы 2–4), можно отметить наглядно-­выраженную динамику изменения уровня ЭБ в регионах, что позволяет более детально рассмотреть ситуацию и принять меры по ее улучшению.
Так, например, по индикатору 1.1 (рис. 1), достаточным запасом располагаемой мощности обладают почти все субъекты, кроме Республики Удмуртии. Что касается инд. 1.2, то, в связи с достаточно высокими показателями, значительно превышающими пороговые значения индикаторов (более, чем на 100%), было применено ограничение до достаточного запаса в 25%. Поэтому на графике все эти субъекты анализа «совпали» на отметке 1,25. Исключение составила Оренбургская область, где произошел переход из предкризисного в приемлемое состояние по данному индикатору, за счет некоторого увеличения генерирующих мощностей к 2021 г. По индикатору 1.3 (рис. 1), анализ показал, положительную тенденцию удовлетворения потребностей к КПТ из собственных источников в Нижегородской и Саратовской областях. Некоторое ухудшение ситуации, однако пока в диапазоне предкризисных значений по данному индикатору, выявлено в Республиках Башкортостан и Татарстан.

По индикатору 2.1 (рис. 2) – «Доля доминирующего ресурса в общем потреблении КПТ», можно сразу отметить отсутствие регионов в зоне приемлемого состояния с точки зрения ЭБ. По индикатору 2.2 (доля наиболее крупной электростанции в установленной мощности региона) можно отметить разделение регионов по всем трем состояниям индикативного анализа – кризисное, предкризисное и приемлемое.

Достаточно высокий запас значений по инд. 2.3 на графике (рис. 2) определяет сведение их в данном случае и принятому достаточному запасу в 25% сверх порогового значения для регионов в условиях резкого похолодания.
По третьему блоку индикаторов (рис. 3), в связи с недостаточно активной политикой в обновлении ОПФ энергетики Приволжского ФО, значения располагаются, в основном, в зоне предкризисных и кризисных значений. Резкие изменения значений по инд. 3.2 (рис. 3) наблюдаются, в связи с большими перерывами между вводом новых мощностей и значимым обновлением основных производственных фондов в регионах.

Для получения итоговой интегральной оценки уровня ЭБ была произведена свертка нормализованных значений индикаторов с учетом их удельных весов. Полученная комплексная интегральная оценка состояния ЭБ субъектов Приволжского ФО представлена на рис. 4.

Из оценки, представленной на рис. 4, также, как и в таблице 5 видно, как менялась ситуация с интегральной оценкой ЭБ регионов, но использование нормализованных индикаторов позволяет визуализировать не только основные тренды и динамику в обеспечении ЭБ, но показать близость к приемлемому или кризисному состоянию с точки зрения ЭБ. Так, в результате проведенного исследования, было получена несколько иная картина на графике интегральной оценки в сравнении с итоговой таблицей индикаторов.
Все субъекты (рис. 4) расположились в зоне предкризисных значений, а Пермский край и Нижегородская область в зоне приемлемых, в то время как по итогам качественной оценки (таблица 5), все субъекты в 2021 г. находились в кризисном и предкризисном состояниях. Уточнение произошло в результате применения метода нормирования, что позволило более точно определить состояние регионов по шкале кризисного состояния с точки зрения ЭБ.

Заключение

Рассмотренный в статье подход, отличается от используемых ранее тем, что в нем при интегральной оценке учитываются не только качественные, но и количественные оценки ситуации с обеспечением ЭБ по отдельным индикаторам. Применение этого подхода позволяет получать нормализованные значения индикаторов, которые в свою очередь корректно отражают результаты оценки состояния ЭБ регионов, а также более наглядно и детально показывают динамику изменения ситуации с обеспечением ЭБ, как по каждому отдельному индикатору, так и комплексно по субъектам.
Анализ показал, что в регионах Приволжского федерального округа, в большей степени не обладающих собственными источниками ТЭР, ситуация с долей газа в общем потреблении КПТ и с долей наиболее крупного генерирующего источника является кризисной. В целом следует отметить, что практически во всех регионах быстрыми темпами ухудшается ситуация со старением ОПФ энергетики, а, следовательно, и с опасностью увеличения числа ЧС с топливо- и энергоснабжением потребителей по причинам выхода из строя того или иного оборудования.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-29-00460.