CC BY
4
УДК: 504.3.054
Черкащенко Е. А., Ермоленко Б. В.
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Черкащенко Екатерина Александровна, студент 1 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии, email: ek.cher@mail.ru
Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент, доцент кафедры промышленной экологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
На основании анализа современного состояния энергетической отрасли сформулирована задача эколого-экономической оптимизации проектов развития централизованных систем энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии. Предложено решать сформулированную задачу с применением методов и моделей частично целочисленного программирования. Рассмотрена структура разработанной экономико-математической модели.
Ключевые слова: производство электроэнергии, износ оборудования, расход топлива, загрязнение атмосферы, централизованные системы энергоснабжения, возобновляемые источники энергии, эколого-экономическое проектирование, экономико-математическая модель
ECOLOGICAL-ECONOMIC DESIGN OF CENTRALIZED ENERGY SUPPLY SYSTEMS USING RENEWABLE ENERGY SOURCES
Cherkashchenko E.A., Ermolenko B.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Based on the analysis of the current state of the energy industry, the task of ecological and economic optimization of projects for the development of centralized energy supply systems using renewable energy sources is formulated. It is proposed to solve the formulated problem using methods and models ofpartially integer programming. The structure of the developed economic-mathematical model is considered.
Keywords: power generation, equipment wear, fuel consumption, air pollution, centralized energy supply systems, renewable energy sources, environmental and economic design, economic and mathematical model
Непосредственная зависимость качества человеческой жизни от потребления энергии, с одной стороны, и один из наиболее значительных вкладов энергетической отрасли в общее негативное воздействие на окружающую среду, с другой стороны, ставят энергетику на одно из первых мест в решении задач устойчивого развития экономики. В Российской Федерации со времен СССР преобладающей формой электроснабжения (около 90 %) является централизованная форма, реализуемая в виде Единой Энергетической Системы (ЕЭС). В электроэнергетический комплекс ЕЭС входит около 700 электростанций мощностью свыше 5 МВт каждая. На начало 2018 г. общая установленная мощность электростанций ЕЭС России составила 239,8 ГВт. Сетевое хозяйство единой энергосистемы насчитывает более 10 700 линий электропередачи класса напряжения 110 -1150 кВ общей протяженностью 2614 тыс. км. В Российской Федерации в 2017 году было произведено 1053,9 миллиардов кВтчас электрической энергии [1]. В том числе 611,34 млрд. кВтч (около 65 %) энергии выработано тепловыми электрическими станциями, использующими ископаемое органическое топливо. В 2016 году при производстве на ТЭС 614,35 млрд. кВтч было израсходовано 163,5 млрд. м3 природного и
попутного газа, 111,5 млн т -угля и 3,2 млн т нефтетоплива [2]. В результате сжигания топлива в атмосферу было выброшено около 1175 тыс. т оксида азота, 1330 тыс.т диоксида серы, 1195 тыс. т оксида углерода, 33 тыс. т углеводородов с учетом ЛОС и 907 тыс. т твердых веществ. Сжигание органического топлива явилось причиной попадания в атмосферу 1560 млн т СО2-экв. парниковых газов, что составляет около 60 % от общероссийских показателей.
Высокий уровень потребления топлива и негативного воздействия на окружающую среду в значительной степени определяется низкой эффективностью работы генерирующего
оборудования, электрических и тепловых сетей, нормативный срока службы большинства из которых - 25 лет, уже давно превышен. Так распределение генерирующих мощностей по срокам эксплуатации, а, следовательно, по степени износа, характеризуется следующими цифрами: срок эксплуатации не более 10 лет - 15 %, от 11 до 12 лет - 6 %, от 21 до 30 лет - 19 %, от 31 - 40 лет - 26 %, от 41 до 50 лет - 22 % и более 50 лет - 12 %. Количество линий электропередачи напряжением > 110 кВ, прослуживших более 50 лет, составило около 18% от общей их протяженности. Физический износ сетевого оборудование достигает 75-80% при
крайне высоком его моральном износе. В 2017 году выведено из эксплуатации изношенное генерирующее оборудование электростанций суммарной мощностью 1,43 ГВт, т.е. не более 0,75 % установленной мощности электростанций страны. Ввод новой мощности на электростанциях ЕЭС России - 3,6 ГВт. Серьезным фактором, влияющим на увеличение расхода топлива и загрязнение окружающей среды, является и дефицит энергии в отдельных регионах страны, частично покрываемый за счет импорта электрической энергии из других региональных энергосистем с большими потерями при передаче энергии по линиям электропередачи.
Все это делает актуальной задачу развития региональных систем централизованного
энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Ориентация на ВИЭ позволят создать новые генерирующие мощности, исключающие энергетическое использование ископаемых углеводородов, а, следовательно, и избежать локального и глобального загрязнения атмосферы продуктами их сгорания. Сэкономленное органическое топливо является ценнейшим химическим сырьем, из которого намного выгоднее производить широкий спектр полезных продуктов высших переделов, чем сжигать для производства технологического тепла. С учетом этого задачу развития систем централизованного энергоснабжения можно сформулировать как задачу эколого-экономического проектирования таких систем. Первым и важнейшим этапом решения этой задачи является выбор и обоснование направления инвестирования средств.
Задача эколого-экономического проектирования эффективных централизованных систем
энергоснабжения на основе энергии ветра, солнца или биоресурсов на стадии обоснования инвестиций может быть сформулирована следующим образом: При заданных:
- множестве потенциальных мест и условий присоединения проектируемых объектов к энергосистеме, потребности в электрической и тепловой энергии;
- параметрах потенциальных площадок размещения генерирующих мощностей;
- картах-схемах потенциальных районов размещения производителей энергии;
- видах и экономических потенциалах различных ВИЭ на территории региона;
- природно-климатических условиях районов размещения энергетических объектов, определяющих возможности использования каждого из видов ВИЭ;
- экологической ситуации в потенциальных точках размещения проектируемых объектов и составе реципиентов в зоне их влияния;
- технико-экономических, экологических и других показателях строительства и эксплуатации энергетических объектов на основе ВИЭ и предприятий по подготовке биотоплив из биологических отходов;
- технико-экономических, технологических, территориальных, экологических, финансовых и других ограничениях.
выбрать:
- точки (площадки) размещения новых централизованных источников электрической и тепловой энергии (генерирующих мощностей), тип энергетических объектов, их установленную мощность, вид используемого возобновляемого энергетического ВИЭ;
- виды, типы, количество и способы размещения применяемых энергетических установок и другого оборудования на каждом из проектируемых объектов с учетом выбранного вида ВИЭ;
- характеристики основных и вспомогательных зданий и сооружений проектируемых объектов;
- схемные решения присоединения новых энергетических объектов к энергосистеме региона;
- площадки размещения новых предприятий по переработке (предварительной подготовке) древесных и сельскохозяйственных отходов в биотопливо;
- схемы снабжения новых тепловых электрических станций биотопливом;
- объёмов инвестиций, необходимых для строительства каждого из объектов и реализации всех разрабатываемых предложений по развитию энергосистемы;
обеспечивающие
минимум интегральных затрат на строительство и эксплуатацию систем централизованного энергообеспечения с использованием ВИЭ (максимум чистого дисконтируемого дохода) или выполнение иного заданного инвестором критерия эффективности.
Задача инвестиционного проектирования централизованных систем энергоснабжения на основе ВИЭ достаточно сложна и вряд ли может быть эффективно решена без использования математических методов и моделей. Учитывая специфику задачи и наличие эффективного специализированного программного обеспечения имеет смысл ориентироваться на методы и модели частично целочисленного линейного
программирования.
При наличии жестких ограничений на объем текста статьи отсутствует возможность подробного описания основных ограничений и функционала разработанной экономико-математической модели. Ниже приводится лишь блочная структура модели, позволяющая ознакомиться с составом математического описания проектируемого объекта.
Модель частично-целочисленного линейного программирования состоит их системы ограничений, задающей область допустимых решений задачи и функционала.
Область допустимых решений может быть представлена из следующих девяти укрупненных блоков:
Блок 1. Передача электроэнергии от проектируемых электростанций в энергосистему.
Блок 2. Производство электрической энергии на ветровой электростанции (ВЭС).
Блок 3. Производство электрической энергии на солнечной фотоэлектрической станции (ФЭС).
Блок 4. Производство электрической энергии на тепловой электростанции (ТЭС).
Блок 5. Инвестиции.
Блок 6. Операционные затраты.
Блок 7. Доход от реализации электрической энергии.
Блок 8. Финансовые ограничения.
Блок 9. Ограничения на переменные.
В качестве функционала задачи используется показатель чистого дисконтированного дохода (интегрального эффекта) от инвестирования средств в развитие системы энергоснабжения.
Структура основных блоков области допустимых решений задачи и функционала представлена ниже.
Блок 1. Передача электроэнергии от проектируемых электростанций в энергосистему
1. Ограничения на электрическую нагрузку при приеме энергии в точке подключения проектируемых электростанций к энергосистеме.
2. Условия выбора типа строящейся линии электропередачи для транспортировки электрической энергии от ее производителя до точки подключения к энергосистеме.
3. Воздействие на окружающую среду в процессе строительства и эксплуатации ЛЭП.
4. Определение максимальной внешней нагрузки электростанции для транспортировки энергии в энергосистему по ЛЭП.
Блок 2. Производство электрической энергии на ветровой электростанции
1. Выбор мощности, типа, количества и схемы размещения ветроустановок (ВЭУ) проектируемой ВЭС с учетом их технических характеристик, значений коэффициентов использования установленной мощности в различные месяцы года, розы ветров, специфики используемой территории.
2. Ограничения на размещение ветроэнергетических установок на выделенном земельном участке.
3. Выбор типа и оборудования проектируемой подстанции.
4. Ограничения, связанные с воздействием процессов строительства и эксплуатации ВЭС на компоненты окружающей среды.
5. Производство электроэнергии на ВЭС с учетом изменения вероятностных характеристик скоростей ветра в течение года.
Блок 3. Производство электрической энергии на солнечной фотоэлектрической станции
1. Выбор мощности, типа, количества и способа ориентации фотоэлектрических панелей (ФЭП) проектируемой ФЭС с учетом их технических
характеристик, значений коэффициентов
использования установленной мощности в различные месяцы года, специфики используемой территории.
2. Ограничения на размещение фотоэлектрических панелей на выделенном земельном участке.
3. Выбор типа и оборудования проектируемой подстанции.
4. Ограничения, связанные с воздействием процессов строительства и эксплуатации ФЭС на компоненты окружающей среды.
5. Производство электроэнергии на ФЭС с учетом изменения вероятностных характеристик инсоляции в течение года.
Блок 4. Производство электрической энергии на тепловой электростанции
1. Выбор типа, мощности, количества и оборудования проектируемой ТЭС.
2. Выбор вида используемого топлива (биотоплива).
3. Определение потребности ТЭС в топливе.
4. Выбор поставщиков топлива.
5. Выбор элементов инфраструктуры проектируемой тепловой электрической станции.
6. Ограничения, связанные с размещением ТЭС на выделенном земельном участке.
7. Ограничения, связанные с воздействием процессов строительства и эксплуатации ТЭС на компоненты окружающей среды.
8. Годовое производство электрической и тепловой на проектируемой ТЭС.
Блок 5. Инвестиции
1. Инвестиции в строительство линий электропередач:
- капитальные затраты, непосредственно связанные со строительством ЛЭП,
- затраты, связанные с использованием земель в процессе строительства ЛЭП,
- экологические платежи за загрязнение атмосферы, водных объектов и размещение отходов в процессе строительства ЛЭП,
- компенсационные платежи за негативное воздействие на растительный и животный мир в процессе строительства ЛЭП.
Инвестиции в строительство ветровых электростанций:
- капитальные затраты, непосредственно связанные с приобретением оборудования, строительством ВЭС и электрической подстанции,
- затраты, связанные с использованием земель в процессе строительства ВЭС,
- экологические платежи за загрязнение атмосферы, водных объектов и размещение отходов в процессе строительства ВЭС,
- компенсационные платежи за негативное воздействие на растительный и животный мир в процессе строительства ВЭС.
Инвестиции в строительство солнечных фотоэлектрических станций:
- капитальные затраты, непосредственно связанные с приобретением оборудования, строительством ФЭС и электрической подстанции,
- затраты, связанные с использованием земель в процессе строительства ФЭС,
- экологические платежи за загрязнение атмосферы, водных объектов и размещение отходов в процессе строительства ФЭС,
- компенсационные платежи за негативное воздействие на растительный и животный мир в процессе строительства ФЭС.
4. Инвестиции в строительство тепловых электрических станций:
- капитальные затраты, непосредственно связанные с приобретением оборудования, строительством основных и вспомогательных зданий и сооружений ТЭС,
- затраты, связанные с использованием земель в процессе строительства ТЭС,
- экологические платежи за загрязнение атмосферы, водных объектов и размещение отходов в процессе строительства ТЭС,
- компенсационные платежи за негативное воздействие на растительный и животный мир в процессе строительства ТЭС.
5. Инвестиционный стимулирующий
механизм.
Блок 6. Операционные затраты
1. Суммарные операционные затраты.
2. Затраты на эксплуатацию линий электропередачи:
- затраты на содержание и эксплуатацию сооружений ЛЭП,
- затраты на использование земельных ресурсов.
3. Затраты на эксплуатацию ветроэлектрических станций:
- затраты на содержание и эксплуатацию ветроэнергетических установок,
- затраты на содержание и эксплуатацию электрической подстанции ВЭС,
- затраты на использование земельных ресурсов.
4. Затраты на эксплуатацию фотоэлектрических станций:
- затраты на содержание и эксплуатацию фотоэлектрических панелей,
- затраты на содержание и эксплуатацию электрической подстанции ФЭС,
- затраты на использование земельных ресурсов.
5. Затраты на эксплуатацию тепловых электрических станций:
- переменные составляющие текущих
затрат,
- условно-постоянные составляющие текущих затрат.
Блок 7. Доход от реализации электрической энергии
1. Тарифные стимулирующие механизмы.
2. Доход от реализации электроэнергии, производимой на ВЭС.
3. Доход от реализации электроэнергии, производимой на ФЭС.
4. Доход от реализации электроэнергии, производимой на ТЭС.
Блок 8. Финансовые ограничения
1. Ограничение на срок окупаемости инвестиций.
2. Ограничения на объемы инвестируемых средств.
Функционал задачи
1. Доход от реализации электрической энергии.
2. Операционные затраты.
3. Инвестиции в проект.
Разработанная математическая модель сформирована в виде системы линейных алгебраических уравнений и неравенств с действительными, бинарными и целочисленными переменными. Модель может быть использована для разработки программ развития возобновляемой энергетики в районах с централизованным энергоснабжением.
Список литературы
1. Отчет о функционировании ЕЭС России в 2017 году. Системный оператор ЕЭС. Ийр^о-ups.ru/fileadmin/files/company/reports/disclosure/20 18Zups_rep2017.pdf (дата обращения: 03.05.2018).
2. Отчет о функционировании ЕЭС России в 2016 году. Системный оператор ЕЭС. http://so-ups.ru/fileadmin/files/company/reports/disclosure/20 17Zups_rep2016.pdf (дата обращения: 03.05.2018).
