Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и перспективы развития энергосистемы республики Саха (Якутия) 19
1.1. Природно-климатические и социально-экономические факторы развития энергосистемы Республики Саха (Якутия) 19
1.2. Динамика структуры и показателей функционирования энергосистемы Республики Саха (Якутия) 34
1.3. Состояние и проблемы развития малой энергетики в Республике Саха (Якутия) Выводы по главе 1 69
Глава 2. Детерминанты целеполагания государственной стратегии инновационного развития изолированных энергосистем Республики Саха (Якутия) 73
2.1. Социальные ориентиры стратегии инновационного развития изолированных энергосистем 73
2.2. Роль инновационного развития энергосистемы в обеспечении эффективности многоуровневых социально-экономических структур 102
Выводы по главе 2 118
Глава 3. Перспективы внедрения технологических инновации в изолированных энергосистемах Республики Саха (Якутия)
3.1. Инновации в области традиционных источников энергии 122
3.2. Инновации в области альтернативных источников энергии 148
Выводы по главе 3 174
Глава 4. Организационно-экономические механизмы стимулирования инновационного развития изолированных энергосистем 178
4.1. Взаимосвязь технологических и организационных инноваций в энергетике 178
4.2. Использование инклюзивных бизнес-моделей в процессе стимулирования инновационного развития энергосистем 188
4.3. Социальные аспекты реформирования системы перекрестного субсидирования в энергетике Выводы по главе 4 227
Глава 5 Стратегия информационной поддержки инновационного развития изолированных энергосистем 231
5.1. Формирование единого информационного пространства поддержки изолированных энергосистем 231
5.2. Организация распространения лучших практик в области изолированных энергосистем Выводы по главе 5 263
Заключение 267
Библиографический список 277
- Динамика структуры и показателей функционирования энергосистемы Республики Саха (Якутия)
- Роль инновационного развития энергосистемы в обеспечении эффективности многоуровневых социально-экономических структур
- Инновации в области альтернативных источников энергии
- Социальные аспекты реформирования системы перекрестного субсидирования в энергетике
Динамика структуры и показателей функционирования энергосистемы Республики Саха (Якутия)
Рассмотрение инновационных механизмов развития малой энергетики энергоизолированных районов необходимо начать с выделения специфики регионов с экстремальными природно-климатическими условиями (на примере яркого представителя Севера России - Республики Саха (Якутия)), влияющей на особенности структуры ее энергосистем и перспективы их развития.
В экономико-географической типологии широко используется топологический критерий выделения проблемных и экстремальных регионов1. Данный вопрос был достаточно подробно изучен в исследовании, проведенном в рамках проекта CEPRA. (Российско-Канадский консорциум по вопросам прикладных экономических исследований). «К таким регионам относятся географические районы, расположенные в зонах, где проживание человека невозможно или крайне затруднено без создания полномасштабной искусственной среды. Естественные экстремальные регионы - Крайний Север, Арктика, высокогорья и пустыни; Антарктиду нередко называют суперэкстремальным регионом. Антропогенные экстремальные регионы являются результатом просчетов в хозяйственной деятельности человека.
В общем случае «Север» определяется, как территория, ограниченная физико-географическими параметрами. Правовая интерпретация районов Крайнего Севера и приравненных к ним местностей в экономике России традиционно регулировалось Постановлениями Правительства Российской Фе дерации путем установления перечня конкретных территорий. Отнесенные к районам Крайнего Севера территории России географически расположены в широтном диапазоне от 82-го (о. Рудольфа) до 44-го градуса (Южно-Курильские острова)...
Типология, разработанная Кольским научным центром РАН, легла в основу проекта Федерального закона «О районировании Севера России», подготовленного Госкомсевером России во исполнение распоряжения Правительства РФ №107-р от 18.01.92, Постановления Правительства РФ №1664 от 31.12.97. Эта типология также взята за основу при разработке Федерального закона «О распределении жилищных субсидий между районами Крайнего Севера и приравненными к ним местностями в 1996 году... Путем индексирования, балльного ранжирования и других методов выделяются три зоны: абсолютно дискомфортная (включающая арктическую подзону - 0,8 млн.кв.км.), экстремально дискомфортная и дискомфортная. Их общая площадью составляет 11,4 млн.кв. км., или 66,7% территории России. К районом Крайнего Севера и приравненным к ним территориям, относятся регионы, имеющие по данной методике расчетов менее 7 баллов.
К зоне абсолютного дискомфорта относятся Магаданская область, Чукотский АО, Таймырский (Долгано-Ненецкий) АО, Корякский АО, Ненецкий АО, значительная часть территории Ямало-Ненецкого АО и Республики Саха (Якутия), а также часть территории Мурманской области, Камчатской области, Красноярского края (г. Норильск, Эвенкийский АО), Республики Коми (г. Воркута и г. Инта), Хабаровского края, Сахалинской области...» .
В частности, природно-климатические условия Республики Саха (Якутия) характеризуются следующими основными особенностями.
Республика Саха (Якутия) находится в северо-восточной части Сибири, простираясь с севера на юг на 2000 км, а с запада на восток - на 2500 км, что занимает 18% от всей территории России (3103,2 тыс. кв. км. в абсолютных величинах), таким образом, являясь самым большим территориальным образованием в ней.
Климатические условия Республики Саха (Якутия) весьма суровы, на большей части территории климат резко континентальный (кроме приморских районов). Лето в Якутии короткое, но достаточно теплое, средние температуры в июле и августе +17С - +19С.
Зима в Республике Саха (Якутия) весьма продолжительна и отличается сильными морозами, достигающими -60С и более, включая рекордные температуры в полюсе холода Северного полушария - Оймяконе, где они доходят до - 71 С; на побережье зимы несколько менее холодные, однако температуры все равно достигают -46С-52С.
Такой характер климата предъявляет особые требования к надежности энергоснабжения жилых помещений. Как известно, «общее переохлаждение возникает в результате длительного действия низкой температуры на организм в целом. Оно развивается в тех случаях, когда из-за внешнего охлаждения теплоотдача усиливается выше обычных пределов при нормальной или сниженной теплопродукции. Длительность пребывания и температурный уровень, приводящие к смерти от общего переохлаждения, весьма вариабельны. Общее переохлаждение может развиться и при плюсовой температуре воздуха (+4-6 и даже +10 С)» . Это требует обязательного резервирования отопительных контуров на случай аварии, особенно когда речь идет о труднодоступных изолированных поселениях. Форс-мажорные природные факторы влияния включают две основные подгруппы: стихийные бедствия, которые могут привести к разрушению или значительному повреждению энергетических объектов; сильные проявления нормальных природных процессов, приводящие к общей или локальным напряженностям в балансах энергоресурсов, может вызвать перебои в топливо- и энергоснабжении.
Еще одним важным фактором, влияющим на особенности строительства энергетических объектов, является принадлежность Республики Саха (Якутия) зоне многолетней мерзлоты, глубина которой в разных местах достигает от 100 м до 500 м и более.
Климатические и географические факторы обусловливают и схему завоза топлива для обеспечения энергосистемы региона. Энергетические ресурсы Республики Саха (Якутия) весьма значительны - в ней расположены 47% разведанных запасов угля, 35% природного газа, нефти из всех запасов Восточной Сибири и Дальнего Востока. Однако существенные проблемы возникают с доставкой топлива, ввиду труднодоступности многих районов и расположения некоторых нефтеперерабатывающих заводов за пределами Республики Саха (Якутия).
Транспортную схему завоза дизельного топлива на территорию республики можно подразделить на завозы:
Арктический (морской завоз) - продолжительность морской навигации 30-45 дней (август-сентябрь). Нефтепродукты доставляются из морских портов г. Архангельска и Мурманска по Северному морскому пути, а также из порта Осетрово по реке Лена судами класса «река-море» до устья рек Ана-бар, Яна, Лена, Колыма, Индигирка, с последующей перевалкой в мелкосидящий речной танкерный флот для доставки в резервуары нефтебаз и ДЭС. Этим видом транспорта завозится 54% годовой потребности топлива.
Роль инновационного развития энергосистемы в обеспечении эффективности многоуровневых социально-экономических структур
Значительная часть территории России являются зоной децентрализованного снабжения энергией (в совокупности в таких зонах проживает около 10 млн. чел), в первую очередь, большинство северных территорий. «Обеспечение экономики этих районов электрической и тепловой энергией осуществляется, в основном, электростанциями малой мощности и котельными. В общей сложности на территории Севера эксплуатируется более 6 тысяч ДЭС, суммарная установленная мощность составляет более 3000 МВт, ими производится около 6 млрд. кВт ч электроэнергии. Значительная часть станций работает на дорогостоящем привозном дизельном топливе».1
В электроэнергетике к малым электростанциям принято относить электростанции (ЭС) мощностью до 30 МВт с агрегатами единичной мощностью до 10 МВт.
Малые электростанции в соответствии с их мощностью подразделяют на три группы: микро ЭС до 100 кВт, мини ЭС от 100 кВт до 1 МВт и малые ЭС мощностью более 1 МВт.
Основу малой энергетики (МЭ) России в настоящее время составляют до 50 тысяч различных (преимущественно дизельных) электростанций (более 98% от общего числа) средней единичной мощностью 340 кВт и суммарной мощностью 17 млн. кВт (8% от общей установленной в России мощности). Общая выработка электроустановками малой и возобновляемой энергетики составляет порядка 50 млрд. кВтч, а расход топлива - 17 млн. т.у.т. в год.
В теплоэнергетике к малым системам относятся отопительные устройства и котлы единичной мощностью до 5 Гкал/ч и котельные общей производительностью до 20 Гкал/ч. Производство тепла малыми котельными, индивидуальными отопительными установками, которых насчитывается в стране около 200 тысяч, составляет 26% от совокупного производства тепла в России.
Необходимо отметить, что в энергонезависимых районах РФ система малой энергетики является основным источником энергоснабжения промышленности и населения, а не альтернативой большой энергетике, как это имеет место быть в некоторых развитых странах Европы.
Можно выделить несколько сфер применения малой энергетики, в первую очередь это отдаленные от крупных энергетических передающих центров населенные пункты. Но малая энергетика это не только автономная (изолированная) энергетика, обеспечивающая потребности в электричестве там, где отсутствуют централизованные сети. Во многих городах рост потребности в электроэнергии опережает рост потребностей в тепловой энергии. Один из сценариев развития - это создание небольших ТЭЦ (мини-ТЭЦ) для покрытия потребностей в тепле и, частично, в электрической энергии."
Экономическая эффективность МЭ (стоимость производимой энергии, окупаемость, возврат инвестиций и пр.) определяется затратами средств на выработку единицы энергии за весь ресурсный или за определенный период. Т.е. она зависит от капитальных вложений средств при строительстве электростанций, их эксплуатационной стоимости, в том числе расходов на топли
Надежность МЭ в России в последние годы значительно снижается из-за проблем топливоснабжения, износа оборудования, ослабления ремонтной базы и оттока из отрасли квалифицированных кадров. Перебои в снабжении привозным топливом отдаленных регионов в связи с возрастанием стоимости органического топлива и его доставки, дефицитом средств в местных бюджетах одна из главных причин снижения надежности энергоснабжения МЭ в последние годы.2
Роль МЭ в энергообеспечении страны сводится в настоящее время к двум функциям. В зонах централизованного энергоснабжения роль МЭ ограничена, в основном, функцией резервирования на локальных уровнях при критических и чрезвычайных ситуациях.
Она состоит в обеспечении при прекращении работы централизованных энергетических систем минимального энергоснабжения наиболее важных потребителей промышленных объектов с непрерывным производством, служб, обеспечивающих жизненно важные потребности городов (транспорт, связь, телевидение и радиовещание, медицинские учреждения и пр.).3
В районах децентрализованного энергоснабжения роль малой энергетики в обеспечении энергетической безопасности (ЭБ) является определяющей. Автономные электростанции и котельные малой мощности должны полностью обеспечивать потребности в энергии в режиме штатного функционирования и в минимально гарантированном объеме в критических и чрезвычай Малая энергетика. - 2006. - № 1-2. - С. 14-18 ных ситуациях. Для таких объектов, находящихся, как правило, в регионах с суровым климатом, трудноосуществимой и дорогостоящей доставкой грузов, удаленностью от центров снабжения и информации, все аспекты обеспечения ЭБ (наличие на рынке, цена, качество, способ транспортировки, обеспечение топливом, эксплуатационные и технико-экономические характеристики, ресурс, возможность замены и модернизации и т.п.) имеют определяющее значение.1
Эти задачи требуют особую организацию локальной энергетики. Так, например, система локальной электроэнергетики в Республике Саха (Якутия) включает в себя 161 локальную дизельную электростанцию общей установленной мощностью 289,4 МВт., которые поставляют электроэнергию для более чем 180 тыс. человек, проживающих в селах и поселениях коренных народов, хозяйствах фермеров, на удаленных промышленных объектах преимущественно в северной части Республики, на территории более 2 миллионов кв. км. (приблизительно 2/3 общей площади Республики Саха (Якутия)
Поскольку дизельные электростанции характеризуются высоким удельным расходом топлива, тарифы на которое также высоки, особенно с учетом доставки, то себестоимость получаемой электроэнергии существенно выше средних показателей по Республике Саха (Якутия): при удельном весе электроэнергии, выработанной дизельными электростанциями приблизительно 6,5%, затраты на её производство и распределение составляют 32,8%.
Особенностями малой энергетики республики является расположение дизельных электростанций в населенных пунктах, имеющих сезонную доступность, и сезонность транспортной схемы завоза топлива из других регионов России.
Инновации в области альтернативных источников энергии
Отдельным вопросом является обоснование целесообразности сочетания разномасштабных энергетических объектов.
Исследование показывает, что необходимость и целесообразность такого сочетания подтверждается, с одной стороны, ценологическим подходом, предложенным в ряде работ школы профессора Б.И. Кудрина, а, с другой, - анализом полицентрических социальных структур, проведенным Э. Остром и В. Остром.
Э. Остром (лауреат Нобелевской премии по экономике за 2009 год), изучая генезис и современное функционирование ряда управленческих структур местного и регионального уровня, выделила два различных типа социального порядка - «моноцентричный» и «полицентричный»
Исследования Э. Остром показали, что полицентрический подход является более гибким и потому эффективным, что позволило сделать следующий вывод: множественность полу автономных центров принятия решений есть следствие свободы ассоциирования индивидов и способствует сохранению институционального разнообразия применительно к нерыночным процессам - таким как производство коллективных благ.
В этом контексте Остром был выдвинут чрезвычайно важный практический принцип - принцип институциональной избыточности (redundancy). Наличие множества дублирующих структур повышает вероятность того, что кризис одной из них не станет шоком для всей системы, так как будет компенсирован реакцией параллельных структур.
Полицентричные порядки Остром рассматривает как частный случай более общего феномена, который она обозначает термином «сложные адаптивные системы»: «Многие исследователи, - отмечает она, - считают, что сама идея организации неразрывно связана с наличием некоего центрального диктатора, по замыслу которого и должна создаваться система, действующая определенным образом. Как следствие, многие самоорганизующиеся и самоуправляемые системы остаются для них невидимыми. В противоположность организационным формам, возникающим благодаря центральному управлению, большинство самоорганизующихся групп лучше рассматривать как сложные адаптивные системы. Сложные адаптивные системы состоят из большого числа активных элементов, способных вступать в разнообразные формы взаимодействия, в ходе которого такая система приобретает эмерджентные свойства, появление которых невозможно предсказать, анализируя ее отдельные части. Эти системы можно рассматривать как состоящие из правил и взаимодействующих агентов, которые осуществляют адаптацию, динамично изменяя правила по мере накопления опыта» . (цит. по обзору Р.И. Капелюшникова )
По нашему мнению, именно такая теория предлагается в трудах научной школы Б.И. Кудрина, построенных на материалах анализа эволюции сложных технических и биологических систем.
Исследования Б.И. Кудрина и Э. Остром обязывают сделать вывод, что одной из важнейших задач стратегии развития энергетических систем является формирование такой их структуры, которая бы обеспечивала необходимое институциональное разнообразие форм самоорганизации и взаимодействия социально-экономических объектов разных уровней.
Особую важность следует придать тому факту, что грубейшей ошибкой является редукция задачи рационализации структуры энергосистемы до плоскости технико-экономической эффективности: в ряде случаев повышение степени ее централизации может оказаться более эффективным с этой точки зрения (прежде всего, за счет эффекта масштаба, возникающего при генерации на крупных мощностях), однако одновременно убьет институционально-территориальное разнообразие, вызовет сверхконцентрацию населения и экономических объектов, снизит как степень освоения территории, так и устойчивость социально-экономической системы (и ее энергосистемы как обеспечивающего звена) к различным шокам, среди которых, кроме техногенных, следует выделять и социальные, политические, экономические, демографические и другие.
Важным вопросом является учет различия между различными пониманиями «полицентрической модели»: в зависимости от условий присоединения частных генерирующих мощностей к сбытовым сетям (данный вопрос будет подробно рассмотрен далее) можно выделить дискретно-полицентрическую структуру (в рамках которой можно выделить разные уровни организации энергетики: участки, присоединенные к единой энергетической системе; локальные энергосистемы, обслуживающие собственные комплексы производств и, возможно, жилищно-коммунальную и другую инфраструктуру крупных, в т.ч. градообразующих, компаний; точечные объекты малой энергетики, обслуживающие отдельных потребителей); и интегрально-полицентрическую структуру, в которой генерирующие мощности различных уровней по возможности включаются в единые сбытовые сети. Принципиальные схемы этих структур предложены на рис.2.3-рис.2.5. Авторский сравнительный анализ устойчивости моноцентрической и полицентрической структуры организации энергетики к различным видам рисков приведен в табл. 2.7.
Социальные аспекты реформирования системы перекрестного субсидирования в энергетике
В течение 1901-1920 были проданы многие установки газогенератор-двигатель для получения механической и электрической энергии
Значительный толчок в развитии газификации произошел в 1926г., когда Германия, лишенная доступа к нефтяным источникам и располагавшая значительными запасами ископаемого угля, была вынуждена искать пути его превращения в жидкое топливо. Эта проблема была решена путем синтеза углеводородов из монооксида углерода и водорода, который называется с тех пор синтезом Фишера-Тропша по имени ученых, его реализовавших. Смесь СО и Н2 в различных соотношениях, называемая продукт-газом (или синтез-газом), может быть получена как из угля, так и из любого другого углеродсодержащего сырья.
В 30-е годы начинается по указанию Сталина разработка газогенераторных установок в СССР работающих на соломе.
1960 - 1970, в связи со снижением цен на бензин и дизтопливо интерес к газификации падает. Однако после 1970 в связи с кризисом нефтяных цен наблюдается возобновление интереса к газификации.
Строительство крупных электростанций с газификацией углей низкой калорийности в США, Голландия, Испания, Италия (мощностью 250-600 МВт). Одной из первых, начавших свою деятельность в области газификации, была компания Chevron Texaco. Первое предприятие по газификации нефти было построено в 1956 г., а по газификации угля - в 1978 г. Всего с 1978 по 2003 гг. было построено 72 предприятия газификации угля, из которых 23 находятся в США, 23 в Европе и 26 в Азии. Только в Китае построено 14 таких предприятий. Самая мощная станция была построена в Южной Корее в 2000г. - 950 МВт.
Первое предприятие газификации Shell было построенно в 1956 в Нидерландах. К 2003г. предприятия Shell насчитывали уже 85 действующих газификаторов: в Азии - 36 реакторов, в Европе - 28, 21 - в Северной и Южной Америке. Согласно планам Shell к 2006 г. намечено реализовать еще 9 крупнейших проектов в разных странах, причем 6 из этих предприятий будет работать на углях.
Первоначально продукт-газ использовался, прежде всего, как исходный материал для производства химических продуктов. Газификация применялась и применяется для производства водорода, углекислоты, химических углеводородных соединений (метанола, спиртов, уксусной кислоты, этиленгликоля и других) и серы или комбинирует выработку энергии и производство этих продуктов. В 1989 производство химикатов составляло почти 50% от использования продукт-газа во всем мире. Это положение будет меняться, поскольку запланировано большее количество проектов газификации для выработки тепловой и электрической энергии.
С 1990 года подавляющее большинство проектов в мире было направлено одновременно и на производство химических продуктов и на производство энергии: в 1990 году таких проектов было 66 %, а к 2000 году их было 94% от общего числа.
До 2000 г., проведена разработка национальных программ по использованию газификации биомассы для выработки электроэнергии в развитых странах (Европейский союз, США и др) и в Индии, как одного из самых перспективных направлений в возобновляемой энергетике. Разработка программ по переходу на «чистый уголь», т.е. газификация угля с последующим сжиганием в газовых турбинах большой мощности (сотни МВт-эл). Строительство крупных и малых электростанций с газификацией угля и биомассы. В 2000-2007, уже сотни серийных промышленных энергоустановок газификации угля и биомассы работают во всем мире.
Самым сконцентрированным местом газификации в мире являются три завода в Южной Африке фирмы Sasol, которые составляли в начале 2000г. более чем 31% общей мировой мощности газификации. По методу Фишера-Тропша эти заводы производят из угля бензин, газойль и парафины, в общей сложности около 5 млн. т. в год жидких углеводородов.
Мировым лидером по промышленному использованию биомассы для получения электроэнергии в промышленных масштабах является Индия. В стране разработана и последовательно реализуется программа энергетического использования биомассы (древесные отходы, сельхозотходы, багасса от сахарных заводов и т.д.), имеющая целью довести до уровня 19500 МВт - общую электрическую мощность электростанций и ТЭЦ. По состоянию на 30.06.2003 в Индии было введены в действие коммерческие с присоединением к сети электростанции на биомассе общей электрической мощностью 180,2 МВт, в том числе с использованием газогенераторов -55,1 МВт (всего 1817 единиц газогенераторных установок мощностью от 5 до 500 кВт) и ТЭЦ на биомассе с использованием паровых котлов и турбин - 303,7 МВт. В стадии реализации по состоянию на 31.03.2003 находилось электростанций на биомассе общей мощностью 240,65 МВт и ТЭЦ - 323,1 МВт. На 2005-06 гг план по вводу мощностей составлял: электростанций и ТЭЦ на биомассе общей мощностью 160,0 МВт, в том числе с использованием газогенераторов - 10,0 МВт.
В России, Беларуси и Украине созданы первые опытные образцы малых газификаторов работающих на древесине, автошинах, биомассе, торфе, угле.
В настоящее время можно констатировать развитие отечественного производства относительно дешевых газогенераторов малой мощности (от 0.1 до 30МВт) для нужд энергетики. Широкое распространение газогенераторных электростанций и ТЭЦ, работающих на различных видах топлива (уголь, торф, биомасса, твердые бытовые отходы, отходы пласмасс и т.д.). Газогенераторы для получения жидкого пиролизного топлива. Газогенераторы - источник синтез-газа для высокотемпературных топливных ячеек и двигателей Стерлинга. Газогенераторы, как источник водорода для топливных элементов и водородных двигателей.
В центральной и южной Якутии имеется много древесных отходов лесодобывающих и перерабатывающих предприятий, а также в республике много перестоявшего и некондиционного леса разных пород (сгоревшие массивы, съеденные шелкопрядом и начавшие сгнивать), который необходимо вырубить и посадить новый лес. Таким образом, древесина является возобновляемым источником и цена ее составляет 350 ру б/кубометр.
