Устойчивое развитие энергетики: тенденции и вызовы

Валерий СТЕННИКОВ
Директор Института систем энергетики
им. Л.А. Мелентьева СО РАН, академик РАН
e-mail: sva@isem.irk.ru

Введение

Глобальные тренды, развиваемые в энергетике в рамках энергоперехода, представляют собой объективную реальность, которая не зависит от ­каких-либо конъюнктурных или политических предпочтений. Пренебрежение этими тенденциями будет только тормозить развитие систем и не исключает их реализацию сейчас или в будущем.
Серьезным вызовом в энергетике является возрастающая активность потребителей в управлении своим энергопотреблением. Она проявляется не только в части спроса на энергию, а также в части поставки ее в систему. Другие вызовы связаны с развитием малой распределенной генерации энергии и децентрализацией энергоснабжения, что мы уже ощущаем по сокращению системных перетоков электроэнергии. Следует отметить нарастающую активность цифровизации, а на следующем шаге и интеллектуализацию систем.
Ответом на эти вызовы должны быть, и уже фактически являются, развитие энергетики в направлении пересмотра принципов их построения, создание распределенных архитектур, интеграция технологических систем в виде единых метасистем, цифровизация, «Интернет-­энергии» и других технологий.

Особенности энергоперехода

Объективно-­обусловленные тенденции, происходящие в российской энергетике, как и в энергетике других стран, связаны с переходом от вертикально подчиненной структуры к горизонтальным принципам управления [1] и построения систем с равномерно распределенными генерирующими источниками электрической и тепловой энергии и потребителями с управляемым ими спросом.
Во многом это обусловлено и корреспондируется с глобальными вызовами, имеющими место в мировой энергетике. Они определяются, прежде всего, двумя основными направлениями развития. Первое из них предполагает осуществление энергетического перехода, как объективно предопределенного сменой технологического уклада и переходом к обществу знаний, цифровым системам, информационным-­телекоммуникационным технологиям, интеллектуальному управлению и т. п. Базовыми принципами его является индивидуализация, «интеллектуализация» производства и потребления. Активность потребителей и развитие рынка новейших технологий и оборудования мотивировали энергопереход, к основным положениям осуществления которого нередко относят концепции 3‑х Д (Декарбонизация, Децентрализация, Диджитализация) и 3‑х С (Со-обеспечение, Со-организацию, Со-развитие) [2]. Первая из них предполагает, прежде всего, технологические преобразования, а вторая – организационные.

В рамках энергоперехода трансформация энергетических систем осуществляется в направлениях применения конвергентных технологий, пересмотра принципов их построения, создания распределенных архитектур, интеграции технологических систем, цифровизации на основе М2М межмашинного взаимодействия (М2М), ИНТЕРНЕТ-вещей (IoT), мобильной связи (5G и выше поколений).
Энергетическая система будущего рассматривается подобной ИНТЕРНЕТ инфраструктуре (энергетический ИНТЕРНЕТ), что обуславливает появление у них новых и эволюцию существующих свой­ств, необходимость проведения активных исследований и развития теории системных исследований в направлении изучения свой­ств, развития методических подходов анализа и синтеза систем [3].
Второе направление, в большей мере как тренд, позиционируется в рамках обеспечения углеродной нейтральности экономики в целом и энергетики в частности.
Нередко энергопереход ассоциируют с отказом от использования углеводородного топлива с целью сокращения выбросов двуокиси углерода, т. е. направлением, получившим название «безуглеродной энергетики». В то же время «безуглеродную энергетику» считают первопричиной энергетического перехода и связывают с определяющим негативным воздействием энергетики на глобальное потепление климата на Земле. Однако, по сути, энергопереход – это нечто большее; не только решение климатических проблем, но и обеспечение энергетической независимости, основанное на энергоэффективности, снижении парниковых выбросов, использовании возобновляемых источников энергии и т. д. Энергетический переход обусловлен складывающейся объективной реальностью, это социально-­технологическое явление, а требования по выбросам парниковых газов представляют ограничения для энергперехода, с учетом которых должна развиваться энергетика.

Структурные преобразования энергетических систем

Энергетический переход приводит к развитию распределенной (малой) генерации энергии и созданию централизованно-­распределенных систем. Это значительно повышает значимость распределительного электросетевого комплекса и требует к нему повышенного внимания. Причем этот фактор становится значимым не только для электросетевого комплекса, он затрагивает газо-, нефте- и теплоснабжающие системы [4].

Вышеперечисленные аспекты имеют свои особенности и по-разному проявляются в различных пространственно-­распределенных регионах России, представляются очень актуальными как для России в целом, так и для Иркутской области в частности.
Распределенные (малые) источники генерации энергии принципиально изменяют архитектуру и принципы построения энергосистем. От традиционно однонаправленной системы: источник-сети-потребитель они переходят к многонаправленной системе, включающей передачу из системы к потребителю и от потребителя в систему. Это существенно меняет построение распределительного электросетевого комплекса. По своему построению он становится таким же, как и крупные системобразующие комплексы, что требует изменения подходов к управлению его развитием и функционированием. Многие вопросы приобретают новое содержание и характер решения в результате цифровизации и последующей интеллектуализации энергетических систем. Применение интеллектуального прогнозирования и управления режимами позволяет повысить точность их планирования, уменьшить дефицит мощности, минимизировать участие диспетчера в этом процессе и т. п. [5].
Формирование больших комплексов генерации энергии на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), а также несовпадение центров их сосредоточения с местами расположения потребителей приводит к необходимости формирования межгосударственных энергетических объединений (МГЭО), таких как европейское суперэнергообъединение на базе ВИЭ, Североамериканское МГЭО, МГЭО Стран АСЕАН, Азиатское суперэнергообъединение, Глобальное суперэнергообъединение и др. [6]. Аналогичное объединение стран Азии периодически рассматривается и с возможным вовлечением в него восточных региональных энергосистем. В отличие от ранее рассматриваемых проектов, когда экспорт электроэнергии осуществляется в одном направлении из страны с избыточной энергией в страну с дефицитом энергии, в последние годы предлагается объединение энергосистем, например Сибири (где годовой максимум электрической нагрузки приходился на зиму) и Северного Китая, обеспечивающее организацию обмена сезонными избытками электроэнергии за счёт разносезонности наступления годовых максимумов нагрузки в указанных системах. В частности, летом электроэнергия может передаваться из России в Китай, а зимой – наоборот.
Серьезные изменения происходят в развитии теплоснабжающих систем. Прежде всего, они связаны с переходом от принципов пассивного качественного управления к идеологии активного количественного регулирования отпуска тепловой энергии. Другим важным направлением является разделение систем теплопотребления, тепловых сетей и источников на независимые контуры с помощью установки теплообменников. Совместно они позволяют обеспечить регулирование температуры в помещениях в соответствии с фактической температурой наружного воздуха в реальном времени, повысить надежность и качество теплоснабжения. В таких системах повышаются возможности перспективного развития, позволяющие осуществить интеграцию возобновляемых источников энергии и реализовать идеологию управления спросом самими потребителями, в том числе с включением их источников и аккумуляторов энергии в теплоснабжающую систему. Это направление активно развивается в мире и до последнего времени имело определенные начала в отечественных системах [7]. Вместе с тем, внесенные в 2022 г. изменения в ФЗ «О теплоснабжении» приостанавливающие перевод существующих систем теплопотребления на закрытую схему горячего водоснабжения будут сдерживать технологическое развитие теплоснабжения.

Энергетика и экология, тенденции и перспективы

Следует отметить, что теплоснабжение в России по уровню теплопотребления в сопоставимых единицах более чем в два раза превышает электропотребление. По установленной мощности теплоисточники более чем в 3 раза превосходят мощность электрогенерации. Они в наибольшей степени воздействуют на окружающую среду, так как работают в неэкономичных режимах, характеризуются большой изношенностью, низким коэффициентом использования установленной мощности и т. п. Прежде всего, это характерно для условий Сибири и Дальнего Востока, где превалирующим видом топлива является уголь. Так, если для России в целом доля угля составляет 12 %, то для Сибири она равна 86 %, а для Дальнего Востока – 62 %. Сохранение использования угля в этих регионах делает проблематичным выполнение повышенных требований по экологии и эмиссии двуокиси углерода, что диктуется внешнеэкономическими требованиями и долгосрочными ориентирами «Стратегии социально-­экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 г.» Эмиссия двуокиси углерода здесь в удельном выражении более чем в два раза превосходит среднероссийские уровни и стран Северо-­Восточной Азии. Отставание по удельным расходам топлива на производство электроэнергии на ТЭС составляет от 23 до 215 %. В связи с этим необходимо планировать развитие энергетики региона с учетом стоящих перед энергетикой внешних вызовов [5].

Анализ структуры совокупных выбросов парниковых газов по секторам экономики показывает, что наибольшую величину они имеют в сфере энергетики, и в целом не могут быть компенсированы поглощающей способностью российских лесов. Сибирь и Дальний Восток обладают наибольшей углеродоемкостью отпускаемой электрической и тепловой энергии. Наибольшие объемы СО2 поглощают «управляемые леса» (за счет расширения площади посадок) Сибири и Дальнего Востока (а именно Республики Саха (Якутия), Красноярского края, Иркутской области и Хабаровского края). Это напрямую связано с общей площадью этих лесов. В то же время удельные показатели поглощения для Сибири и Дальнего Востока – одни из самых низких в стране в силу суровых климатических условий. Однако учитывая огромные площади этих территорий, почти половину всего вклада в абсорбцию углекислого газа управляемыми лесами России, вносит азиатская часть страны.
Важнейшим направлением экологического оздоровления для регионов Сибири и Дальнего Востока является переход от сжигания угля на использование природного газа с широким охватом населения, социальной сферы и производственной деятельности с получением максимума добавленной стоимости. В силу экономических факторов и обеспечения доступности природного газа для потребителей целесообразно его комплексное освоение и использование, включая промышленное применение и экспорт в трансграничные территории азиатского региона. Формирование газотранспортной системы на востоке страны обеспечит пространственное развитие регионов и страны в целом, энергетическую безопасность и надежность их энергоснабжения, а также интеграцию в энергетические рынки стран СВА.
В локальных системах целесообразно ориентироваться на местные энергоресурсы, на нетрадиционные и возобновляемые ресурсы, которые позволят не только снизить экологическую нагрузку, но и уменьшить затраты бюджета на доставку топлива в отдаленные северные регионы. Здесь привлекательным может быть применение, прежде всего, для теплоснабжения древесных отходов.
Наиболее жесткие экологические требования определены для Центральной экологической зоны Байкальской природной территории (ЦЭЗ БРПТ), где запрещены некоторые виды деятельности, в том числе строительство новых угольных котельных с одновременным определением возможности проведения реконструкции существующих угольных котельных. К объектам энергетики на территории этой зоны отнесены ТЭЦ г. Байкальска и многочисленные котельные, в большинстве из которых сжигается уголь [8]. Здесь эффективное экологически чистое энергоснабжение (включая теплоснабжение), как показывают многочисленные исследования, можно осуществить только на базе централизованного электроснабжения. Лишь в отдельных пунктах (в небольшом количестве) могут быть использованы возобновляемые источники энергии, где это будет эффективным.

Проблемы энергосбережения и их решение

Важнейшим направлением сохранения ресурсного потенциала и экологического оздоровления может быть энергосбережение и повышение энергетической эффективности. При производстве, потреблении, и транспорте энергоресурсов в России по укрупненным оценкам теряется около трети расходуемого топлива, примерно такие же оценки соответствуют Иркутскому региону. Потенциал энергосбережения в России, по предварительным оценкам, составляет не менее 400 млн тонн условного топлива. Реализация этого потенциала позволит существенно оздоровить окружающую среду и снизить финансовую нагрузку на потребителей. Необходимо отметить, что следует комплексно подходить к проблеме энергосбережения, поскольку локальные мероприятия по экономии энергии у одних потребителей могут приводить к увеличению затрат у других потребителей. Эффективными представляются мероприятия по энергосбережению в системах энергоснабжения, которые ведут к снижению затрат у всех потребителей. Наиболее рациональной может быть схема энергосбережения, когда экономия от реализации одних мероприятий направляется на выполнение других энергоэффективных мероприятий [9]. Необходимо, чтобы регламентации закона «Об энергосбережении и эффективном использовании энергии» действовали на всех, кто проживает и работает на территории страны, в том числе и на энергоснабжающие организации и производственные компании.

С целью стимулирования энергосбережения и повышения энергоэффективности нередко применяются различные механизмы, к числу которых относится тарифное регулирование. Для этого используют двухставочные тарифы в виде ставки за мощность и ставки за энергию. Для небольших потребителей они могут преобразовываться в одноставочные, однако при этом учитываются обе ставки. Это позволяет учитывать экономию как по мощности, так и по энергии, что значительно усиливает эффект от экономии энергоресурса. Стимулирующим фактором повышения энергосбережения и энергоэффективности также является дифференциация тарифов по зонам суток для всех групп потребителей.
Анализ современных тенденций глобального энергетического перехода показывает, что цифровизация становится высокоэффективным инструментом, который позволяет существенно улучшить функционирование и развитие энергетики. В развитых странах активно внедряются технологии Smart Grid и Smart Meters, прежде всего, в распределительном электросетевом комплексе. В России есть положительные примеры развития этих новейших направлений, но в целом этот процесс находится в начальной стадии. Ключевыми элементами в структуре «умных сетей» и «умных измерений» являются развитые измерительные системы, охватывающие все основные элементы энергосистемы. Только развитые системы учета позволяют получить объективную информацию о состоянии энергообъектов и на её основе сформировать оптимальные управляющие воздействия. Первичным источником информации в подавляющем большинстве случаев являются современные «интеллектуальные» счетчики электрической и тепловой энергии, которые позволяют не только собирать информацию в темпе процесса, но и формировать определенный набор управляющих воздействий (включение-­отключение).

Заключение

В заключении следует отметить, что трансформация энергетических систем в условиях энергоперехода проходит одновременно по многим взаимосвязанным направлениям – экология, технология, принципы структурной организации, взаимодействие на глобальном уровне и т. д. Каждое из этих направлений оказывает существенное воздействие на трансформацию энергетических систем в различных временных разрезах – от краткосрочных до долгосрочных.

Работа выполняется в рамках государственного задания (№ FWEU-2021-0001). Программа фундаментальных исследований Российской Федерации на 2021-2030 гг., регистрационный номер: АААА-А21-121012090012-1.
Статья для журнала подготовлена в качестве доклада для Первой научно-практической конференции «Территория энергетического диалога», организованной РЭА Минэнерго России и Фондом «Росконгресс» при поддержке Минэнерго России.