Пути и проблемы модернизации распределённых энерготехнологических систем регионов.

Е. Г. Гашо, канд. техн. наук, 290461@bk.ru

Объединение ВНИПИэнергопром

Необходимость применения системного подхода к анализу функционирования сложных технических систем неоспорима. Методологически задача состоит в том, чтобы выбрать из многочисленных подходов наиболее целесообразный для достижения поставленных инженерных задач. Отсюда вытекают необходимость анализа предметной области исследуемых систем и выбор необходимого системного инструментария, соразмерного сложности объектов.

Современные разветвлённые системы теплоэнергообеспечения коммунальных и промышленных объектов являются территориально распределёнными, обслуживая десятки, сотни, тысячи абонентов, находящихся на значительном удалении друг от друга. Традиционная методологическая основа решения проблем энергосбережения, отличающаяся, как правило, дискретностью энергетического анализа в узких границах отдельных энергетических агрегатов или в рамках частных мероприятий, оказывается недостаточной для исследований, нацеленных на выявление важнейших резервов энергосбережения в распределённых технологических комплексах материального производства и коммунальных систем жизнеобеспечения.

Это справедливо не только для многостадийных энергоёмких промышленных узлов, но и для коммунального комплекса страны, который, невзирая на низкие потенциалы потребляемых ТЭР, также является весьма энергоёмким потребителем тепловой и электрической энергии, воды. Кроме того, существенно изменившиеся условия функционирования территориальных систем теплоэнергоснабжения диктуют необходимость проработки новых институциональных принципов создания (модернизации) эффективных систем энергообеспечения.

Энергетика, начиная с 20-х годов XX века, развивалась по пути всё более мощных территориально распределённых производственных систем, увеличивались взаимозависимость и взаимовлияние отдельных систем энергетики, происходило формирование в конечном счёте единых иерархически организованных общеэнергетических систем на уровне регионов, государств, межгосударственном уровне. Большие системы энергетики, по мнению Н. И. Воропая, выступают как объект самостоятельных, в какой-то степени достаточно автономных системных исследований, так как они, во-первых, охватывают по совокупности важнейший межотраслевой комплекс со сложившимися для него объективными тенденциями развития; во-вторых, обладают только им присущими характерными свойствами, а главные общие свойства человеко-машинных систем в них проявляются весьма специфично.

Энергетика становится стержнем экономического и социального развития, что существенно по-разному проявлялось и в СССР, и в других экономически развитых странах. Именно в отечественной науке (на стыке экономгеографии, энергетики и экономики) тенденция системности энергетики была успешно использована при разработке плана пространственного развития страны ГОЭЛРО и развития энергетического метода исследования, т. е. в рассмотрении энергетического хозяйства в органическом единстве: от первичных энергоресурсов до приёмников энергии включительно. Комплексный энергетический метод, развитый Г. М. Кржижановским в творческом содружестве с Н. И. Колосовским и Н. Н. Баранским, получил дальнейшее развитие в трудах Л. А. Мелентьева, М. А. Сгыриковича, Б. И. Кудрина, В. А. Веникова и др.

Вслед за ними Н. И. Воропай, Л. С. Хрилев, Е. Я. Соколов, Б. В. Сазанов, А. И. Андрюшенко, А. Д. Ключников, В. В. Кафаров, Ю. Г. Назмеев в разной степени развивали эти системные представления в различных предметных областях (электроэнергетические и теплофикационные системы, системы электроснабжения промкомплексов и промышленные теплоэнергетические системы, электрохимические и теплотехнологические системы), добиваясь значительных результатов как в теоретических моделях соответствующих предметных областей, так и в практическом приложении этих методов и моделей.

На базе энерготехнологических подходов Н. А. Семененко, JI. Н. Сидельковским, А. Д. Ключниковым было развито междисциплинарное направление — энергетика теплотехнологии, которое (совместно с методологией теплоэнергетических систем промпредприятий) позволило существенно расширить границы объекта до замкнутых отраслевых или территориальных производственно-коммунальных комплексов и агломераций, хотя и без сопутствующей привязки к конкретным региональными особенностям.

В условиях колоссальной территории СССР было принципиально важно достаточно быстро найти такую стратегию пространственного развития, которая позволила бы преодолевать исключительное сопротивление среды с минимальным расходом топливно-энергетических и иных ресурсов. "Мы живём в стране, охватывающей 1/6 часть суши. Попробуйте при решении любого хозяйственного вопроса оперировать языком средних цифр, разнесённых на весь громадный массив, и вы немедленно зайдете в тупик",— писал Г М. Кржижановский.

Для реализации задачи пространственного освоения территории страны в рамках комплексного энергетического подхода была предложена и развита теория энергопроизводственных циклов (ЭПЦ), из которой органически вытекала необходимость создания территориально- производственных: комплексов (ТПК) как эффективного инструмента агломерации, освоения пространства страны. Появление и формирование ЭПЦ как интегрирующей целостности стало возможным только в условиях избытка территории или понимания территории как ресурса развития. Пространство — не только ресурс, оно ещё и обременение.

Экономическая география рассматривает создание городов, агломераций, транспортных коридоров как преодоление сопротивления пространства. Сопротивление пространства — многокомпонентная характеристика, но тем не менее очевидно, что климатические параметры играют в нём важную роль. Надо помнить, что территория СССР ориентировочно составляла около 45 Франций или Германий, т. е. блоков по 450— 550 тыс. кв. км, которые, по мнению географов, считаются оптимальными размерами государства. Промышленное развитие позволило сочетать территориальное продвижение инфраструктуры на Восток с развитием промкомплекса (и городов) в центральной части страны. В этом смысле урбанизация в СССР, т. е. создание именно городских агломераций, как отмечают многие специалисты, носила "догоняющий", индустриальный характер.

Резервы территории, как справедливо полагали экономгеографы, до известной степени сдерживающие социально-экономическое развитие страны на первоначальных его этапах, по мере наращивания темпов индустриализации становятся всё более благоприятным фактором, предоставляя всё новые возможности для роста производительности общественного труда страны как единого социально-экономического механизма, целостности высшего уровня. Как показывает дальнейший анализ, такая стратегия была наиболее адекватной и эффективной в условиях доминанты территориального расширения СССР на восток.

Однако после забытого "экономгеографического" крена энергетики в рамках теории энергопроизводственных циклов (ЭПЦ), уже в 70-е годы XX в. и позже, из этих исследований стали исчезать или, говоря другими словами, не так ярко проявляться территориальные признаки и доминанты энергопроизводственных и энерготехнологических систем. Это в первую очередь было связано с развитием отраслевых подходов, активным ростом чёрной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, машиностроения и промышленности стройматериалов, в которых вырабатывались требуемые теплоэнергетические подходы и методики, собиралась и обрабатывалась статистическая база.

Общая инфраструктурная развитость является ключевым преимуществом развития регионов и в настоящее время. Подобно общерегиональным и межстрановым различиям в энергопотреблении, сохраняется также значительная дифференциация регионов России по удельному потреблению первичных энергоресурсов и электроэнергии, обусловленная различием климатических условий и, главное, размещением и структурой производства (рис. 1). Повышенная энергонасыщенность в целом положительно влияет как на технологический потенциал региона, так и на показатели его устойчивости. Вместе с тем регионы с высокой энергонасыщенностью располагают развитой энергетической инфраструктурой, которая при изменении ситуации может быть переориентирована на новые производства. При этом переналадить систему энергоснабжения — совсем не то же самое, что её создать. Развитые энергетические инфраструктуры в любом случае являются предпосылкой более полного использования потенциала энергоносителей.

Рис. 1. Распределение регионов РФ по удельным затратам ТЭР и удельной энергоёмкости ВРП;

Почему сложно создать и применять абсолютно универсальные подходы для всех регионов в виде сложных моделей, межотраслевых топливно-энергетических балансов? Это связано с колоссальным разнообразием регионов (городов) и ситуаций в них. Регионы как в РФ, так и в других странах отличаются не только количественными показателями (населением, территорией, потреблением ТЭР, структурой промышленного производства), но и качественно. В этой связи территориальные различия и особенности определяют приоритеты и формируют разные сценарии проведения и реализации мер и мероприятий.

Требуемое сокращение энергоёмкости валового регионального продукта (ВРП) регионов достигается сочетанием трёх базовых стратегий:

•        снижения потерь ТЭР и энергосбережения в разных секторах экономики региона;

•        роста ВРП за счёт низкоэнергоёмких производств, малого бизнеса, сферы услуг;

•        освоения энергоэффективной техники на источниках и у потребителей энергоресурсов.

Поскольку ситуация даже в близких территориально регионах существенно различается, соче¬тание этих трёх секторов в каждом регионе жёстко определяется территориальными факторами. В этой связи любопытно различное расположение регионов на диаграмме рис. 1.

Для 15 регионов с удельным потреблением ТЭР от 1 до 3 тут/чел необходимо говорить не об энергосбережении, а о ликвидации энергетической отсталости, повышении энергетической вооружённости экономики: 22 региона с удельным потреблением 3,1-5 тут/чел также требуют роста энерговооружённости; 16 регионов имеют удельное потребление около среднероссийских показателей — 5-7 тут/чел. А для регионов с более высоким потреблением (свыше 8 тут/чел.) удельная энергоёмкость ВРП недопустимо высока - это энергоёмкие переделы с небольшой прибавочной стоимостью, регистрация энергоёмких и прибыльных производств за пределами региона. Собственно, это только первый шаг анализа - общее потребление ТЭР и удельная энергоёмкость ВРП. После проработки совокупности энергетических балансов возможно выявление базовых резервов энергоэффективности как в основных секторах экономики региона, так и в территориальном разрезе.

Производство большего объёма продукции при равном энергопотреблении (но применении более концентрированных потоков энергии) является ключевым принципом прогресса технических систем. В этой связи предмет теории систем — целостности в различных областях жизни общества, формы их возникновения, развития и исчезновения. Иными словами, предмет, изучаемый теорией систем, уникален и не рассматривается в сложившихся научных дисциплинах.

Средством его выделения служит понятие целостности, означающее некоторую законченность, полноту, нечто нераздельное. Это не просто множество элементов, но множество связанных между собой элементов. Каждый элемент целостности неустраним, его исключение приводит к потере целостности. Введение представления о целостности является ограничением понятия "система", делает его более нагруженным различительной способностью.

Поэтому целостностью в рамках региональных энерготехнологичесих систем (РЭТС) будем считать комплекс устройств от источников до потребителей, потому что процессы потребления энергии неразделимы от генерации (и наоборот), и энергия как субстанция с повышенной работоспособностью (эксергией) может циркулировать безопасно только между источником и потребителями, и крайне сложно аккумулируется ("складируется"). Именно в рамках таких целостностей мы рассматриваем РЭТС, в которых в качестве энергоносителей циркулируют пар, горячая вода, электроэнергия, т. е. продукты с высокой физической эксергией.

В более общем виде в экономике страны такой целостностью выступали энергопроизводственные циклы, формирующиеся вокруг доминирующего типа энергопреобразования в рамках территориального ареала, развивающие инфраструктуру переработки первичных ресурсов с той или иной степенью безотходности. ЭПЦ явились той целостностью в общесистемном понимании, на базе которой создавались отраслевые и межотраслевые ТПК разной степени завершённости. Наиболее оптимально функционирующими целостностями РЭТС в период их интенсивного роста (1955—1980 гг.) были системы теплоэнергоснабжения пром. узлов и жилых комплексов с существенным преобладанием промышленной тепловой (и электрической) нагрузки в базовой части графика годового энергопотребления.

Отметим, что в этом случае ключевым параметром таких целостностей (систем) является необходимость как можно более полного согласования режимов выработки и потребления энергии, и появление дисбалансов является проявлением неоптимальных режимов функционирования систем. В этой связи легко видеть, что системы теплоэнергоснабжения городов и промузлов являются такой целостностью, органично включающей в себя в самом общем виде источники, распределительные сети и комплекс потребителей.

Территориальные системы теплоэнергоснабжения являются в классификации К. Боулдинга системами II уровня сложности (уровень простой динамической системы с детерминированными, необходимыми движениями, процессами) с элементами III уровня (кибернетической системы). Но рассмотрение РЭТС как неотъемлемой важнейшей инфраструктуры (каркаса) развития городов, агломераций существенно увеличивает уровень системной сложности, добавляя IV уровень (открытые или саморазвивающиеся системы), а взаимовлияние социально-экономических факторов - гораздо более высокие уровни (VII - VIII9 уровень человека и социальных систем). Можно с достаточной долей условности закрепить ядро РЭТС (энергоисточники) на II- III уровнях, а периферию (комплекс потребителей) - на VII-VIII. при этом распределительные сети связывают имеющиеся разноплановые системы, являясь при этом системой IV уровня сложности.

Это противоречие стыковки и взаимодействия систем разного уровня сложности и является в значительной степени ключевым при анализе эффективного функционирования РЭТС, поскольку без оценки влияния совокупности социально-экономических факторов невозможно понять особенности кризисной ситуации коммунальных и промышленных систем энергоснабжения. Резко изменившиеся в последние два десятилетия условия функционирования энергопромышленного комплекса страны привели к разрушению многих целостных РЭТС и потере инфраструктурных преимуществ (за небольшим исключением ряда регионов Черноземья, Поволжья, Урала).

Перед страной стоит колоссальная по важности задача обновления и замещения инфраструктурных технологий, являющихся материальной основой системы хозяйствования, необходимы не только новая физическая и технологическая замена фондов, но и изменение системы управления. Энергокомплекс, да и вся экономика в целом попали в устойчивую институциональную ловушку неэффективности, выход из которой не может быть: а) быстрым; б) простым; в) радикальным — только комплекс мер, системность, поэтапность, региональная привязка.

В этой связи именно институциональные преобразования являются весьма важной, если не сказать - ключевой компонентой, формирующей правовое поле стимулирования энерго- и ресурсосбережения в увязке с существующими стереотипами, привычками, убеждениями. Институциональные структуры представляют собой многослойные образования, их необходимой частью являются глубинные интегративные структуры общества, сформировавшиеся как правило, значительное время назад и характеризующиеся большой инерционностью. Действуя как фильтры, институциональные структуры пропускают одну часть внешних воздействий, преобразуют другую и блокируют третью. Важным свойством институциональных структур является их зависимость от предшествующего пути развития, что свидетельствует в пользу их системной природы, институциональные ловушки — неэффективные, но устойчиво сохраняющиеся формы поведения социальных структур.

К примеру, в рамках проекта "Воркута  -  энергоэффективный город" оказалось, что большая часть потенциала энергосбережения находится, в первую очередь, на энергоисточниках и в рамках схемных решений (рис. 2). Население города существенно уменьшилось, сократилась промышленная нагрузка, а энергетическая инфраструктура стала существенно избыточной.

При этом удельное потребление ТЭР в регионе приближается к цифре до 10 тут/чел. Если жители центральных регионов страны получают необходимые им для жилья 1 - 1,5 тут/чел с издержками преобразования около 0,15 - 0,2 тут/чел., то жители Воркуты за свои необходимые 2 - 2,2 тут/чел вынуждены содержать инфраструктуру с издержками до 2 - 2,5 тут/чел.

Вектор энергетической модернизации различается для разных регионов. Для Краснодарского края, где большинство населения проживает в небольших населённых пунктах, приоритет энергосбережения - у потребителей, в сфере туризма и рекреации, в развитии возобновляемой энергетики.

Соответственно, реализация государственной (региональной) политики энергосбережения разных регионах проходит несколько стадий и зависит от специфики территории. Темп и масштабы развития энергосбережения в каждом регионе будут различаться. По мере формирования собственно национальной системы управления и развития энергоэффективной инфраструктуры используются разные наборы нормативно- правовых механизмов.

Рис. 2. Структура потенциала энергосбережения в Воркуте.

Если на первых этапах преобладают жёсткие запретительные механизмы: требования, стандарты, правила (рис. 3), то по мере их выполнения и формирования новой институциональной среды, можно добавлять и более мягкие механиз мы (льготы, пропаганду и др.). Именно комплексный, междисциплинарный подход к проблема тике энерго- и ресурсосбережения, заложенный в целевые территориальные программы, приносит результаты.

Назрела острая необходимость органичных институциональных мер, расшивающих "узкие места инфраструктурного комплекса при помощи новы: структур, наделяемых необходимыми полномочиями, действующих на основе единых нормативны: документов, балансирующих интересы территорий, поставщиков и потребителей ресурсов.

Выбор и соотношение базовых направление энергосбережения в разных регионах определяется общей территориальной картиной, особенностями структуры топливно-энергетического баланса, радом других влияющих аспектов. Таким образом, повышение энергоэффективности регионов и РФ в целом должно идти параллельно в двух направлениях: 1) развитие технической и технологической базы и 2) создание мотивационной среды энергосбережения с учётом территориальных особенностей регионов РФ. Взаиморазвитие этих направлений, их увязка между собой и продвижение по территориям требуют поэтапного профессионального подхода. Здесь видится ещё один барьер по реализации масштабной политики в энергосбережении — отсутствие кадрового резерва.

Рис. 3. Динамика соотношения запретительных и поощрительных мер

(светлая область – поощрения; темная – запреты, нормативы)

Модернизация и создание эффективной и надёжной энергетической базы для развития регионов РФ — это важнейшая сегодня стратегическая задача, требующая более полного использования разноплановых ресурсов, принятия сбалансированной нормативной правовой базы, учитывающей специфику регионального развития.

Литература:

1. Воропаев. Н.И. Лев Александрович Мелентьев – основоположник научного направления «системные исследования в энергетике» // Теплоэнергетика. 2008. №11.