Материалы

09 Июня 2021

Проблемы энергоснабжения арктических регионов

Змиева К.А.
Главный редактор журнала «Российская Арктика»
к.т.н.
kirazmieva@mail.ru

Сегодня Арктика характеризуется, с одной стороны, огромным объемом разведанных запасов углеводородов (основных источников электроэнергии в мире), а с другой – серьезными проблемами с электроснабжением региона. Самые северные районы России не включены в систему централизованного электроснабжения (по высоковольтным линиям электропередач) и традиционно снабжаются электроэнергией от устаревших дизельных электрогенераторов и небольших угольных станций (рис. 1).

Топливо поставляется в Арктику в рамках так называемого «северного завоза», и в связи с высокой удаленностью регионов севера, ограниченными летним периодом сроками доставки и устареванием существующих дизель-генераторов стоимость электроэнергии на них получается очень высокой. Кроме того, в связи с частыми перебоями в поставках, местное население вынуждено обеспечивать запасы дизельного топлива в среднем на 1,5-2 года. Дизельные электростанции имеют низкий КПД и очень высокую себестоимость производства электроэнергии, которая доходит до 80-120 рублей за КВт/час.


Рис. 1. Схема электроснабжения РФ

Включение арктических и прочих отдаленных малонаселенных территорий страны в систему централизованного энергоснабжения еще несколько десятков лет назад было признано неэффективным и слишком дорогостоящим проектом. В то же время высокая себестоимость производства электроэнергии влечет за собой необходимость бюджетных субсидий для сдерживания тарифов для населения (покрытие разницы между тарифом для населения и необходимой валовой выручки). Общий объем государственных субсидий исчисляется сотнями миллиардов рублей, а совокупный объем затрат на энергоснабжение всех потребителей 15 регионов Крайнего Севера сегодня равен 1,7 трлн руб.

Дефицит электроэнергии и ее высокая стоимость сильнейшим образом сдерживают темпы развития Арктического региона и делают его менее комфортным и привлекательным для населения.

Регионы Крайнего Севера и Арктики особенно нуждаются во внедрении инновационных энергоэффективных решений, а также современных автономных электростанций, использующих гораздо более дешевые возобновляемые источники энергии. Именно здесь, в этих регионах, введение технологий альтернативной возобновляемой энергетики должно не только окупаться, но и, в значительной степени, сократить бюджетные расходы на субсидирование энергопотребления. И потенциал такой модернизации лежит как раз в существующих на сегодняшний день высоких бюджетных затратах на энергоснабжение арктических регионов.

Доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в производстве европейской электроэнергии достигла рекордных 34,6%. Солнечная и ветровая энергетика совместно выработали почти 18% электроэнергии (569 ТВт*ч), впервые обогнав уголь по выработке электроэнергии. Доля возобновляемых источников энергии в общем объеме потребления электроэнергии по странам ЕС приведена на рис. 2. Из рисунка видно, что многие страны уже достигли поставленной на 2020 год цели, хотя год еще далеко не завершен.

Половина угольной генерации была заменена ветровой и солнечной энергией, а половина – природным газом. Доля ветровой и солнечной генерации выросла благодаря установке новых мощностей, а рост газовой генерации обусловлен более высокими ценами на CO2 и низкими ценами на газ, что повысило конкурентоспособность газовых электростанций по сравнению с угольными. Отметим, что в 2019 газовая генерация по объёмам выработки была на 8% ниже рекордного уровня 2010 года.

При этом не только Евросоюз демонстрирует высокий интерес к возобновляемым источникам энергии. По данным Bloomberg New Energy Finance тенденция повышения доли инвестиций в различного рода альтернативную энергетику наблюдается по всему миру.


Рис. 2. Доля возобновляемых источников энергии в общем объеме потребления электроэнергии в ЕС: показатели на 2004г., 2015 г. и 2020г. (план и текущее значение)

Возобновляемые источники энергии для Арктики

Возможности для развития ВИЭ в Арктике диктует сама природа. Так, в самых северных широтах есть потенциал для развития ветровой энергетики, а в ряде восточных приарктических регионов (например, в Якутии) – солнечной. Ресурс ВИЭ в арктическом регионе значительный и его реализация позволит уже в ближайшее время обеспечить 40-50% замену дизельного топлива, а в дальнейшем и больший объем.

В настоящее время состояние технологий возобновляемой энергетики в России характеризуется их слабой развитостью, в особенности, регионах Крайнего Севера и Арктики. Однако значимость ВИЭ в Арктике возрастает именно в настоящее время, и, как уже было сказано выше, связано с высокой себестоимостью традиционных источников энергии, а также необходимостью снижения нагрузки на окружающую среду – одним из важнейших мировых трендов современности. Для роста числа проектов в сфере возобновляемой энергетики в Арктической зоне Российской Федерации необходимы эффективная нормативно-правовая база, благоприятный инвестиционный и налоговый климат, а также высокий уровень государственной поддержки.

Общей особенностью климата северных регионов является продолжительная зима (до 300 дней в году) с морозами, достигающими -35-50°С. В короткий (около 3 месяцев) летний период температура только иногда поднимается до+20°С. Устойчивые и сильные ветра наблюдаются здесь в большей степени зимой, а также в переходный период (весна и осень). А значит в северных регионах высок потенциал развития ветроэнергетики.

Существует два основных направления развития ветроэнергетики в условиях Крайнего Севера:

1)      Использование малых ветроэнергетических установок (ВЭУ) для децентрализованных потребителей энергии, как отдельно, так и в составе гибридных энергоустановок (совместно с солнечными батареями и дизельными генераторами).

2)      Применение ВЭУ в составе действующей развитой электросети. Большой опыт в данном вопросе накопили США и ЕС. По данным Deloitte Center for Energy Solutions (США), если ранее не удавалось обеспечить стабильность работы общей энергосистемы с применением ВЭУ, то сегодня все проблемы решены и рост доли солнечно-ветровой энергии сопровождается ростом надежности и устойчивости энергосистем.

Можно подумать, что использование фотоэлементов (солнечной энергии) в Арктическом регионе нереалистично, но, на самом деле, это не так. Необходимо учитывать существование в Арктике эффекта альбедо (или коэффициента диффузного отражения, который у белого снега на порядок выше, чем у темных поверхностей), а также тот факт, что в холодном климате увеличивается потенциал производства солнечной энергии. Известно, что чем ниже окружающая температура, тем эффективнее становятся солнечные фотоэлементы (эффективность увеличивается на 0,5% °C). Так, при 0°C КПД фотоэлемента на 10% выше, чем при 20°C. Однако в Полярную ночь (зимой) потенциал солнечной энергетики в арктическом регионе резко падает. Таким образом, энергетическая система Арктики, конечно, не может полностью зависеть от солнечной энергетики. Для наибольшей эффективности необходимо рассматривать гибридные системы (сочетание возобновляемых и традиционных источников энергии), о чем уже говорилось выше.

В настоящее время в арктической зоне строительство электростанций на основе возобновляемых источников энергии ведется точечно, во многих случаях в формате некоего эксперимента, и  в настоящий момент не обеспечивает и доли потребностей арктических регионов в электроэнергии. Несмотря на огромный потенциал возобновляемых источников энергии в Арктике, реализованных проектов все еще очень мало. По официальным данным суммарные установленные мощности всех ветряных и солнечных электростанций Крайнего Севера не превышают 7-8 МВт, т.е. не сможет обеспечить электроэнергией даже одно из 1000 поселений с населением более 1 тыс. чел. Тем не менее, описанный выше положительный опыт стран ЕС, США и Японии говорит о том, что инвестирование в развитие ВИЭ является эффективным, а само развитие возобновляемой энергетики в Арктике приведет к экономическому росту региона, повышению привлекательности его для населения и снижению негативного воздействия на окружающую природную среду.