CC BY
187
ОТРАСЛИ И МЕЖОТРАСЛЕВЫЕ КОМПЛЕКСЫ
А.С. Некрасов, Ю.В. Синяк, С.А. Воронина ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ РОССИИ1
В статье рассмотрены основные факторы, влияющие на потребление тепловой энергии в системах централизованного теплоснабжения в долгосрочной перспективе. Потребление тепловой энергии населением на нужды отопления и горячего водоснабжения будет оставаться наиболее значимой компонентой спроса. На базе анализа перспективного развития жилищного строительства и качества жилых зданий оценены возможные объемы потребления тепла и теплосбережения в жилищном фонде городов. Показано, что для снижения аварийности и тепловых потерь в тепловых сетях необходимо кратно увеличить годовые вводы новых сетей. Рассмотрено несколько сценариев развития систем централизованного теплоснабжения в рамках долгосрочных прогнозов развития ТЭК страны до 2030 г. Показано, что при усилении ограничений на выбросы углекислого газа в системах централизованного теплоснабжения может произойти существенное изменение структуры производства тепла.
Неблагоприятное состояние теплоснабжения России, достигшее критических рубежей, продолжает сохраняться [1]2. В то же время с появлением Федерального Закона о теплоснабжении [2] можно ожидать позитивных сдвигов в этом сложном сегменте российского топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Важным звеном в определении направлений этих сдвигов является разработка сценариев развития систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) - основного способа обеспечения страны теплом - адекватных возможным курсам роста экономики России.
Одновариантный прогноз теплоснабжения страны на длительную перспективу, например, разработанный в рамках Энергетической стратегии России на период до 2030 года [3], представляется явно недостаточным для обоснования объемов производства теплоэнергии и спроса на нее, а также необходимых инвестиций в развитие теплоснабжения в условиях постоянно возникающих новых задач и ограничений, которые невозможно предусмотреть заранее. Содержательный подход состоит в разработке вариантов сценариев возможного развития экономики и энергетики в долгосрочной перспективе. Полученные на их основе результаты сценарных прогнозов будут огибающими границами пространства, в пределах которого могут находиться действительные значения прогнозируемых параметров развития СЦТ страны. Такие оценки являются более обоснованными и надежными, чем одновариантное представление возможной динамики развития теплоснабжения.
В настоящей статье представлены результаты моделирования перспектив развития СЦТ России. Отправной базой этих исследований послужили модельноаналитические разработки Института народнохозяйственного прогнозирования РАН по долгосрочному прогнозированию развития экономики и ТЭК России до 2030 г. и в последующие годы.
Возможное экономическое развитие России представлено двумя альтернативными сценариями.
1 Статья подготовлена при финансовой поддержке Российского гуманитарного научного фонда (проект № 08-02-00431 а).
2 Статья вторая. Первую см.: Проблемы прогнозирования. 2011. № 1.
Сценарий 1 характеризуется относительно слабой экономической динамикой3 и предполагает продолжение в перспективе текущей экономической ситуации. В то же время в нем были учтены изменения в экономике, возникшие во второй половине 2008 г. в связи с глобальным экономическим кризисом. Это привело к значительному снижению величин прогнозных показателей. Ожидается, что ВВП страны к 2030 г. возрастет в 3,0-3,1 раза по сравнению с 2000 г. (среднегодовой темп прироста ВВП за период равен 3,7-3,8%).
Сценарий 2, напротив, характеризуется сильной экономической динамикой4 и предполагает проведение активной инвестиционной политики, направленной на перестройку производственной структуры экономики и широкое внедрение инновационных технологий. В нем также учтено определенное снижение темпов экономического роста в период 2008-2012 гг. Согласно этому сценарию, ожидаемый рост ВВП к 2030 г. должен быть в 4,4-4,5 раза выше по сравнению с 2000 г. (среднегодовой темп прироста ВВП за период равен 5-5,1%). В сценарии 2 должно происходить интенсивное изменение структуры национальной экономики, в результате которого сократится доля энергоемких отраслей и увеличится доля малоэнергоемких производств и сектора услуг. Это будет сдерживать темпы роста энерго- и теплопотребления.
Эффект энергосбережения в обоих сценариях увязан с темпами экономического роста. Ожидается, что при темпах экономического развития, принятых в сценарии 1, перестройка структуры экономики будет идти медленнее, а усилия по энергосбережению за счет использования новых технологий будут менее интенсивными, чем в сценарии 2. Предполагается, что долговременные высокие темпы роста экономики возможны только при ускоренном изменении структуры производства за счет опережающего развития малоэнергоемких отраслей. Это даст больше возможностей для энергосбережения.
В обоих сценариях приняты одинаковые темпы изменения численности населения страны в соответствии с прогнозами, приведенными в [5]. Согласно имеющимся «умеренным» прогнозам, население РФ будет систематически сокращаться и к 2020 г. достигнет 134-135 млн. чел. Предполагаем, что после 2020 г. численность населения России к 2030 г. возрастет до 140 млн. чел. При этом доля населения, проживающего в европейской части страны, несколько уменьшится, а в восточных регионах - увеличится. Одновременно будет происходить медленное сокращение доли населения крупных городов и малых населенных пунктов за счет роста средних по численности городов.
Прогнозы теплоснабжения страны на длительную перспективу были выполнены по трем укрупненным макрорегионам РФ: Европейской части, Уралу и Западной Сибири, Восточной Сибири и Дальнему Востоку.
Как показывают расчеты, приведенные ниже, выбросы углекислого газа в сценарии 1 до 2030 г. не выйдут за пределы, установленные для России Киотским протоколом. При таких темпах экономического развития в России не возникает необходимости введения дополнительных ограничений на выбросы СО2. Но в сценарии 2 уже после 2020 г. потребуется вводить специальные ограничения в структуре источников энергии для сохранения объемов выбросов СО2, отвечающих требованиям Киотского протокола. Существенно более жесткие рамки для развития ТЭК и СЦТ
3 В связи с новыми экономическими условиями, возникшими в результате мирового кризиса, в ИНП РАН проводится переоценка ранее разработанных сценариев социально-экономического развития России до 2030 г. Пока подготовлен вариант сценария с относительно слабыми темпами экономического роста. В настоящем исследовании это сценарий 1.
4 В сценарий 2 внесены коррективы, вызванные финансово-экономическим кризисом 2009-2010 гг. Это привело к сокращению ожидаемых темпов роста и структурных преобразований в экономике в пер-иод до 2020 г. В остальном сценарий 2 пока остался без изменений. Подробно сценарии развития ТЭК России до 2030 г. были рассмотрены в [4].
возникнут, если мировым сообществом будут приняты требования, сформулированные в так называемом Сценарии 450, разработанном Международным энергетическим агентством (МЭА) [6 и др.]. Это в еще большей степени повлияет на структуру и экономику топливной базы источников тепла, используемых в СЦТ России.
Спрос на тепловую энергию будет формироваться в условиях примерно стабильной численности постоянного населения страны при росте плотности застройки существующих городских поселений, повышении тепловой экономичности жилых и общественных зданий и сохранении сложившейся конфигурации трасс тепловых сетей. Это означает, что энергетическая и экономическая эффективности реконструкции и дальнейшего развития теплоснабжения России могут и должны быть реально оценены только на основе комплексного анализа всех составляющих компонентов СЦТ и возможных альтернативных вариантов теплоснабжения от источников тепла и до конечных потребителей. Классические схемы сравнения вариантов тепло- и электроснабжения от ТЭЦ вместо варианта подачи тепла от котельных и электроэнергии от конденсационных электростанций, рассматриваемые, как правило, при проектировании и сооружении новых СЦТ, уже не отвечают реальным условиям современного и перспективного теплоснабжения даже на уровне раннего (схематического) рассмотрения проблемы. Целостная постановка такой сложной задачи, учитывающей новые условия развития СЦТ, еще подлежит разработке5.
Неблагополучное состояние СЦТ страны, их высокая аварийность, несоразмерно высокие потери тепла, технико-техноло-гическая отсталость используемого оборудования, недостаток инвестиционных средств делают необходимым проведение тщательного анализа возможного реального спроса на тепловую энергию в перспективе со стороны основных потребителей, в первую очередь населения, социального и коммунально-бытового секторов, где потребляется около половины всего тепла [7].
Оценка спроса на тепло в жилом секторе. По нашим оценкам [1], отпуск тепловой энергии от СЦТ в целом по России в первом десятилетии XXI в. составлял в среднем 1410 млн. Гкал в год. Из них на долю населения и общественного сектора приходилось 47,9% (в том числе население -38,3%, общественный сектор - 9,6%). Потребление тепла населением в свою очередь складывается из использования тепла на нужды отопления (почти 70%) и горячего водоснабжения (ГВС) (30%). При этом в городском жилищном фонде, обеспечиваемом в основном СЦТ, в 2000 г. отапливалось 1779,1 млн. кв. м общей площади со средним расходом тепла около 0,210 Гкал/кв. м в год. Для сравнения: в Финляндии - стране достаточно близкой к России по климатическим условиям - удельный расход тепла на отопление жилых помещений составил менее 0,13 Гкал/кв. м в год, сократившись за предшествующие 35 лет на 40% [8]. На ГВС в России расходовалось около 1,7 Гкал/чел. в год (оценка выполнена исходя из расчета среднего расхода горячей воды 115-120 л/сут./чел. при температуре 55оС).
В существующем российском жилищном фонде значительную долю составляют дома из сборного железобетона, являющиеся самыми энергорасточительными сооружениями. При этом фактические теплопотери в таких домах из-за низкого качества строительства и эксплуатации на 20-30% выше проектных. В результате удельное (в расчете на одного жителя) теплопотребление превышает установленные нормативы расхода тепла за рубежом в 2-3 раза с учетом приведения оценок к одинаковым климатическим условиям. При этом состояние зданий, построенных до 1970 г., составляющих основную часть жилищного фонда, продолжает ухудшаться.
5 В настоящей статье авторы затрагивают только часть таких вопросов, для решения которых необходима более развернутая постановка и более полная информация, чем содержится сегодня в справочной и научно-методической литературе.
Сегодня доступен широкий круг энергосберегающих мероприятий, которые позволяют увеличить эффективность использования тепловой энергии в существующих жилых и общественных зданиях и в новом жилищном строительстве. Эта сфера является одним из основных компонент энергосберегающего потенциала страны. Комплекс мероприятий по теплосбережению в новых зданиях может вполне обеспечить сокращение расходов тепла на отопление и ГВС не менее чем на 3035% за 10-летний период6, что позволит к середине XXI в. выйти на нормативы тепловых потерь в новых зданиях на 80-90% ниже, чем в настоящее время.
Анализ возможностей энергосбережения в зданиях показывает, что от масштабов использования существующего потенциала теплосбережения будет прямо зависеть перспективная потребность в тепловой энергии. Поэтому оценка спроса населения на тепловую энергию для отопления и ГВС с учетом развития жилищного строительства и экономии тепловой энергии в конструкциях зданий и СЦТ является обязательной составляющей прогноза.
Был экспертно оценен рост численности населения по трем макрорегионам в разрезе трех типов городских поселений: крупные города (население более 100 тыс. чел.,), где теплоснабжение осуществляется преимущественно от СЦТ; средние города (от 10 до 100 тыс. чел.), где доля централизованного теплоснабжения, как правило, будет расти; малые города, ориентированные в основном на децентрализованные источники теплоснабжения. Расчет необходимого жилищного фонда основывался на демографических прогнозах и вариантах развития жилищного строительства.
Динамика народонаселения в региональном разрезе показана на рис. 1. Ожидается незначительный рост городского населения, особенно в крупных городах (рис. 2)7. Этот фактор может играть положительную роль в развитии СЦТ.
Млн. чел.
160
140 -
120 -
100 -80 -60 40 20
0
2000 2010 2020 2030 2040 ‘
Рис. 1. Прогноз численности населения России в целом и по макрорегионам:
□ Европейская часть; ^ Урал и Западная Сибирь;
■ Восточная Сибирь и Дальний Восток
Прогнозы развития жилищного строительства основаны на гипотезах роста средней обеспеченности городского населения страны к 2030 г. общей площадью жилых помещений от 25,5 кв. м/чел. (сценарий 1) до 27 кв. м/чел. (сценарий 2) по сравнению с 18,9 кв. м/чел. в 2000 г. и 22,3 кв. м/чел. в 2010 г. Предполагается, что к 2030 г. все городское население страны будет иметь ГВС. В расчетах принято допущение, что в жилищном фонде, обслуживаемом СЦТ, около 70% общей жилой площади приходится на «старые» дома, построенные до 1970 г., и 30% - на дома, построенные в период
6 См. например, оценки, приведенные в программе энергосбережения до 2020 г. по г. Москве [9].
7 Демографические прогнозы и характер расселения приняты для обоих сценариев одинаковыми.
1971-2000 гг. («новые» дома). Предполагается, что выбытие существующего жилищного фонда будет нарастать до конца расчетного периода (2030 г.).
Млн. чел.
160 -|
140 -120 -100 -80 -60 40 20 0
Рис. 2. Прогноз распределения населения по типам населенных пунктов:
□ крупные города; о средние города; ■ малые населенные пункты
На рис. 3 показаны прогнозные значения удельной обеспеченности городского населения общей жилой площадью, принятые в обоих сценариях. В соответствии с ними вся общая жилая площадь в стране должна к 2030 г. возрасти до 3620-3820 млн. кв. м по сравнению с 2786 млн. кв. м в 2000 г. (рис. 4).
Год
10
2010
2020
2030
Рис. 3. Прогноз удельной обеспеченности городского населения общей жилой площадью:
—♦— сценарий 1; —□— сценарий 2
При этом площадь жилья в городах к 2030 г. должна составить 2725-2895 млн. кв. м. Предполагается, что к этому времени 92-94% общей жилой площади в городах будет подключено к СЦТ. Общая жилая площадь в малых населенных пунктах возрастет с 768 млн. кв. м в 2000 г. до 895-925 млн. кв. м.5
Ожидается, что будет происходить систематическое повышение качества жилья в городах, в том числе за счет увеличения доли городских жилищ, оснащенных системами централизованного отопления и ГВС. Прогнозы этой тенденции в макрорегионах показаны на рис. 5.
8 Состояние жилищного фонда для базового 2000 г. принято по [10].
Млрд. кв. м
4,5 -|
4,0 -
Год
Рис. 4. Прогноз развития жилищного фонда по типам населенных пунктов (в скобках указаны сценарии):
□ крупные города; ц средние города; щ малые населенные пункты
%
95
90 -
85 -
80 -75 -
70% —
2000 2010 2020 2030 “
Рис. 5. Прогноз обеспеченности жилищного фонда городов системами централизованного отопления и ГВС:
—♦— Европейская часть; — □— Урал и Западная Сибирь;
—Л— Восточная Сибирь и Дальний Восток
Для расчета потребности во вводе новых квартир были приняты одинаковые для обоих сценариев оценки выбытия старого жилья по десятилетним периодам (%/год):
Дома постройки 2000-2010 гг. 2011-2020 гг. 2021-2030 гг.
до 1970 г. 2,0 2,5 3,0
1971-2000 гг. 1,0 2,0 2,5
При таких темпах выбытия старого жилищного фонда рост обеспеченности городских жилищ СЦТ должен соответствовать уровням, указанным на рис. 5, а необходимые ежегодные вводы нового жилья должны быть не меньше, чем указанные на рис. 6. В результате к 2030 г. вводы нового жилья в стране должны составлять не менее 60-70 млн. кв. м в год, т.е. более чем удвоиться по сравнению с 2005 г.
Млн. кв. м/год
2005 2010 2020 2030
Рис. 6. Прогноз вводов площади новых квартир по рассматриваемым сценариям:
—♦— сценарий 1; —□— сценарий 2
Соответственно будет меняться структура жилищного фонда (рис. 7): к 2030 г. доля жилищного фонда в домах, построенных до 2000 г., составит 37-39%9 всей жилой площади в городах, а остальной жилищный фонд будет относиться к домам с улучшенными теплотехническими характеристиками.
Млн. кв. м Млн. кв. м
а) сценарий 1 б) сценарий 2
Рис. 7. Прогноз структуры городского жилого фонда по времени постройки:
□ до 1970 г.; Ш 1970-2000 гг.;
ЕЭ 2001-2010 гг.; □ 2011-2020; И 2021-2030 гг.;
■ реконструкции старого жилья
Поскольку до настоящего времени остаются неясными годовые темпы изменения теплотехнических характеристик нового жилищного строительства, то расчеты были выполнены для трех вариантов динамики снижения нормативов расхода тепла на отопление жилых зданий за 10 лет: вариант 1 - на 20% (низкий); вариант 2 -на 30% (умеренный, принятый как наиболее вероятный); вариант 3 - на 40% (интенсивный). Эти варианты, показанные на рис. 8а, предусматривают снижение те-плопотерь в новых зданиях к 2030 г. до 0,15 Гкал/кв. м при низких темпах сокращения теплопотерь, 0,1 Гкал/кв. м - при умеренных темпах и 0,06 Гкал/кв. м - при интенсивном сокращении по сравнению с 0,29 Гкал/кв. м в зданиях, сооруженных в период 1971-2000 гг.
9Большая величина соответствует сценарию 1.
Гкал/кв.
Гкал/кв. ]
2000 2010 2020 2030
Год
2000
2010
2020
2030
а) для вновь вводимых зданий
б) усредненные по всему жилищному фонду
Рис. 8. Варианты удельных расходов тепла на отопление, принятые в расчетах: —♦— при 20%/10 лет; —■— при 30%/10 лет; —д— при 40%/10 лет
м
0.15 -
0.10
Соответственно усредненные тепловые характеристики жилищного фонда страны будут соответствовать траекториям, показанным на рис. 8б. Расчеты были сделаны при предположении, что в жилищном фонде постройки 1970-2000 гг. будет проводиться реконструкция темпом роста объема реконструируемых зданий 5% в год10. После реконструкции зданий теплопотери снижаются на 40-50% по сравнению с существующими характеристиками для старых зданий [11].
Расход горячей воды на нужды ГВС к 2030 г. будет снижаться со 110 л/чел./сут. до 80 л/чел./сут. (при температуре около 55оС), т.е. от 1,62 Гкал/чел./год до 1,15 Гкал/чел./год, или на 30% (рис. 9)11.
Л/чел./сут. Гкал/чел./год
В результате были получены прогнозные оценки спроса на тепло от СЦТ в жилом секторе. На рис. 10 они приведены для случая снижения нормативов теплопо-требления новых зданий темпом 30% за десять лет. Это позволит удержать спрос на тепло от СЦТ в жилом секторе на уровне 550-555 млн. Гкал в год к 2012 г. с последующим его сокращением до 510-540 млн. Гкал к 2030 г. в зависимости от рассматриваемого сценария по сравнению с 529,3 млн. Гкал в 2000 г. При этом доля расходов на ГВС будет снижаться с 30% в начале периода до 22-23% к 2030 г.
10 К сожалению, приходится пользоваться лишь экспертными оценками, так как данных о темпах реконструкции жилищного фонда в целом по стране найти не удалось.
1 Следует обратить внимание, что норматив расхода воды на горячее водоснабжение в середине XX в. составлял около 1 Гкал/чел./год [12].
Рис. 10. Прогноз потребления тепла от СЦТ при снижении норматива теплопотребления новых зданий на 30% за десять лет (в скобках указаны сценарии):
■ ГВС; 0 отопление
На рис. 11 даны оценки ожидаемого теплосбережения в жилищном фонде в период 2000-2030 гг. Суммарно за 30 лет величина экономии тепла может составить от 210 до 225 млн. Гкал, в том числе за счет экономии в горячем водоснабжении около 50-55 млн. Гкал и в отоплении 160-170 млн. Гкал. Теплопотребление общественного сектора оценено приблизительно в долях от расходов тепла в жилом секторе. Предполагается, что эта доля будет систематически возрастать к 2030 г. с 16,1% в 2000 г. до 23% в сценарии 1 и 25% в сценарии 2.
Рис. 11. Оценка величины кумулятивного теплосбережения в жилищном фонде страны в период после 2000 г. при снижении норматива теплопотерь новых зданий на 30% за десять лет (в скобках указаны сценарии):
■ ГВС; 0 отопление
Оценка аварийности и теплопотерь в тепловых сетях. Другой важной компонентой прогнозирования спроса на тепловую энергию является оценка потерь тепла в СЦТ при его транспорте и распределении. Потери в тепловых сетях по данным [3] достигли 24,2% тепла, поступившего в СЦТ (по официальным статистическим данным эти потери в 2008 г. составили 7% [13]). Величина потерь зависит от техникотехнологического состояния СЦТ и организации взаимоотношений между поставщиками и получателями тепла.
Изучение проблем транспорта тепла показало, что решающее значение имеют три основных фактора: возрастная структура тепловыгх сетей, которая в значительной мере определяет аварийность системы теплоснабжения и связанные с этим утечки теплоносителя; потери тепла через изоляцию трубопроводов; качество
строительно-монтажных работ при прокладке тепловых сетей. В этой связи
возникает многофакторная задача моделирования динамики надежной службы тепловых сетей и сопутствующего ей сокращения тепловых потерь при развитии СЦТ России в период до 2030 г.
В основу модели был положен принцип достижения заданных целевых установок в течение рассматриваемого срока прогнозирования. Это могут быть, например, задания по снижению аварийности в сетях, сокращению тепловых потерь, лимитам на инвестиционные ресурсы и т.п. В процессе моделирования пользователь самостоятельно разрабатывает стратегию реконструкции тепловой сети, которая может обеспечить достиже-
12
ние принятых целевых установок по одному или нескольким параметрам :
Протяженность тепловых сетей и их структура по диаметрам труб были оценены по данным о протяженности тепловых сетей, используемых для обеспечения теплом населения и коммунально-бытовых потребителей, приводимым в статистической отчетности [14]. Эти сети составляют примерно 85-90% полной протяженности всех тепловых сетей в стране.
Протяженность тепловых сетей определяется, исходя из прогнозных оценок конечного потребления тепловой энергии на нужды отопления и ГВС с учетом потерь в сетях, зависящих от эффективности реконструкции сетей, в первую очередь от снижения аварийности. Для этого введен условный показатель удельного спроса на тепловые сети в расчете на 1 млн. Гкал потребленного тепла. Он был рассчитан методом скользящих средних оценок по четырехлетним периодам в течение 2000-2030 гг. В результате была получена оценка необходимой в перспективе общей протяженности тепловых сетей в стране.
Для прогнозных оценок структуры тепловых сетей по диаметрам труб были определены доли для каждого из диаметров в общей протяженности сети по скользящим средним значениям по четырехлетним периодам.
Возрастная структура тепловых сетей была представлена в виде четырех групп:
- ветхие сети (со сроком службы более 25 лет, т.е. свыше срока их нормальной эксплуатации),
- старые сети, требующие замены (со сроком службы от 20 до 25 лет),
- сети нормальной эксплуатации (со сроком службы от 10 до 20 лет),
- новые сети (со сроком службы до 10 лет). Для каждой из этих групп сетей последовательно рассчитывались: 1) протяженность сетей по группам на начало года; 2) переходы более молодых по возрасту сетей из-за старения соответствующей части сетей данной группы в последующую по возрасту; 3) необходимый объем
13
ввода новых сетей для замены сетей в каждой группе .
В результате таких расчетов были получены оценки ожидаемой протяженности групп сетей на конец каждого года, которые на следующем шаге используются как оценки на начало последующего года. Суммирование протяженностей вводов новых сетей по всем группам позволяет определить необходимые объемы вводов, обеспечивающие достижение заданных целевых установок к концу периода или к отдельным временным срокам.
Аварийность тепловых сетей, приводимая в статистической отчетности [14], содержит информацию только в целом по СЦТ. Однако совершенно очевидно, что аварий-
12 Из-за отсутствия в литературе по теплоснабжению ряда данных, характеризующих состояние тепловых сетей, на начальном этапе использовались примерные экспертные оценки и допущения, разработка которых является самостоятельной задачей.
13 Это управляющий параметр, с помощью которого отслеживается динамика целевых установок: если она удовлетворительна с точки зрения принимающего решения, то переходят к расчетам для следующего года; если нет, то делаются корректировки по вводу новых сетей и расчет повторяется снова.
ность ветхих сетей несравненно выше, чем недавно введенных сетей. Дифференциация аварийности по группам сетей является важнейшим параметром для оценки надежности систем теплоснабжения. Поскольку этих данных крайне мало, то приходится использовать экспертные оценки и допущения относительно распределения аварийности тепловых сетей для базового расчетного года (в данном случае 2005 г.): ветхие сети - 80% всех аварий; старые сети, требующие замены - 15%; остальные сети - 5%.
В соответствии с этим приближенным распределением аварийности тепловых сетей были оценены удельные аварийности тепловых сетей на 1 км трассы для условий 2005 г. Они составили: для ветхих сетей - 0,64 случая в год на 1 км; для старых сетей, требующих замены - 0,18; для остальных сетей - 0,01.
В дальнейших расчетах эти величины приняты условно постоянными для рассматриваемых групп тепловых сетей в течение всего периода прогнозирования. Они позволили оценить динамику аварийности тепловых сетей в СЦТ на основе прогнозов протяженности каждой группы сетей. Суммирование величин аварийности всех групп позволяет получить ожидаемую обобщенную аварийность сети в рассматриваемый момент времени.
Тепловые потери в сетях оценивались следующим образом. Во-первых, за долю тепловых потерь базового года (2005 г.) была условно принята величина тепловых потерь в сетях на уровне 20%14; во-вторых, принято, что тепловые потери в сетях состоят из двух составляющих: минимальнодопустимых потерь, соответствующих современным требованиям к проектированию, исполнению и эксплуатации тепловых сетей, и дополнительных потерь, которые возникают в связи с различными отклонениями от минимальнодопустимого уровня из-за плохой теплоизоляции и износа тепловых сетей.
По данным зарубежных источников, «минимальнодопустимые потери» в нормально работающих сетях составляют не более 6-8%15. Эта величина была условно принята как нижняя граница тепловых потерь в сетях для всего периода прогнозирования16. Тогда остальные потери могут быть отнесены к «дополнительным» потерям. Для условий базового 2005 г. тепловые потери в сетях складываются из «минимально-допустимых» потерь (6%) и «дополнительных» потерь (14%).
Полагая, что все «дополнительные» потери так или иначе связаны с аварийностью сетей, можно оценить удельную величину тепловых потерь в расчете на 1 тыс. аварий (млн. Гкал/тыс. аварий). Эта величина в расчетах условно принята постоянной для всего периода прогнозирования17. Зная величину отпуска тепла в сеть и ее аварийность, можно оценить ожидаемую величину тепловых потерь в сети.
Затраты на реконструкцию тепловых сетей, прежде всего, связаны с размером вводов новых сетей трубопроводов разных диаметров, так как удельные затраты на реконструкцию сетей существенно зависят от диаметра трубы. В первом приближении затраты можно оценить по структуре тепловых сетей по диаметрам. В расчетах стоимость прокладки тепловых сетей принята по данным [18, 19]18.
Диаметр трубы, мм Тыс. долл./км сети в двухтрубном исполнении:
до 200 100
200-400 200
400-600 2200
более 600 6000
14 Величина теплопотерь в тепловых сетях принята по данным [15]. Эта же величина приводится в ряде других публикаций. Как показано в [16], значение этой величины колеблется от 10ч32% и более.
1 Оценено по данным [17].
16 Применение более эффективных изоляционных материалов, усовершенствование способов прокладки сетей, лучшая организация работ будут способствовать уменьшению величины «минимальнодопустимых» потерь.
17 Это грубое приближение. Оно подлежит уточнению в дальнейшем, так как утечки теплоносителя и другие «дополнительные» потери зависят не только от числа аварий на тепловой сети, но и от продолжительности аварии. Применение эффективных методов контроля сети и организации работ по ликвидации аварий, несомненно, приведут к сокращению удельной величины тепловых потерь.
18 Приводимые значения даны без учета удорожания при перекладке тепловых сетей в городских условиях.
Прогнозные оценки состояния тепловых сетей России на перспективу до 2030 г. были выполнены для трех вариантов стратегии реконструкции сетевого хозяйства: Вариант А - ежегодные вводы новых тепловых сетей на протяжении всего прогнозного периода неизменны и сохраняются на уровне, достигнутом к 2005 г.;
Вариант Б - новые вводы постоянно удерживают аварийность тепловых сетей на уровне, достигнутом в 2005 г.;
Вариант В - новые вводы тепловых сетей к 2030 г. обеспечивают снижение аварийности сетей в 4 раза.
На рис. 12 приведены оценки протяженности тепловых сетей. Следует ожидать, что к 2030 г. общая протяженность сетей в двухтрубном исчислении возрастет на 15-20 тыс. км и составит около 195 тыс. км по сравнению с 177 тыс. км в базовом 2005 г. Структура сетей по диаметрам трубопроводов будет медленно изменяться за счет увеличения протяженности трубопроводов диаметром до 200 мм, доля которых повысится с 75% в настоящее время до 80% и более к 2030 г.
Тыс. км
Рис. 12. Прогноз изменения протяженности тепловых сетей в СЦТ по диаметрам труб:
□ до 200 мм; 0 200-400 мм; □ 400-600 мм; ■ 600 мм и более
В начале периода (2005 г.) из общей протяженности тепловых сетей (177 тыс. км) на ветхие сети приходилось 27 тыс. км, старые сети, требующие замены, -18 тыс. км, нормальноэксплуатируемые и на новые сети - по 66 тыс. км. В соответствии с принятыми вариантами суммарный ввод новых тепловых сетей в варианте А составит
- около 6 тыс. км в год, в варианте Б - постепенно нарастать до 9 тыс. км в год, а в варианте В - после 2010 г. должен будет составлять не менее 10 тыс. км в год.
Динамика новых вводов тепловых сетей для рассматриваемых вариантов реконструкции дана в табл. 1. Здесь вводы разделены на две категории: прирост протяженности тепловых сетей и замена ветхих и старых сетей.
Разная динамика в рассматриваемых вариантах ввода новых тепловых сетей оказывает влияние на возрастную структуру сетей (табл. 2): сохранение постоянного уровня вводов в варианте А приводит к тому, что протяженность ветхих сетей возрастает с 27 тыс. км до 76 тыс. км к 2030 г., т.е. в 2,8 раза, а сетей, требующих замены, - с 18 тыс. км до 26 тыс. км, или более чем в 1,4 раза. Это означает, что доля высокоаварийных тепловых сетей возрастет с 25 почти до 48%.
Таблица 1
Прогноз необходимых ежегодных вводов новых тепловых сетей для выполнения принятых целевых установок по аварийности, тыс. км в год
Показатель 2005 г. 2010 г. 2015 г. 2020 г. 2030 г.
Вариант А, всего 5,9 6,3 4,9 5,4 5,4
замена 4,5 4,5 4,8 4,8 4,8
прирост сети 1,4 1,7 0,1 0,6 0,6
Вариант Б, всего 5,9 8,7 7,1 7,6 7,6
замена 4,5 7,0 7,0 7,0 7,0
прирост сети 1,4 1,7 0,1 0,6 0,6
Вариант В, всего 5,9 9,2 10,1 10,6 10,6
замена 4,5 7,5 10,0 10,0 10,0
прирост сети 1,4 1,7 0,1 0,6 0,6
Таблица 2
Прогноз возрастной структуры тепловых сетей по вариантам, тыс. км, %*
Показатель 2005 г. 2010 г. 2015 г. 2020 г. 2030 г.
Вариант А, всего ветхие сети старые сети нормальноэксплуа- 177 (100) 27(15) 18(10) 66 (37,5) 187 (100) 27 (14) 28(15) 66 (35) 188(100) 41 (22) 38 (20) 66 (35) 189(100) 52 (28) 32 (17) 66 (35) 195(100) 71 (36) 25(13) 55 (28)
тируемые сети новые сети Вариант Б, всего ветхие сети старые сети нормальноэксплуа- 66 (37,5) 177(100) 27(15) 18(10) 66 (37,5) 66 (36) 187 (100) 27 (14) 24(13) 66 (35) 43 (23) 188(100) 26 (14) 26 (14) 66 (35) 39 (20) 189(100) 26 (14) 26 (14) 68 (36) 44 (23) 195(100) 27 (14) 27 (14) 75 (38)
тируемые сети новые сети Вариант В, всего ветхие сети старые сети нормальноэксплуа- 66 (37,5) 177 (100) 27(15) 18(10) 66 (37,5) 70 (38) 187 (100) 22 (12) 26 (14) 66 (35) 70 (37) 188(100) 19 (10) 29(15) 66 (35) 69 (36) 189(100) 9 (5) 22 (12) 72 (38) 69 (34) 195(100) 1 (~0) 25(13) 86 (44)
тируемые сети новые сети 66 (37,5) 73 (39) 74 (40) 86 (45) 83 (43)
* В скобках указан процент.
При сохранении аварийности сетей на неизменном уровне (вариант Б) протяженность ветхих сетей к 2030 г. возрастает с 27 тыс. км до 32 тыс. км, а старых сетей - с 18 тыс. км до 27 тыс. км. Это означает, что доля сетей с высоким уровнем аварийности останется практически неизменной - около 25%.
В варианте В протяженность ветхих тепловых сетей будет, напротив, постоянно снижаться и составит 12 тыс. км к 2030 г. Это вдвое меньше, чем было в 2005 г. Однако одновременно до 27 тыс. км возрастает протяженность старых сетей, требующих замены. В итоге протяженность сетей повышенной аварийности сохранится примерно на уровне 2005 г., но при меньшей доле ветхих тепловых сетей.
В зависимости от принятой стратегии ввода новых тепловых сетей будет изменяться аварийность сетей (рис. 13).
При сохранении годовых объемов ввода новых тепловых сетей неизменными на протяжении всего периода прогнозирования (вариант А) произойдет практически удвоение аварийности тепловых сетей: с 12 до более 25 аварий на 100 км. В то же время в вариантах Б и В будут выдерживаться принятые целевые установки по аварийности тепловых сетей.
Число аварий/100 км
Рис. 13. Оценки динамики аварийности тепловых сетей по вариантам:
—♦— вариант А; —■— вариант Б; — Л— вариант В
Как следствие сокращения аварийности наблюдается снижение тепловых потерь в сетях. На рис. 14 показано изменение величины тепловых потерь в сетях: «минимальнодопустимые» потери во всех вариантах остаются неизменными на установленном уровне 6% объема поставок тепловой энергии, а «дополнительные» потери будут меняться в зависимости от качества изоляции и уровня аварийности тепловых сетей. При этом «дополнительные» потери в варианте А будут существенно возрастать, что приведет к общим потерям в 2030 г., равным около 36% по сравнению с 20% в 2005 г. В варианте Б общие тепловые потери сохраняются на неизменном уровне. В варианте В они сокращаются в 2 раза, в том числе «дополнительные» потери - в 3,5 раза.
Рис. 14. Оценка составляющих величины тепловых потерь по вариантам:
—♦— вариант А; —■— вариант Б; — Л— вариант В; _ минимально допустимые
В табл. 3 приведены оценки инвестиционного спроса19 на реконструкцию и развитие тепловых сетей в соответствии с рассматриваемыми вариантами по пятилетним периодам с 2005 по 2030 г. Как видно, в варианте А затраты будут сокращаться в связи с увеличением доли трубопроводов малого диаметра, требующих меньших удельных капиталовложений. В варианте Б капиталовложения будут сохраняться на практически постоянном уровне в течение 2005-2025 гг., затем начнется сокращение инвестиций. В варианте В инвестиции возрастают до 2020 г. с некоторым последующим их снижением. Но они остаются заметно выше, чем в вариантах А и Б.
19 Без учета удорожания перекладки сетей в городских условиях.
Таблица 3
Ожидаемый инвестиционный спрос на реконструкцию и развитие тепловых сетей СЦТ России в соответствии с заданными целевыми установками, млрд. долл.
Вариант 2006-2010 гг. 2011-2015 гг. 2016-2020 гг. 2021-2025 гг. 2026-2030 гг. Всего за 2006-2030 гг. (округленно)
А 13,5 9,3 8,5 8,8 7,7 48
Б 13,5 13,6 13,7 12,2 11,0 64
В 13,5 16,3 16,7 15,4 12,2 74
В итоге суммарные инвестиции в реконструкцию и развитие тепловых сетей в рассматриваемых вариантах за период 2005-2030 гг. могут составить:
- вариант А - 48 млрд. долл.;
- вариант Б - 64 млрд. долл.;
- вариант В - около 75 млрд. долл.
Оценка суммарного спроса на тепловую энергию от СЦТ. Рассмотренные выше направления использования тепловой энергии (на нужды отопления и горячего водоснабжения в жилом и общественном секторах и потери тепла в СЦТ) являются определяющими слагаемыми в тепловом балансе страны. Прогноз спроса на тепло от СЦТ в национальной экономике России до 2030 г. показан на рис. 15.
Млн. Гкал/год
Рис. 15. Прогноз спроса на тепло от СЦТ до 2030 г. при условии снижения за 10 лет теплопотребления в новых зданиях на 30% и сокращении потерь в тепловых сетях в 2 раза (в скобках указаны сценарии):
0 промышленность и строительство; ■ сельское хозяйство; □ транспорт;
□ население и социальная сфера;® потери в сетях
В этом прогнозе спрос на тепло населения и социальной сферы и потери тепла в сетях даны по оценкам, выполненным в настоящей работе, а спрос на тепло промышленного производства, сельского хозяйства и транспортных организаций принят по оценкам, полученным при прогнозировании развития ТЭК страны (см. например, [4]). В основу этих прогнозов положены темпы развития и ожидаемые структурные изменения в национальной экономике и гипотезы изменения энерго-
емкости добавленной стоимости по отраслям народного хозяйства в соответствии с тенденциями развития энергосбережения (см., например, [20]). Оценка потерь тепла в сетях принята по варианту В, предусматривающему снижение аварийности в 3-4 раза и тепловых потерь в 2 раза по сравнению с базовым 2005 г.
В соответствии с приведенными выше предположениями можно ожидать, что спрос на тепло от СЦТ достигнет 1400-1685 млн. Гкал к 2030 г. (в зависимости от сценария) по сравнению с 1410 млн. Гкал в среднем за первое десятилетие XXI в. (1444 млн. Гкал в 2000 г.).
Оценка производства тепла в СЦТ. Обеспечение спроса на тепло от СЦТ в перспективе до 2030 г. будет происходить за счет совершенствования существующих основных технологий: комбинированного производства электроэнергии и тепла на ТЭЦ и в котельных установках. При этом следует ожидать, что доли этих двух технологий в течение рассматриваемого периода практически будут оставаться неизменными. В структуре технологий комбинированной выработки будет возрастать доля парогазовых и газотурбинных ТЭЦ при сокращении доли паротурбинных ТЭЦ. В период 2020-2030 гг. выгодным может стать применение теплонасосных установок (ТНУ) в системах централизованного теплоснабжения, работающих на низкопотенциальном тепле крупных водных источников (водоемов, рек, озер), станций очистки и охлаждения воды и т.п. На рис. 16 показана ожидаемая структура производства тепла в СЦТ в соответствии с двумя рассматриваемыми сценариями развития ТЭК России.
Рис. 16. Объемы и структура источников производства тепла в системах централизованного теплоснабжения России (в скобках указанны сценарии):
□ ТЭЦ; □ мини-ТЭЦ; ЕЕЕ котельные; ■ ТНУ
В предстоящем периоде при слабых темпах экономического развития (сценарий 1) производство тепла от СЦТ будет медленно сокращаться под влиянием энергосбережения, изменения структуры производства, сокращения аварийности и тепловых потерь в сетях. Напротив, при высоких темпах экономического развития (сценарий 2) следует ожидать некоторый рост спроса на тепловую энергию, в результате которого производство тепла может превысить уровень 2000 г. на 10-15%.
В табл. 4 даны укрупненные оценки необходимых капиталовложений в развитие СЦТ, которые за период до 2030 г. могут составить около 165-190 млрд. долл. (включая инвестиции в ТЭЦ). На тепловые сети должно приходиться не менее 40-45% всех капиталовложений в СЦТ.
Таблица 4
Оценка необходимых инвестиций в развитие и модернизацию СЦТ за период 2005-2030 гг., млрд. долл.
Показатель 2005-2010 гг. 2011-2020 гг. 2021-2030 гг.
ТЭЦ всех типов 10-12 20-25 50-55
Котельные 1,5-2 6-7 4-8
ТНУ - - 0-0,5
Тепловые сети 16-17 34-36 26-28
Всего 27,5-31 60-68 80-90
Влияние ограничений на выбросы углекислого газа на структуру производства тепла в СЦТ. Для условий, представленных в базовых сценариях социально-экономического развития страны, дополнительно были рассмотрены еще два варианта ситуаций, которые в перспективе могут оказать существенное влияние на структуру ТЭК и СЦТ. Они вызваны необходимостью изучения стратегических решений из-за возможных рисков, связанных с влиянием изменения климата планеты на энергетическую политику.
За основу был принят сценарий 2 с высокими темпами экономического развития, но без ограничений на выбросы углекислого газа. В этом сценарии выбросы СО2 увеличиваются к 2030 г. почти на 50%. Для сравнения влияния ограничений на выбросы СО2 были рассмотрены два дополнительных сценария на основе сценария 2:
- сценарий 3 - «замораживание» требований Киотского протокола после 2012 г. по выбросам тепличных газов;
— сценарий 4 - ужесточение требований Киотского протокола с целью сокращения выбросов тепличных газов к середине XXI в. на 40-50% относительно уровня 1990 г. Это примерно соответствует Сценарию 450 МЭА [6].
Результаты моделирования структуры производства тепловой энергии в СЦТ при различных ограничениях на выбросы углекислого газа показаны на рис. 17.
Млн. Гкал
ООО ООО
Рис. 17. Влияние ограничений на выбросы углекислого газа на структуру производства тепла в СЦТ России (в скобках указаны сценарии):
□ ТЭЦ; □ мини-ТЭЦ; 00 котельные; ■ ТНУ; 00 прочие
Введение ограничений на выбросы углекислого газа приводит к существенному изменению структуры производства тепла.
Во-первых, будут сокращаться технологии производства тепла, использующие органические виды топлива. Особенно это скажется на производстве тепла котельными, доля которых сократится с 50% в сценарии 2 до примерно 25% в сценарии 4. Одновременно следует ожидать сокращения доли ТЭЦ в выработке тепла СЦТ - до одной трети в сценарии 4. При этом возрастает роль малых ТЭЦ на базе газотурбинных технологий, которые к 2030 г. могут составить более половины всей комбинированной выработки тепла.
Во-вторых, заметно повысится роль технологий генерирования тепла на базе электроэнергии, которая в значительной мере будет производиться на основе ядерной энергии и новых источников энергии. В первую очередь это относится к ТНУ, доля которых в СЦТ к 2030 г. может возрасти до одной трети общего объема производства тепла.
В-третьих, должны появиться новые технологии с нулевыми или очень низкими выбросами углекислого газа за счет использования возобновляемых источников энергии - сухого тепла земли, солнечной энергии, топливных элементов на базе водорода, получаемого путем термохимического разложения воды с использованием тепла высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов или других «чистых» источников энергии. Но это приведет к увеличению инвестиций в СЦТ до 210220 млрд. долл. к 2030 г.
Литература
1. Некрасов A.С., Синяк Ю.В., Воронина СЛ., Семикашев В.В. Современное состояние теплоснабжения России //Проблемы прогнозирования. 2011. № 1.
2. Федеральный закон Российской Федерации от 27 июля 2010 г. N190-ФЗ «О теплоснабжении».
3. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г., № 1715-р.
4. Некрасов A.С., Синяк Ю.В. Перспективы развития топливно-энергетического комплекса России на период до 2030 года //Проблемы прогнозирования. 2007. № 4.
5. Население России. 2000. Восьмой ежегодный демографический доклад / Под ред. AT. Вишневского. М.: Книжный дом «Университет». 2001.
6. IEA, World Energy Outlook 2009, November 2009.
7. Дорожная карта развития теплоснабжения России на пер-иод до 2030 г. Проект. Минэнерго РФ. 2008.
8. http://www.energia.fi/en/districtheating/districtheating/customers/consumption
9. Городская Программа «Энергосберегающее домостроение в городе Москве на 2010-2014 гг. и на перспективу до 2020 года». Москва. 2009.
10. Жилищное хозяйство и бытовое обслуживание населения России. Стат. сб. М.: Росстат. 2007.
11. Energy Efficiency in High-Rise Refurbishment. Case Study Series. St. Petersburg, Russia, OECD/EuroACE. 2005. (http://www.euroace.org/highrise/Case%20Study%20Russia.pdf)
12. Штейнгауз Е.О. Вопросы энергоснабжения в планировке городов. Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре. М.-Л., 1952.
13. Российский статистический ежегодник 2009. М.: Росстат. 2009.
14. ФСГС России. Сводный отчет о работе отопительных котельных и тепловых сетей по Российской Федерации за 2005 год. М., 200б.
15. Некрасов A.G, Воронина С.4. Состояние и перспективы теплоснабжения России // Энергетик. 2004. № 10.
16. Urban Heating in Russia: Experience from the Transition and Future Directions, USAID, Alliance to Save Energy, Municipal Network for Energy Efficiency, 2005.
17. Energy Balances of OECD Countries, IEA Statistics.
18. Майзель И.Л., Петров-Денисов В.Г. Еще раз об экономической и технической целесообразности применения труб пенополиуретановой изоляции для теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2001. № 4.
19. Бухин В.Е. Предварительно изолированные трубопроводы для систем централизованного теплоснабжения //Новости теплоснабжения. 2002. № 3.
20. Башмаков И.A. Повышение энергоэффективности в жилищном секторе //Энергосбережение. 2009. № 8.
