// Журнал «Промышленная Энергетика», 2012 - № 12, стр. 02-08

О подходах к развитию распределенной энергетики в Российской Федерации

Грачев И. Д., доктор экон. наук, председатель Комитета по энергетике

Государственной Думы Российской Федерации

Некрасов С. А., канд. техн. наук, канд. экон. наук

Объединенный институт высоких температур РАН, Москва

Показана необходимость разработки различных подходов к развитию распределенной энергетики, автономного энергоснабжения, возобновляемых источников энергии, а так¬же к использованию местных видов топлива на территории России.

В настоящее время мировая энергетика развивается в двух направлениях:

традиционном, характеризующемся строительством крупных генерирующих источников;

распределенной генерации** (distributed generation), под которой в данной статье подразумевается параллельное с энергосистемой производство электроэнергии для потребления на одном уровне напряжения - без трансформации с целью передачи ее удаленным от места выработки потребителям, т. е. распределенная энергетика - это источники электроэнергии, подключенные к шинам распределительной подстанции, в том числе на стороне нагрузки, и оснащенные автоматикой для обеспечения синхронной работы с энергосистемой, отключения от нее и поддержания автономной работы. К распределенной энергетике, по определению, относятся возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Следует отметить, что при такой трактовке распределенная энергетика не имеет ограничений на мощность источника (например, выработку 150 - 180 МВт на территории металлургического или химического комбината необходимо отнести к распределенной энергетике).

От распределенной энергетики, по-видимому, необходимо отличать децентрализованную энергетику (автономное энергоснабжение без связи с сетью). Классическим объектом децентрализованной ("малой") энергетики, используемым для энергообеспечения удаленного, не охваченного централизованным электроснабжением поселка с населением 50 - 100 чел., является двигатель внутреннего сгорания мощностью в сотни киловатт. К нему предъявляются принципиально другие требования в части резервирования, режимов работы, чем к такому же двигателю, работающему в параллель с сетью в зоне централизованного энергоснабжения. Если для децентрализованной энергетики ключевым фактором является надежность, то для распределенной генерации - экономическая эффективность. Следует отметить, что в начале становления направления использования ВИЭ в мире отдельно рассматривались источники, подключенные к сетям и работающие автономно. В дальнейшем вследствие увеличения доли работающих параллельно с сетью источников практически до 100 % ВИЭ стали относить к распределенной энергетике без выделения децентрализованных источников.

На рис. 1 (кривые построены по данным [1]) показана динамика доли ВИЭ во вводимых в эксплуатацию энергетических мощностях. Начиная с 2005 г. в Европе, а с 2008 г. и в США, она достигла 60 - 70 %, что свидетельствует  об   общей   закономерности   - вытеснении традиционной энергетики с рынка новых энергетических проектов.

Рис. 1.

В последнее время и в России все больше внимания уделяется развитию распределенной энергетики. При этом в ряде случаев с единых позиций рассматривается реализация распределенной генерации на основе как возобновляемых, так и невозобновляемых источников. Кроме того, делается попытка решить данную проблему путем вовлечения в топливно-энергетический баланс местных видов топлива. Целью нашей статьи является обоснование необходимости выработки разных подходов к этим видам генерации.

Исторически сложилось так, что среди направлений развития распределенной генерации ВИЭ уделялось больше внимания по сравнению с другими источниками энергии. В частности, в Распоряжении Правительства РФ от 8 января 2009 г. № 1-р "Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергоэффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года" определена доля электроэнергии, производимой на основе ВИЭ (4,5 %), которую необходимо обеспечить в ближайшие 7 лет. Согласно ФЗ № 35 "Об электроэнергетике" к ВИЭ относится энергия солнца, ветра, вод (в том числе сточных), приливов, волн водных объектов (в том числе водоемов, рек, морей, океанов), геотермальная энергия природных подземных теплоносителей, низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха, воды (с использованием специальных теплоносителей), биомассы, включающей в себя специально выращенные для получения энергии растения (в частности, деревья), а также отходы производства и потребления (за исключением отходов, полученных в процессе использования углеводородного сырья и топлива), биогаза, газа, выделяемого отходами производства и потребления на свалках таких отходов, и газа, образующегося на угольных разработках.

Как показывает мировая практика, к повсеместно распространенным источникам, на основе которых можно предлагать универсальные решения для энергоснабжения большинства регионов, относятся ветро- и солнечная энергетика. Это нисколько не снижает важности и необходимости развития остальных видов ВИЭ. Например, энергоснабжение угледобывающих регионов по возможности следует обеспечивать на основе не угля, а более экологичного энергоносителя - газа (шахтного метана), образующегося на угольных разработках.

Согласно [2] сжигание угля приводит к более чем четырехкратному увеличению экологического ущерба по сравнению с тем, который наносится при сжигании газа. По-видимому, это объясняет общую тенденцию последних десятилетий - замену угля на газ во всех странах, где появляется такая возможность. В качестве примера можно привести снижение (с 52,8 до 45 %) доли угольной генерации в выработке электроэнергии в США за 1997 - 2009 гг. и уменьшение ее до 35,4 % в начале 2012 г. на фоне роста доли ВИЭ до 6 % [3]. Исследования Института народно-хозяйственного прогнозирования РАН показывают, что экологический ущерб при сжигании угля в некоторых случаях в несколько раз превышает стоимость топлива (табл. 1) [4]. Причем по мере уменьшения размера оборудования и соответственно приближения источника к конечному потребителю увеличивается негативное влияние сжигания твердых видов топлива. Приведенные данные подтверждают справедливость высказанного академиком Л. А. Мелентьевым "незыблемого положения в энергетике, которое должно выполняться для оптимального использования энергетических ресурсов: чем меньше потребитель, тем более высококачественными ресурсами он должен обеспечиваться" [5]. Следуя данной логике, можно прийти к заключению, что концепция по¬строения распределенной энергетики, предусматривающая максимальное приближение источника к потребителю, и концепция увеличения объемов используемого топлива, при сжигании которого негативное влияние на окружающую среду выше, чем, например, при использовании газа, являются взаимно исключающими. Если предположить, что цель развития ВИЭ - сокращение экологического ущерба от использования невозобновляемых источников и снижение эмиссии парниковых газов, то она оказывается несовместимой с задачей увеличения доли твердых видов топлива в топливно-энергетическом балансе.

Таблица 1.

Система теплоснабжения	Экологический ущерб от загрязнения воздуха, руб (в середине 80-х годов XX века)/т, при сжигании топлива в системах теплоснабжения крупных городов России
	Уголь	Мазут	Газ
Теплоэлектроцентраль	3,8	2,6	0,8
Крупные котельные	55	9	0,8
Индивидуальные установки	160	-	2,8

Сегодняшний темп развития различных видов ВИЭ в мире показывает, что источники, преобразующие энергию солнца и ветра, в ближайшее время будут играть все более значимую роль. При этом абсолютным лидером по темпам роста установленной мощности (примерно 50 % в год) является солнечная энергетика, но около 2/3 объема произведенной энергии приходится на долю ветроэлектростанций (ВЭС). Так, в США согласно [3] за январь - апрель 2012 г. из произведенных при использовании ВИЭ 75 млрд кВт • ч доля ВЭС составила 51 млрд кВт • ч (67,7 %), а доля солнечной энергетики - 0,71 млрд кВт • ч (менее 1 %).

Учитывая не самое благоприятное расположение  большинства  российских  регионов для развития солнечной генерации и ее пока незначительную долю в производстве электроэнергии, проанализируем эффективность работы ВЭС. Для этого рассмотрим отношение годового объема произведенной ВЭС электроэнергии к их установленной мощности на территории различных стран (обработанные данные [1]). Полученную величину, являющуюся аналогом коэффициента использования установленной мощности, назовем числом часов использования мощности (ЧЧИМ), ч/год. Поскольку необходимо выявить закономерности, которые можно использовать для построения долгосрочных планов, не будем рассматривать годы, когда значимым оказалось влияние последнего финансового кризиса, и ограничимся четырехлетним периодом 2005 - 2008 гг. В 2008 г. мощность ВЭС в мире превысила 120,5 ГВт, объем выработки составил 210 млрд кВт • ч/год (в 2005 г. - 99,6, в 2006 г. - 126,4, в 2007 г. -163,5 млрд кВт • ч).

Из табл. 2 виден среднемировой рост ЧЧИМ ВЭС, который обеспечивается путем ввода в эксплуатацию новых, более совершенных типов ветрогенераторов. Вместе с тем данный показатель значительно ниже ЧЧИМ всей энергетики, который в 2008 г. в мире составил 4131 ч/год (в России - 4390 ч/год). Следует отметить достижение бывшими нашими прибалтийскими республиками среднемировых показателей в части эффективности работы ВЭС. Исходя из этого, можно предположить, что размещение трех государств - Беларуси, Украины и России в конце таблицы никак нельзя объяснить климатическими особенностями. Более того, огромные пространства России позволяют выбрать для расположения ВЭС участки с наиболее устойчивым и мощным ветровым потенциалом и, как минимум, достичь среднемировых значений ЧЧИМ ВЭС (1750 ч/год вместо фактических 300 - 400 ч/год).

С целью более подробного изучения данного вопроса рассмотрим самую крупную ВЭС России, расположенную в пос. Куликово Зеленоградского района Калининградской области (ее мощность - 5,1 МВт, т.е. 31% общей мощности всех ВЭС страны, которая составляет 16,5 МВт). Оборудование ВЭС (выпуска 1992 - 1993 гг.), включающее в себя I ветроустановку типа Wind World 4200/600 мощностью 0,6 МВт и 20 ветроустановок типа Vestas V27/225 мощностью по 0,225 МВт, вводилось в эксплуатацию в период с 1998 по 2002 г. (прежде оно 8 лет проработало в датском ветропарке "Нойсомхед Винд Фарм"). Производство электроэнергии в 2008 г. составило 4690 кВт • ч, в 2009 г. - 3538 кВт ч, в 2010 г. - 3596 кВт • ч, а ЧЧИМ соответственно - 917, 694, 705 ч/год. С одной стороны, эти данные в несколько раз выше среднероссийских показателей (300 - 400 ч/год) - см. табл. 2, с другой - намного ниже значений аналогичного параметра в Польше, Литве и Германии, где климатические условия такие же, как в Калининградской области. Причем это различие нельзя объяснить недостатком средств для поддержания оборудования в рабочем состоянии, поскольку в годовом отчете Калининградской генерирующей компании указано, что объем выполнения ремонтной программы ВЭС за 2010 г. составил 102% [6].

Наиболее актуальной проблемой ветроэнергетики в России является крайне низкая загрузка энергетических мощностей. Другая проблема, характерная для всех стран, состоит в непредсказуемости краткосрочного объема выработки электроэнергии (при достаточно точном прогнозировании этой величины на год и даже на сезон). Так, 26.02.2008 г. в штате Техас (США) при снижении в течение 10 мин мощности производства электроэнергии ВЭС на 1200 МВт [7] стало возможным избежать блэкаута благодаря управлению спросом потребления путем краткосрочного сброса нагрузки потребителей не только в большинстве штатов США, но и в ряде провинций Канады, в частности в провинции Манитоба. В качестве примера неравномерности генерации ВЭС на рис. 2 приведена диаграмма выдачи мощности ВЭС на юге Австралии в июне 2009 г. [7], из которой видно многократное изменение объема выработки на протяжении одних суток.

Рис. 2.

В связи с указанным развитие распределенной генерации на основе ВЭС предусматривает наличие резервирования или мощных систем   аккумулирования   энергии.   Поэтому только ВЭС (как и гелиоустановки) не могут выполнять функцию децентрализованного источника. Действительно, обеспечить надежность автономного энергоснабжения, особенно с учетом сурового климата российских территорий, не покрытых сетями ЕЭС, можно только на базе предсказуемо стабильно работающих источников (дизелей, газотурбинных установок и т. д.), причем имеющих необходимый (в большинстве случаев многократный) уровень резервирования. В этом случае ВИЭ могу использоваться с целью снижения расхода топлива при существующем децентрализованном энергоснабжении, но не в качестве основы для его построения.

                                                                                                                                                                                   Таблица 2.

Страна	ЧЧИМ ВЭС, ч/год
	2005 г.	2006 г.	2007 г.	2008 г.
Новая Зеландия	3472	3496	2758	3119
Египет	3743	3197	3288	2900
Норвегия	1780	2146	2632	2420
Швеция	1804	1817	1913	2329
Литва	1900	429	2143	2304
Иран	3068	2475	2028	2271
США	2046	2347	2086	2246
Тайвань	3598	2536	2245	2221
Ямайка	2262	2486	2352	2219
Турция	2667	2044	2310	2210
Греция	2449	2155	2041	2084
Дания	2008	1851	2181	2081
Латвия	1719	1681	1935	2000
Австралия	1136	1987	1986	1986
Великобритания	1763	2053	2023	1979
Тунис	2100	1900	2153	1953
Австрия	1526	1718	1980	1921
Португалия	1583	1653	1742	1914
Нидерланды	1604	1666	1868	1883
Бельгия	1471	1640	1690	1868
Испания	2028	1888	1772	1849
Европа	1653	1643	1778	1757
Мир	1671	1696	1739	1741
Финляндия	1970	1723	1624	1734
Эстония	1655	2256	1490	1640
Германия	1404	1415	1696	1613
Франция	1264	1468	1737	1579
Чешская республика	686	1059	1042	1552
Канада	2043	1627	1623	1531
Польша	1060	1414	1621	1512
Япония	1358	1163	1632	1419
Израиль	1486	271	167	1417
Южная Корея	1247	1275	1822	1363
Аргентина	2641	2375	2068	1330
Италия	1362	1484	1418	1310
Швейцария	633	1192	1267	1293
Бразилия	3034	949	2150	1280
Индия	1175	1164	1280	1274
Китай	1529	1414	918	1021
Беларусь	909	909	1000	909
Украина	547	401	522	522
Россия	471	285	400	285

В странах, где в отличие от Российской Федерации ветроэнергетика бурно развивается, избыточность энергетических мощностей и развитость электрических сетей обеспечивают возможность резервирования ВЭС. Отсутствие этого в России приводит к необходимости формирования инфраструктуры резервирования ветрогенерации и делает более перспективным развитие объектов распределенной генерации (ОРГ), которые могут участвовать в регулировании графика нагрузки.

В этой связи предлагается подразделить ОРГ на нерегулируемые и регулируемые источники в зависимости от возможности регулирования нагрузки энергосистемы. К первому типу источников отнесем ОРГ (ВЭС, гелиоустановки, приливные станции, бесплотинные ГЭС и т. д.), производство энергии на которых по заранее заданному графику требует создания систем аккумулирования энергии, а ко второму типу - ОРГ, которые могут выполнять задачи по регулированию нагрузки энергосистемы (например, установки комбинированного производства тепловой и электрической энергии, плотинные ГЭС). Как показывает анализ развития зарубежной энергетики, в возможности увеличения доли регулируемых источников отсутствуют системные ограничения - их рост определяется экономически доступными технологиями на данный период времени.

Интенсивное развитие ВИЭ в мире путем дотирования возобновляемой энергетики за счет традиционной является государственной политикой. В конечном итоге за это платит потребитель, что ведет к дополнительным издержкам для всей экономики страны. Необходимо отметить, что в этом направлении развивается энергетика стран, где в силу разных причин отсутствуют возможности принятия менее капиталоемких решений для снижения потребления топлива, например, таких, как комбинированное производство тепловой и электрической энергии.

Рассмотрим два варианта снижения потребления топлива на 1 т у.т.: первый - выработка электроэнергии на основе ВИЭ; второй - замещение выработки электроэнергии в конденсационном цикле на ТЭС ее производством на существующем тепловом потреблении котельной в результате перевода последней в режим комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Удельные расходы на выработку электроэнергии при полезном использовании теплоты не превышают 160 гу.т/(кВт • ч). Это более чем в 2 раза меньше, чем средний расход топлива в энергосистеме - 333 г у.т/(кВт • ч) [8]. В итоге при выработке электроэнергии в режиме когенерации происходит замещение ее производства на ТЭС и при этом экономится более 170 г у.т/(кВт • ч). Фактически экономия оказывается больше, поскольку в приведенной оценке не учитываются потери в энергосистеме при передаче электроэнергии от ТЭС потребителю, в то время как в распределенной генерации, по определению, отсутствуют потери электроэнергии на трансформацию напряжения.

В России более 650 млн Гкал теплоты в год вырабатывается в котельных. При переводе половины из них в комбинированный режим производства тепловой и электрической энергии с круглогодичным использованием тепловой энергии (за счет надстройки котельных в пределах потребления ГВС) можно обеспечить выработку электроэнергии не менее 120 млрд кВт • ч в год. Круглогодичное потребление теплоты позволяет когенерационной установке работать не менее 5000 ч/год. Таким образом, для обеспечения экономии 1 т у.т. невозобновляемых источников в год следует провести надстройку котельных когенерационным оборудованием общей мощностью 1,18 кВт. В то же время для снижения расхода топлива на 1 т у.т. на ТЭС при удельном расходе 333 г у.т/(кВт • ч) необходимо выработать на ВИЭ 3 тыс. кВт • ч. Причем если ориентироваться на среднемировое значение ЧЧИМ ВЭС (1740 ч/год), то для этого понадобится 1,72 кВт, а если на среднероссийское за 3 года (323 ч/год) - 9,28 кВт.

Как известно, капитальные затраты на строительство ВЭС неуклонно снижаются, но все еще в 1,5 -2 раза выше, чем на проекты на основе газопоршневых или газотурбинных установок. Поэтому для достижения эквивалентного экологического эффекта инвестиции в ВЭС будут в 2 - 3 раза больше даже при условии увеличения ЧЧИМ ВЭС России до среднемирового уровня (при невыполнении этого условия - выше на порядок и более). К этому необходимо добавить, что когенерационные установки могут выдавать электроэнергию по заранее согласованному графику и участвовать в регулировании работы энергосистемы. Как было показано выше, для достижения этой цели на основе ВЭС необходимо создание систем резервирования или аккумулирования энергии мощностью, равной мощности ВЭС, что ведет к дополнительному удорожанию проектов по их развитию.

Приведенный анализ подтверждает вывод, что наибольшую финансовую эффективность среди проектов по энергосбережению имеют наукоемкие технологии комбинированного производства электроэнергии и теплоты в уже существующих отопительных котельных [9]. При этом, приближая производство электроэнергии к потребителю, необходимо использовать наиболее экологичные энергетические ресурсы.

Следует также учитывать, что промышленное производство отечественных ВИЭ находится на стадии становления, и при реализации проектов, как правило, предпочтение отдается зарубежным производителям (как было показано на примере Калининградской ветроэлектростанции). Принятие решения о поддержке новых проектов по ВИЭ без предварительного создания отечественного конкурентоспособного производства приведет к полной потере данного быстроразвивающегося сегмента для российского производителя, особенно в условиях вступления России в ВТО. Помимо указанного важно не забывать об особенностях эксплуатации высокотехнологичного импортного оборудования в российских условиях - его обслуживание при установке в удаленных точках страны будет намного дороже, чем в Дании, Германии и других странах - лидерах использования возобновляемой энергетики.

В заключение отметим, что поскольку достичь производства указанных выше 4,5 % электроэнергии на базе ВИЭ можно только на основе наиболее распространенного их вида - ветроэлектростанции, то даже при отсутствии роста потребления электроэнергии необходимо, чтобы мощность ВЭС была вовсе не 4,5 % мощности энергосистемы России. Если предположить, что ЧЧИМ ВЭС в России достигнет сегодняшнего среднемирового значения, эта мощность должна составить более 24 ГВт, если же ориентироваться на средний показатель ЧЧИМ российских ВЭС за 3 года - то более половины мощности отечественной энергосистемы. Обеспечить выпуск и установку отечественного (как, впрочем, и импортного) оборудования в таких масштабах за оставшийся до 2020 г. период - задача совершенно нереальная.

Таким образом, в условиях Российской Федерации при высоких удельных капитальных затратах на реализацию проектов по возобновляемым источникам, существующих особенностях их работы и обслуживания перспективно развитие менее капиталоемких ОРГ. Введение в Российской Федерации мер по стимулированию использования ВИЭ за счет других энергопроизводителей приведет к дополнительному росту стоимости электроэнергии. В ближайшее время развитие ВИЭ менее целесообразно по сравнению с другими проектами по распределенной энергетике по следующим причинам:

1. Снизить потребление топлива с меньшими капитальными затратами, чем при использовании ВИЭ, можно путем перевода существующих тепловых источников на комбинированный режим производства теплоты и электроэнергии.

2. Субсидирование развития ВИЭ за счет повышения стоимости тепловой и электрической энергии в начале экономического подъема приведет к осложнению и замедлению выхода экономики из кризисного состояния.

3. Отсутствие конкурентных технических решений по серийному производству возобновляемых источников означает потерю этого сегмента для отечественных производителей и последующую зависимость в сервисном обслуживании от зарубежных производителей.

4. Для интегрирования ветроэнергетики в энергосистему необходимо наличие резервирования со стороны традиционных энергоисточников, реализующих регулирующую функцию между неравномерной выдачей энергии возобновляемыми источниками и потребностями потребителей, а это условие невыполнимо для большинства регионов России с высокой ветровой нагрузкой.

5. Для регулирования производства и потребления электроэнергии существующих мощностей в большинстве центральных регионов страны требуется строительство ГАЭС. Введение дополнительных нерегулируемых ОРГ обострит проблему и приведет к необходимости увеличения ввода регулирующих мощностей.

6. До начала реализации новых проектов использования ВИЭ необходим запуск экономических механизмов, обеспечивающих повышение загрузки существующих их мощностей и рост ЧЧИМ как минимум до среднемировых показателей.

Итак, в Российской Федерации в настоящее время более перспективно развитие ОРГ, которые могут участвовать в регулировании нагрузки энергосистемы и являются наименее капиталоемкими, к тому же при их реализации используются отечественные технические решения.

Вместе с тем следует учитывать, что для удаленных населенных пунктов применение нерегулируемых ВИЭ необходимо с целью снижения потребления привозного топлива. При построении ОРГ желательно предусмотреть интегрирование создаваемой системы с различными типами ВИЭ, использование которых экономически целесообразно в данный момент, а в перспективе - обеспечить возможность перевода созданной инфраструктуры распределенной генерации на ВИЭ.

Список литературы

1. http: //tonto.eia.doe.gov

2. Awad A., Veziroglu Т. Hydrogen versus Synthetic Fossil Fuels. - Int. J. of Hydrogen Energy, 1984. vol. 9, № 5.

3. Отчет U. S. Energy Information Administration за январь - апрель 2012 г. (http: //www.eia.gov/electricity/ monthly/pdf/epm.pdf).

4. Синяк Ю. В. Концепция глобального экономического развития и энергетика / Открытый семинар ИНП РАН "Экономические проблемы энергетического комплекса". - М.: ИНП РАН, 2007.

5. Мелентьев Л. А. Очерки истории отечественной энергетики. - М.: Наука, 1987.

6. Годовые отчеты Калининградской генерирующей компании 2008 и 2010 гг. (http: //www.yantene.ru/ galery/_yantarenergo/docernie kompanii/kaliningradskaj a gen kompanija/god 2008 kgk.pdf, http: //www.yantene. ru/galery/_yantarenergo/docernie kompanii/kaliningrads kaja gen kompanija/otchet2010.pdf).

7. Vassallo T. Bottling Electricity: The Need for Energy Storage. Delta Electricity Chair in Sustainable Energy Development School of Chemical & Biomolecular Engineering University of Sydney. AIE Sydney Branch. April 4 2011 (http: //aie.org.au/Content/Navigation M e nu/Events/Past Events/).

8. Эффективные технологии производства электрической и тепловой энергии с использованием органического топлива / О. Н. Фаворский, А. И. Леонтьев, В. А. Федоров, О. О. Мильман. - Теплоэнергетика, 2003, № 9.

9. Федоров В. А., Мильман О. О. Приоритетные направления развития энергосберегающих технологий в жилищно-коммунальном хозяйстве России. - М.: МГТУ им. Баумана. 2004.

s а nl@bk.ru