// Журнал «Промышленная Энергетика», 2012 - № 07, стр. 2-6

 

Альтернативный подход к проблеме энергоснабжения малых поселений

Некрасов С. А., канд. техн. наук, Зейгарник Ю. А., доктор техн. наук,

Шевченко И. С., инж.

Объединенный институт высоких температур РАН, Москва

 

Обоснована целесообразность совместного развития программ газификации и электроснабжения. Показано, что в ряде случаев менее затратным и более надежным является построение систем энергоснабжения населенных пунктов на основе газификации с созданием локальных энергоисточников.

Ключевые слова: системный подход к созданию систем энергоснабжения, программа газификации, надежность энергообеспечения, энергоэффективность.

 

     В России разработаны и проводятся в жизнь федеральные программы по развитию электрификации и газификации. С целью увязки этих программ рассмотрим некоторые их аспекты. Для энергоснабжения малых населенных пунктов следует отказаться от протяженных (длиной до 70 км) малонагруженных (средняя мощность потребления - до 10 кВт) линий электропередачи (ЛЭП) среднего напряжения (6-10 кВ) и создавать поселковые энергоисточники на базе привозного сжиженного или компримированного природного газа, поставка которого предусмотрена программой газификации.

В последние 5 лет в стране осуществляется программа газификации регионов, основой которой является централизованное газоснабжение с доставкой сетевого газа по трубе. Уровень газификации к началу 2005 г. в среднем составлял 54 %, причем в городах и поселках городского типа он достигал 61 %, а в сельской местности не превысил 36 %.

В соответствии с Концепцией участия ОАО “Газпром” в Программе газификации регионов РФ в зависимости от уровня и перспектив развития систем газоснабжения регионы подразделяются на следующие три группы:

1. Регионы, имеющие развитую систему газопроводов и подключенные к Единой системе газоснабжения (ЕСГ). Их газификация будет осуществляться преимущественно сетевым природным газом.

2. Субъекты РФ, в которых существует местная система газоснабжения, обособленная от ЕСГ, или есть газовые (газоконденсатные) месторождения. Газификация этих регионов будет проводиться за счет создания или развития уже имеющихся собственных систем газоснабжения либо подключения к системам соседних краев и областей.

3. Регионы, не подключенные к ЕСГ и не имеющие ни региональных систем газоснабжения, ни газовых (газоконденсатных) месторождений. Здесь будет применяться только автономная газификация с использованием сжиженного природного газа (СПГ), компримированного природного газа (КПГ) или сжиженных углеводородных газов (СУГ). В Сибири и на Дальнем Востоке существуют огромные малозаселенные пространства, удаленные от газодобывающих регионов, где газа нет и выполнение планов газификации проблематично.

Деление на группы - весьма условное, но отражает основные особенности организации газоснабжения.

За 2005 - 2008 гг. в среднем по России уровень газификации возрос до 62 % в основном в результате газификации относительно крупных потребителей. Например, в 2007 г. газифицировано 545 населенных пунктов, 1,9 млн квартир и домовладений, на природный газ переведено 10,5 тыс. коммунально-бытовых предприятий, 2 тыс. сельских и поселковых котельных, 240 сельскохозяйственных предприятий, газ получили более 6 млн чел. [1]. Это свидетельствует об успешной работе по газификации страны. Однако газифицируются в основном только регионы первой группы, а в мелких поселениях ситуация практически не изменилась.

 

Рассмотрим развитие несетевых технологий газификации. Как обосновывается в предпроектных работах по применению технологий СП Г и КПГ, выполненных ОАО “Газпром промгаз” при разработке генеральных схем газоснабжения и газификации субъектов РФ, в суммарном объеме потребности в газе 71 региона в виде СПГ потребуется до 21 %, в виде СУГ - до 16 %, т. е. потребность в газе почти на 40 % должна быть покрыта за счет несетевых способов газификации [2].

Анализ выполнения программы газификации за последние 5 лет показывает недостаточный рост потребления СПГ. Опыт реализации пилотных проектов СПГ имеется только в Московской, Ленинградской и Свердловской областях [2]. СПГ, получаемый в Московской области, используется на единственном энергетическом объекте - мини-ТЭЦ из двух газопоршневых генераторов единичной мощностью 400 кВт. Других потребителей СПГ для целей энергоснабжения нет в связи с отсутствием инфраструктуры доставки и использования СПГ на объектах энергообеспечения. СПГ является универсальным энергоносителем и может быть использован для перевода автотранспорта на газомоторное топливо. Здесь основной потребитель СПГ - 11-й автобусный парк г. Москвы, но мощности установки производительностью 1 т/ч в 2010 г. были загружены на 30%. Отсутствие газовой инфраструктуры - основной лимитирующий фактор развития рынка СПГ.

Электрические сети страны, являющиеся крупнейшей сетевой инфраструктурой, которая покрывает всю ее заселенную часть, предназначены для обеспечения полной электрификации независимо от объемов потребления электроэнергии. При этом более высокие удельные издержки по снабжению мелких потребителей распределяются согласно “котловому” принципу тарифообразования для услуг по передаче электрической энергии на весь объем отпущенной электрической энергии.

 

                                                                                                                                                                Таблица 1.

Напряжение,

кВ

Допустимая

мощность, МВт

Наибольшая допус­тимая длина, км

(6)10

2,1

5

20

7,5

8

35

9,3

20

 

 

Рассмотрим на типовом примере Алтайского края фактическое распределение мелких потребителей по протяженности линий электропередачи в 2009 г. Как видно из рисунка, электроснабжение значительного их количества обеспечивается по сетям длиной до 70 км. К прямым затратам по прокладке добавляются полноразмерные расходы, связанные с эксплуатацией [3]. Потери в столь протяженных, но маломощных линиях превышают объемы потребляемой энергии, а трансформаторные мощности зачастую загружены в пределах 10 %.

В стандарте РАО ЕЭС 2008 г. [4] определена наибольшая допустимая длина ЛЭП (см. табл. 1). Растущая энерговооруженность всякой экономической деятельности и простого домохозяйства объективно ведет к росту электропотребления. Одной из главных причин, обусловливающих в настоящее время сокращение сельского населения, депопуляцию малых населенных пунктов, является низкое качество жизни, в частности, из-за плохого снабжения электроэнергией (или ее полного отсутствия) [7].

Как показывает мировая практика, воздушные ЛЭП без резервного (автономного) электроснабжения не позволяют организовать нормальное товарное производство. Отсутствие резервирования электроснабжения малых потребителей увеличивает риски производства, перерывы в энергоснабжении ведут к убыткам, потере продукции и повреждению оборудования.

Ввиду большой протяженности существующих ЛЭП 6-10 и 0,4 кВ, их изношенности и повышенной доли потерь на фоне растущего электропотребления необходим поиск альтернативных путей электроснабжения малых населенных пунктов.

Сохранение сложившейся структуры локальных электрических сетей и построение аналогичной сети газопроводов - тупиковый путь развития энергоснабжения страны. Удельная протяженность распределительных газопроводов, приходящихся на 1000 квартир,

за 20 лет выросла в 2 раза - с 11,4 км в 1987 г. до 22,1км в 2007 г. Если в 1984 г. на сельскую местность приходилось только 25 % газопроводов, то в 2007 г. - 62 %. Таким образом, сегодня газификация в России имеет сельскую направленность, причем в малонаселенной местности и при значительной удаленности от магистральных газопроводов. Поэтому необходимо расширять комплексную и автономную газификацию с использованием СПГ. Например, на газификацию Колпашевского района Томской области с помощью газопровода затратили 1,2 млрд руб., тогда как газификация этого же района с применением СПГ по проектным расчетам стоила бы около 0,5 млрд руб. [5].

Система теплоснабжения в России в отличие от структуры электроснабжения состоит из множества локальных систем. В состав источников теплоснабжения входят около 48 тыс. котельных мощностью менее 3 Гкал/ч (73 % от общего количества), 12 млн индивидуальных тепловых установок.

Электро- и газоснабжение удаленных малых потребителей на базе разветвленных распределительных сетей электроэнергии и газа одинаково невыгодно обоим поставщикам. ОАО “Газпром” уже приняло концепцию альтернативной газификации малых потребителей (третьей группы), предусматривающую отказ от прокладки и эксплуатации протяженных магистральных малозагруженных газопроводов. Капитальные затраты на организацию альтернативного газоснабжения с использованием СПГ с увеличением расстояния до потребителя изменяются незначительно, а на строительство газовой магистрали возрастают в несколько раз. Поэтому при большом удалении потребителей целесообразнее доставка СПГ.

Надежность трубопроводного газоснабжения при сохранении существующей системы электроснабжения во многом будет определяться ее надежностью (в частности, электроприводов компрессоров, автоматики управления). Количество аварий на 1000 км в год в системе газоснабжения значительно меньше, чем на ЛЭП: на газопроводах -0, 5-1,5; во внутригородских газовых сетях -        9,5; на кабельных внутригородских линиях электропередачи (6 - 10 кВ) - 61; на воздушных ЛЭП - 0,8-15; в теплосетях - 260 - 820 [6]. Согласно исследованиям МЭИ надежность электроснабжения мелких (в основном сельскохозяйственных) потребителей крайне низка - число перерывов в электроснабжении составляет 70 - 100 ч/год (в развитых странах - 7-10 ч/год) [7].

Мы предлагаем объединить два в настоящее время независимых направления энергоснабжения: газификацию и электроснабжение. При выполнении программы газификации создание у нового, в первую очередь - малого потребителя газа, индивидуального источника для производства электроэнергии (на появившемся газовом топливе) позволит резко повысить надежность энергоснабжения и исключить затраты, связанные с эксплуатацией “магистральных” электросетей напряжением 6-10 кВ.

Вопрос о поставке и вводе в эксплуатацию автономных, полностью автоматизированных электрогенерирующих установок в стране практически решен. В период с 2001 по 2007 г. было приобретено генерирующее оборудование общей мощностью более 4600 МВт на основе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с установленной мощностью менее 300 кВт (табл. 2) [8]. Среди них свыше 77 % приходится на агрегаты мощностью до 60 кВт, которые используются для автономного энергоснабжения, как правило, без связи с сетью. Следует отметить, что такое соотношение наблюдалось, когда топливо для малых ДВС (бензин и дизтопливо) было на порядок дороже газа в пересчете на теплотворную способность. Снижение топливной составляющей для малых ДВС в результате замены бензина и дизельного топлива на природный газ (как основное топливо) при прочих равных условиях должно значительно расширить распространение рассматриваемых установок. Таким образом, в стране есть реальная возможность изменить структуру энергоснабжения малых потребителей.

Для нужд малых потребителей в населенных пунктах необходимо создать хранилища СПГ, объем хранения которых должен быть рассчитан с учетом потребности не только теплоснабжения, но и производства электроэнергии. Запасы СПГ будут пополняться за счет наземного или речного транспорта. В населенном пункте следует установить полностью автоматизированное электрогенерирующее оборудование с резервированием, покрывающее потребности данного поселения. Оно должно обслуживаться централизованной эксплуатационной организацией. Распределение электроэнергии можно осуществлять по существующим внутрипоселковым сетям.

Внесетевая выработка электроэнергии для удаленных потребителей доказала свою экономическую эффективность в развитых и развивающихся странах, поскольку при этом исключаются большие затраты, связанные с прокладкой линий электропередачи. Учитывая масштабность территории России, для таких потребителей распределенная генерация будет конкурентоспособной по сравнению с традиционными технологиями.

 

                                                                                                                                                                                   Таблица 2.

Единичная

мошность

установки,

кВт

Мощность приобретенных установок, МВт/год

2001 г.

2002 г.

2003 г.

2004 г.

2005 г.

2006 г.

2007 г.

Итого,

МВт

До 60

134

151

206

265

470

919

1442

3587

60 - 300

30

45

63

81

137

279

415

1050

 

Перспективной сферой для применения внесетевых систем энергетики являются российские дачные участки. Примерно 16 млн семей и 10 млн физических лиц имеют небольшие участки, а 22 млн семей — собственные загородные дома с участками земли; 70 — 80 % российского населения вовлечено в индивидуальное садоводство и фермерство. По некоторым оценкам, несколько миллионов индивидуальных фермерских и овощеводческих хозяйств не подключены к электрической сети, т. е. являются потенциальным рынком сбыта установок для децентрализованного производства электроэнергии [9— 11].

Проведем экономическое сравнение двух вариантов электроснабжения потребителя мощностью 100 кВт, удаленного на расстояние 10 км от имеющейся линии электропередачи. Согласно стандарту ОАО “ФСК ЕЭС” [12] стоимость строительства одноцепной BJI переменного тока напряжением 6 - 10 кВ составляет 700 тыс. руб/км. Фактически с учетом территориальных коэффициентов регионов, где реально возможно создание предлагаемой распределенной энергетики, стоимость ВЛ длиной 10 км превысит 7 млн руб. без стоимости подсоединения к ЛЭП и других дополнительных затрат (на проектно-изыскательные работы и т. д.).

Удельная рыночная цена электростанций на газовых ДВС, слабо зависящая от единичной мощности в диапазоне от 1,6 до 1500 кВт, составляет 8 — 12 тыс. руб/кВт [13]. Проектные, строительные, пусконаладочные работы (без стоимости выполнения технических условий для параллельной работы с се-тью) с учетом резервирования увеличат ее до 30 — 45 тыс. руб/кВт. Таким образом, капитальные затраты на строительство 10 км ВЛ 10 кВ практически эквивалентны затратам на создание малой электростанции установленной мощностью 160 — 200 кВт. Даже при коэффициенте загрузки, равном 0,1, такая электростанция покрывает потребности практически для всех представленных на рисунке потребителей. Фактически при средней удаленности малых потребителей более чем на 10 км, 50 %-ном резервировании (установке трех агрегатов мощностью 50 % от максимального потребления) и учете конкретных требований каждого малого потребителя предлагаемое решение весьма привлекательно.

Таким образом, вместо прокладки новых, вненормативных (длиной более 10 км) линий и восстановления изношенных электрических сетей целесообразно создание поселковых источников электроэнергии, что дополнительно может послужить определенной защитой от вандализма и воровства как основного оборудования (например, проводов), так и электроэнергии, относимых в настоящее время к коммерческим потерям и часто превышающих технологические потери.

Предлагаемый подход стал еще более актуальным после ввода в действие стандарта [4], согласно которому любое получение технических условий на увеличение потребления электроэнергии и/или строительство энергоисточника при расположении заявителя на расстоянии более 5 км от подстанции высокого напряжения требует перевода ЛЭП с 10 кВ на 35 кВ, а при дальности более 20 км —  на 110 кВ. Стоимость выполнения подобных технических условий на подключение переводит в разряд убыточных практически любой проект по развитию промышленности, сельского хозяйства, а также по строительству объектов малой энергетики в российской глубинке.

Реализация предлагаемого подхода требует координации работ, проводимых в рамках Правил разработки и утверждения схем и программ перспективного развития электроэнергетики [14] и программы газификации ОАО “Газпром”.

Дополнительным преимуществом предлагаемого подхода является то, что в первую очередь он ориентирован на таких потребителей газа, как удаленные населенные пункты с мелкими сопутствующими предприятиями реального сектора экономики (промышленности, сельского хозяйства и т. п.). Поскольку энергоснабжение любого поселения на территории самой холодной страны мира предусматривает обеспечение теплотой, при системном решении вопроса снабжения газом и электроэнергией нельзя не учитывать тепловую энергию, на производство которой расходуется более половины энергоресурсов.

Теплоснабжение может осуществляться либо за счет газа по поселковым сетям, либо от поселковых котельных. При современном уровне технологического развития для перевода котельной на газовое топливо должна быть проанализирована возможность совместного производства теплоты и электроэнергии. В перспективе на временном горизонте, сравнимом с периодом эксплуатации инфраструктуры энергоснабжения, можно предположить, что тенденция построения систем совместного производства тепловой и электрической энергии на единичных мощностях вплоть до 1 — 2 кВт найдет свое воплощение в российских домохозяйствах. Отказ от эксплуатации магистральных систем подвода электроэнергии малым потребителям приведет к существенному сокращению эксплуатационных расходов и повышению надежности энергоснабжения.

Предлагаемый подход к построению системы энергоснабжения легко адаптируется к изменению объемов потребления. В случае увеличения числа жителей в населенном пункте существует возможность повысить мощность путем как наращивания количества энергоустановок, так и замены их энергоисточниками более высокой единичной мощности. Аналогично при уменьшении потребности в энергии замена энергоисточников на другие — меньшей единичной мощности — позволит избежать нерасчетных режимов с повышенными удельными расходами топлива. В обоих случаях инфраструктура остается практически неизменной. Таким образом, данная система обладает гибкостью и адаптируемостью к конечному потребителю, что определяет условия ее уверенного развития в будущем.

 

Выводы

1. Проводимая в РФ программа газификации должна не просто способствовать появлению газового топлива в малых населенных пунктах, но и стать основой преобразования системы электроснабжения, резко повышающей ее надежность при одновременном снижении затрат.

2. Необходимо на государственном уровне скорректировать существующие программы в области энергоснабжения для оптимального использования преимуществ объединения развития электроэнергетики и газоснабжения.

3. Создание поселковых изолированно работающих систем электроснабжения позволит отказаться от недопустимо дорогих протяженных малозагруженных ЛЭП среднего напряжения в малонаселенных районах страны.

4. Для успешного функционирования предлагаемых систем энергоснабжения при осуществлении национальной программы дорожного строительства целесообразно учитывать потребности в СПГ и объемы их доставки.

 

Список литературы

1. http: //prgazeta.efactory.ru/?article=8929

2. Ярыгин Ю. Н. Автономная газификация: научное и проектное обеспечение. — Газ России, 2010, № 3.

3. Мещеряков В. А., Федянин В. Я. Инновационные технологии обеспечения энергией сельских потребителей, расположенных на юге Западной Сибири. — Теплоэнергетика, 2009, № 6.

4. Электрические системы. Определение предварительных технических решений по выдаче мощности электростанций. Условия для создания объекта. Стандарт РАО ЕЭС (введен в действие протоколом заседания Правления ОАО РАО “ЕЭС России” от 21.01.2008 № 1805 пр.).

5. Матюшечкин В. Новая концепция участия ОАО “Газпром” в газификации российских регионов. — АГЗК +АТ, 2010, № 5.

6. Дубинин В. С., Лаврухин К. М. Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии в котельных. — Новости теплоснабжения, 2002, № 5.

7. Кудрин Б. И. О государственном плане рыночной электрификации России. — М.: Изд-во Института народнохозяйственного прогнозирования РАН, 2005.

8. Филиппов С. П. Малая энергетика России. — Теплоэнергетика, 2009, № 8.

9. Strebkov D. Trends in Russian Rural Agriculture and Rural Energy (http: //cigrtejoumal.tamu.edu/Submissions/ InvitedRussia/Russia.PDF).

10. Karabanov S. The Prospects for Photovoltaic Development in Russia. — Renewable Energy Report, 2001, World Renewable Energy Network.

11. Возобновляемая энергия в России. От возможности к реальности. — Отчет МЭА, 2004.

12. Стандарт СТО 56947007-29.240.0141-2008. Укрупненные показатели стоимости сооружения (реконструкции) подстанций 35 — 750 кВ и линий электропередачи напряжением 6, 10 — 750 кВ (Стандарт ОАО “ФСК ЕЭС”).

13. http: //www.mosgenerator.ru/component/page,shop.browse /category_id, 208/option, com_virtuemart/Itemid, 29/

14. Правила разработки и утверждения схем и программ перспективного развития энергетики (утверждены постановлением Правительства Российской Федерации № 823 от 17 октября 2009 г.).

s а nl@bk.ru