Введение



Проблема надёжного и качественного электроснабжения удалённых малочисленных поселений российской Арктики, которые в основном находятся в зоне децентрализованного электроснабжения и характеризуются высокими затратами на производство энергии, является актуальной. Трудности с доставкой топлива для действующих электростанций и прогрессирующее старение энергетического оборудования приводят к существенному росту тарифов и требуют бюджетных субсидий, сдерживая развитие экономики на удалённых территориях Арктики. При разработке перспективных направлений производства энергетических ресурсов в регионах Арктики необходимо выполнение технико-экономического сравнения централизованной и автономных систем энергоснабжения на основе прогноза динамики потребления топливно-энергетических ресурсов предприятиями и населёнными пунктами арктических регионов.


Распределённая энергетика


Арктическая зона Российской Федерации (рис. 1) включает девять регионов [1]. Процесс освоения российской Арктики требует решения главной задачи, поставленной в Стратегии развития АЗРФ — соединения роста экономики с социальным и транспортно-инфраструктурным развитием арктической территории [2].

Северные районы снабжаются электроэнергией от энергоисточников, работающих на дизельном топливе и угле, поставляемых в рамках так называемого «северного завоза». На рисунке 2 приведены масштабы выработки электроэнергии на дизель-электростанциях (ДЭС) общего пользования в регионах с большой долей изолированных систем энергоснабжения в 2015 году [3]. В связи с большим транспортным плечом, ограниченными сроками доставки и устареванием генерирующих источников стоимость электроэнергии на них получается очень высокой, что требует бюджетных субсидий для сдерживания тарифов для населения.

Показатели энергоёмкости валового регионального продукта [4] в 2017 г. (в кг у.т./тыс. руб.) и тариф на электроэнергию для населения в 2018 г. (в руб./кВт∙ч) по регионам Арктической зоны Российской Федерации приведены на рис. 3.

Для снижения энергоёмкости валового регионального продукта в рамках стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности в сфере повышения энергоэффективности предусматривается оптимизация экономических механизмов «северного завоза», за счёт использования возобновляемых источников энергии [5], использования атомных станций малой мощности [6,7], реконструкции и модернизации энергетических установок, внедрения энергосберегающих материалов и технологий. Ключевым направлением энергетического перехода от традиционной организации энергосистем к новым технологиям гибкого построения и интеллектуального управления энергетическими сетями [8] является распределённая энергетика (таблица 1).

Для реализации внедрения технологий распределённой энергетики постановлением Правительства Российской Федерации № 287 от 20 марта 2019 г. внесены изменения в нормативно-правовые акты по вопросам функционирования агрегаторов управления спросом на электрическую энергию в единой энергетической системе России, а также совершенствования механизма ценозависимого снижения потребления электрической энергии и оказания услуг по обеспечению системной надёжности, которые позволят осуществить системные изменения в архитектуре электроэнергетики и в её нормативно-правовом регулировании. Основное требование, предъявляемое к технологиям распределённой энергетики — максимально возможное приближение к потребителю энергии.

Энергетика регионов Арктической зоны Российской Федерации приобретёт более распределённый характер, будет основана на экологически чистых источниках энергии: атомной, солнечной, ветровой и приливной. При этом будет создаваться новая архитектура электроэнергетических систем (архитектура «Интернета энергии»), обеспечивающая оптимальное энергопотребление, высокую устойчивость и безопасность систем электроснабжения. Для принятия инвестиционных решений по модернизации энергетики регионов (реконструкция электростанций, повышение энергоэффективности, управления спросом, развитие распределённой когенерации, внедрение собственной генерации потребителей энергии и использование распределённых возобновляемых источников энергии) необходимо оценить потенциал распределённой энергетики.

В настоящее время в Мурманской области реализуется комплексный инвестиционный проект модернизации системы теплоснабжения, запланированный на 2015–2030 годы. В этом проекте, в качестве доминирующего топлива для выработки теплоэнергии предусмотрено использование угля (рис. 4). Доля электроэнергии в структуре установленной тепловой мощности повысится в два раза. Реализация мероприятий проекта позволит увеличить коэффициент использования установленной мощности с 19 до 26 % (рис. 5). Приведение к соответствию установленной мощности и присоединённой нагрузки позволит уменьшить условно-постоянные расходы на производство тепловой энергии.

Используя потенциал энергосбережения с помощью различных технологий распределённой энергетики возможно закрыть значительную часть потребности в генерирующих мощностях. Мурманская область имеет значительный потенциал использования возобновляемых источников энергии (далее — ВИЭ), но в настоящее время мощность установок на ВИЭ составляет менее 0,1 % установленной мощности всех электростанций [9].

Более 46 % установленной мощности приходится на атомную электростанцию, доля гидроэлектростанций составляет 42 %. После завершения строительства на Кольском полуострове ветропарка в 200 МВт установленная мощность на возобновляемых источниках энергии увеличится до 5 % (рис. 6).

В регионах Арктической зоны Российской Федерации формирование распределённой энергетики начинается с распределённой генерации.

Источники распределённой генерации, расположенные близко к потребителю энергии и подключенные непосредственно к потребителю или к локальной распределительной сети, которые успешно работают в регионах Арктической зоны, приведены в таблице 2.

Управление энергоэффективностью


Надёжное и экономически эффективное энергоснабжение имеет большое значение для обеспечения нормальной жизнедеятельности всех категорий потребителей. Получение электрической и тепловой энергии требует бережного и экономного расходования традиционных энергетических ресурсов, более широкого внедрения мероприятий по повышению энергоэффективности и энергосбережению [10]. Энерго- и ресурсосбережение является одним из важнейших факторов, обеспечивающих эффективность функционирования отраслей экономики. Оно достигается посредством реализации мероприятий по энергосбережению, своевременным переходом к новым техническим решениям, повышением качества продукции, использованием международного опыта и другими мерами. Внедрение энергосберегающих технологий приводит к снижению издержек, способствует повышению устойчивости топливно-энергетического комплекса, снижению затрат на введение дополнительных мощностей, улучшению экологической ситуации. В регионах Арктической зоны Российской Федерации управление энергоэффективностью остаётся значимым ресурсом сокращения потребности в генерирующих мощностях. Реализации потенциала энергосбережения препятствуют следующие основные барьеры: недостаточное стимулирование программ и мероприятий по энергосбережению со стороны муниципальных органов власти, инвестиционные риски.


Управление спросом


Управление спросом розничных потребителей электроэнергии является инструментом поддержания и регулирования баланса спроса и предложения на электроэнергетическом рынке и позволяет оперативно регулировать баланс мощности в энергосистеме, повышая системную надёжность. Одним из компонентов технологии управления спросом является механизм ценозависимого потребления электроэнергии, который представляет собой управление потребителями собственным спросом на электроэнергию на основе реакции на ценовые сигналы поставщиков электроэнергии с целью минимизации затрат на потребляемую электроэнергию. Механизм ценозависимого потребления электроэнергии в регионах Российской Федерации внедряется с 2017 года, но недостаточно эффективно из-за малого количества потребителей.

Для развития механизма ценозависимого потребления электроэнергии в Мурманской области с 2019 года запускается пилотный проект по управлению спросом потребителей электроэнергии. Для участия в проекте необходимо обеспечить: наличие интервальных приборов учёта электроэнергии, возможность дистанционного снятия и передачи показаний, отсутствие опосредованно присоединённых потребителей без интервального учёта потребления электроэнергии. Кроме того, необходимо учитывать, что механизм ценозависимого управления электропотреблением можно применять только тем потребителям, технологические процессы которых позволяют управлять изменением графика электропотребления и, следовательно, величиной затрат на оплату услуг по содержанию электрических сетей [11].


Экологический мониторинг


Выбросы от стационарных источников в Арктической зоне РФ приведены на рис. 7. Суммарное количество выброшенных в воздух вредных веществ составляет 3,55 млн тонн, а уловленных
— 1,95 млн. тонн [12]. За период с 2008 по 2016 гг. Ямало-Ненецкий АО, Ненецкий АО и Архангельская область существенно снизили свои выбросы.

Энергетика Арктической зоны РФ характеризуется наличием большого количества дизельных электрических станций в удалённых поселениях, которыми в 2017 году было выработано 1,95 млрд. кВт∙ч электроэнергии [12]. Большинство этих станций имеет высокий удельный расход топлива на выработку 1 кВт∙ч электроэнергии (более 300 г/кВт∙ч). Причиной этого является моральный и физический износ оборудования (50-70 %). Современные дизельные электростанции позволяют снизить удельный расход топлива до 205 г/кВт∙ч. На производство электроэнергии этими станциями было израсходовано 211,5 тыс. т дизельного топлива, а это означает «выхлоп» примерно 760 тыс. тонн СО2. Замена действующих дизельных электростанций на современные и увеличение доли солнечной и ветровой энергии при внедрении гибридных электростанций в арктических районах позволит уменьшить выбросы от дизельных электростанций. При внедрении гибридных электростанций с использованием возобновляемых источников энергии в регионах Арктической зоны необходимо использовать оборудование, способное выдерживать суровые климатические условия.


Заключение


В настоящее время в России, также как и во всём мире наблюдается тенденция к росту доли распределённой энергетики. По данным специалистов «Сколково» и Росстата в 2016 году в России эксплуатировалось 36 тысяч электростанций мощностью не более 25 МВт. Их суммарная установленная мощность составила 13 ГВт (в 2006 г. — 10 ГВт). Из них две трети расположены в зоне децентрализованного энергоснабжения. Доля распределённой энергетики по мощности в России оценивается в 9–9,5 % [8]. Пока это не так много, как в других странах, но тенденция её развития очевидна. Наличие возобновляемого ресурсного потенциала, а также рост тарифов на электро- и теплоэнергию, снижение качества и надёжности энергоснабжения от энергосистем будут способствовать развитию распределённой энергетики, особенно в децентрализованных зонах и изолированных энергосистемах российской Арктики. Но для этого необходимо существенное изменение структуры рынка электроэнергии и разработка отдельного закона о малой распределённой энергетике, а также развитие и совершенствование всех технологий распределённой энергетики:

1. распределённой генерации на основе ВИЭ;

2. управления спросом;

3. управления энергоэффективностью;

4. распределённых систем хранения электроэнергии;

5. микрогридов;

6. использование электромобилей.

Распределённая генерация на основе возобновляемых источников энергии на сегодняшний день уже играет существенную роль в повышении надёжности и качества поставляемой электроэнергии для технологически изолированных и удалённых территорий России, расположенных в зоне Крайнего Севера и на приравненных к ней территориям. И для ряда регионов, при учёте экономии топлива от ввода ВИЭ в энергобаланс и снижения экологических затрат на борьбу с загрязнением окружающей среды традиционными электростанциями, выбор будет в пользу распределённой энергетики.

Исследование выполнено в рамках государственного задания ЦЭС КНЦ РАН (№ 0226-2016-0001), а также при поддержке РФФИ (проект 18-05-60142_Арктика.