Исследование сценариев развития теплоснабжения при обосновании развития электроэнергетики

Page 1

Page 2

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ

Исследование сценариев развития
теплоснабжения при обосновании
развития электроэнергетики

УДК 620.9:004.942

Технологическая

интеграция

теплоснабжающих

электроэнергетических

систем

на

уровне

ТЭЦ

сетевых

элементов

потребителей

обуславливает

наличие

функциональ

ной

взаимосвязи

между

ними

существенно

проявляется

при

формировании

теплового

баланса

определении

направлений

развития

теплоснабжения

статье

представлена

методология

разработки

сценариев

развития

теплоснабжения

на

основе

прогнозиро

вания

теплопотребления

помощью

регрессионных

моделей

учитывающих

данный

аспект

Показаны

зависимости

теплопотребления

от

ряда

социальных

технических

экономических

параметров

По

результатам

исследований

сформулирована

методоло

гия

инструментарий

для

оценки

прогнозов

приводятся

результаты

их

практического

использования

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

ИНТЕГРАЦИЯ

ТЕПЛО

СНАБЖАЮЩИХ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

Теплоснабжение [1] наряду с от-

раслями электро-, газо-, нефте-

и углеснабжения является состав-

ной частью топливно-энергети-

ческого комплекса (ТЭК) страны.

В своем составе оно объединяет

разнотипные теплоснабжающие

системы (ТСС) со своими источ-

никами теплоснабжения (ТЭЦ, ко-

тельными, электробойлерными),

тепловыми сетями (магистральны-

ми и распределительными), теп-

лопотребляющими установками.

ТСС представляют многопродукто-

вые системы и обеспечивают по-

крытие отопительно-бытовых (го-

рячее водоснабжение, отопление,

вентиляция, кондиционирование)

и технологических (в виде горя-

чей воды и пара различных пара-

метров) нагрузок. На уровне ТЭЦ

происходит интеграция сис тем

электро- и теплоснабжения и их

производственно-транспортных

систем, существует сильная зави-

симость электрической мощности

и производства электроэнергии от

мощности и выработки тепловой

энергии. Они, как правило, огра-

ничены возможностью их незави-

симого регулирования. Тепловые

сети для перекачки теплоносителя

и поддержания требуемого дав-

ления оборудуются насосными

станциями, которые имеют доста-

точно развитые, учитывая их дву-

стороннее резервирование и по-

требление около 10% мощности,

связи с электроэнергетическими

системами. Технологическое объ-

единение на уровне потребителей

развивается в связи с наличием

расширяющегося набора альтер-

нативных технологий использова-

ния разных видов энергии для их

теплоснабжения, выбора теплопо-

требляющих приборов (например,

отопление от централизованной

теплоснабжающей системы либо

за счет электрообогревателей

или локальных бытовых теплоис-

точников на газе). Каждая из этих

систем обладает относительной

самостоятельностью и выполня-

ет свои задачи. Вместе с тем, они

пересекаются на технологическом,

пространственном и временном

уровнях и имеют множественную

взаимосвязь между собой в части

функционального взаимовлияния,

использования

энергоносителя

одной системы в другой, их взаи-

мозаменяемости, особенно в ава-

рийных условиях, комплексного

использования первичных энер-

горесурсов для производства не-

скольких видов конечных энерго-

носителей [2, 3].

Взаимосвязь теплоснабжаю-

щих и электроэнергетических сис-

тем проявляется как на уровне их

функционирования, так и на уров-

не развития. Суровые климатиче-

ские условия России обусловили

высокий уровень теплопотребле-

ния, который в 1,5 раза превышает

Стенников

д.т.н., профессор, член-

корреспондент РАН, директор

ИСЭМ СО РАН

Добровольская

ведущий инженер ИСЭМ СО РАН

Ключевые

слова

теплопотребление, регрессия,

ретроспектива, анализ,

прогнозирование

Page 3

уровень электропотребления в со-

поставимых единицах. В 2019 году

его уровень составил 1400 млн

Гкал/год, это примерно в 1,5 раза

меньше, чем в 1990 году. Сокра-

щение теплопотребления связано

с глубоким падением промышлен-

ного производства, а в последние

годы со структурной перестрой-

кой и фактически еще только

началом эффективного исполь-

зования тепловой энергии. По-

требление электрической энергии

также переживало значительное

падение, вместе с тем в послед-

ние два года вышло на уровень

(в 2019 году — 1059,3 млрд кВт·ч),

близкий к 1990 году (1073,8 млрд

кВт·ч) [4–6].

Структура производства теп-

ловой и электрической энергии

также претерпела значительные

изменения. Все предшествующие

годы развитие теплоснабжения

в России было ориентировано на

строительство крупных теплофи-

кационных систем, содержащих

источники с комбинированной

выработкой электрической и теп-

ловой энергии. В таких системах

в зависимости от вида и величины

тепловых нагрузок варьируются

уровни теплофикационной вы-

работки. Доля тепловой энергии,

производимой электростанциями,

в тепловом балансе централизо-

ванных источников теплоснабже-

ния страны в 1990 году состав-

ляла более 55,6%. К настоящему

времени эта величина сократи-

лась и в 2018 году составила око-

ло 50,2%. Снижение выработки

тепловой энергии электростан-

циями за рассматриваемый пе-

риод следовало за снижением ее

потребления и составило более

35,1%.

Доля выработки электроэнер-

гии на ТЭЦ в период с 2013 по

2018 годы сократилась с 66,3%

до 64,1%, при этом в абсолютных

величинах рост составил 1,4%.

В период с 2013 по 2018 год на-

блюдается увеличение выработки

электроэнергии на электростан-

циях именно в теплофикационном

режиме, в абсолютных величи-

нах рост достиг 7,8%. Доля элек-

тро энергии, произведенной на

элек тростанциях в теплофикаци-

онном режиме, за рассматривае-

мый период увеличилась с 28,8%

в 2013 году до 30,6% в 2018 году.

Вышеизложенные тенденции

отражают определенную корреля-

ционную связь тенденций, скла-

дывающихся в теплоснабжении

и электроэнергетике, которые

должны учитываться при прогно-

зировании их развития.

МЕТОДИЧЕСКИЕ

ПРИН

ЦИПЫ

ПРОГНО

ЗИРОВАНИЯ

РАЗВИТИЯ

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

В связи с высокой социальной

и экономической значимостью

теплоснабжения вопросы его тех-

нологического развития, опреде-

ления перспективных типов источ-

ников тепловой энергии, уровней

развития теплофикации (когене-

рации) в стране и масштабов при-

менения других типов источников

тепла, а также структуры произ-

водства ими тепловой энергии

приобретают повышенное внима-

ние. Стратегическое планирова-

ние теплоснабжения предполагает

поиск решения по эффективному

удовлетворению перспективных

потребностей в тепловой энергии.

Основным инструментом анализа

и оценки осуществимости обеспе-

чения будущего теплопотребления

должны быть балансы спроса на

тепловую энергию и возможностей

ее генерации (предложения). При

этом определяющим ориентиром

(целевым параметром) стратеги-

ческого видения теплоснабжения

(как и других отраслей энергетики)

является спрос на тепловую энер-

гию. В последние годы отношение

к количественным прогнозным

оценкам несколько изменилось.

Во многом этому способствовали

рост неопределенности будущих

условий, определяющих неточ-

ность прогнозов, снижение инер-

ционности и повышение гибко-

сти энергетики, способствующие

быстрой ее адаптации к внеш-

ним и внутренним вызовам и др.

Вместе с тем, прогнозные оценки

спроса и соответствующего ему

предложения сохраняют свою ак-

туальность и востребованность

и во многом определяют формиро-

вание всей будущей инфраструк-

туры в энергетике. При этом мо-

делирование спроса на тепловую

энергию должно восприниматься

в контексте моделирования его

распределения по времени, вели-

чине, месту возникновения, а не

ориентироваться на его иденти-

фикацию, то есть отождествление

каким-то известным параметрам.

Эффективным ресурсом пла-

нирования спроса и развития

теплоснабжения страны, регио-

нов, поселений являются каче-

ственный мониторинг состояния

и отслеживание ретроспектив-

ных тенденций в теплоснабже-

нии, поэтому они представляют

стратегический вектор научных

исследований и в целом процес-

са выработки и принятия реше-

ний по организации наилучшего

энергоснабжения потребителей.

Изменение экономической ситу-

ации в стране (и в теплоснабже-

нии в частности), рост стоимости

топлива и тепловой энергии, воз-

растающие требования потре-

бителей к комфорту во многом

определяют

целесообразность

более пристального отношения

к рациональному и эффективно-

му использованию энергетических

и топливных ресурсов. В связи

с этим возникает необходимость

детального и всестороннего ана-

лиза формирующихся тенденций

развития экономики и смежных

отраслей энергетики, механизмов

их влияния на теплоснабжающий

комплекс и его индикативные по-

казатели.

Тепловая энергия, как и элек-

трическая, представляют специфи-

ческий ресурс, хранение которого

и передача на дальние расстояния

без значительных потерь затруд-

нительна. В связи с этим повы-

шается значимость рассмотрения

именно баланса производства

и потребления тепловой энергии

как взаимосвязанных системных

аспектов. Однако первостепенным

остается определение потребно-

сти тепловой энергии на обеспече-

ние нужд потребителей, и только

затем определяется структура по-

крытия.

При составлении баланса теп-

ловой энергии используются дан-

ные, представленные в формах

статистической отчетности. По-

нимая наличие расхождения в ин-

формации, содержащейся в раз-

личных статистических отчетах [7],

необходимо тщательно анализи-

ровать и обобщать статистические

данные для составления коррект-

ного теплового баланса страны

или отдельного региона.

№

3 (60) 2020

Page 4

с тем, что в качестве исходных

данных для прогнозирования теп-

лопотребления имели место два

варианта изменения ВВП, получе-

ны интервальные оценки прогноз-

ных уровней теплопотребления на

перспективном отрезке времени.

Длина прогнозируемого перио-

да, на который распространяется

действие регрессионной модели,

напрямую зависит от рассматри-

ваемого ретроспективного отрез-

ка времени, на котором получена

данная модель. Принято, что про-

гнозируемый период не должен

превышать 1/3 ретроспективного

отрезка времени. В соответствии

с данным обстоятельством про-

гноз теплопотребления выполнен

до 2036 года.

Проведенные исследования по-

казали, что в соответствии с про-

гнозами экономического развития

[9] при использовании линейной

регрессионной модели измене-

ние теплопотребления к 2036 году

в зависимости от сценария эконо-

мического и социального развития

может сократиться на 1,2% или уве-

личиться на 6,1 или 10,8% по срав-

нению с уровнем 2018 года. При

использовании модели для прогно-

зирования теп

лопотребления на

краткосрочный период к 2021 году

рост теплопотребления может со-

ставить 0,4–1,8% по сравнению

с уровнем 2018 года. Расхождение

между объемами теплопотреб-

ления в базовом и инерционном

вариантах развития на уровне

2036 года не превышает 4,2%.

Более значительное отличие про-

гнозного уровня теплопотребления

в минимальном варианте развития

связано с принятым в данном ва-

рианте развития значительным

сокращением населения страны

(около 7,8%).

Более 70% перспективного по-

требления тепловой энергии мо-

жет быть покрыто в результате

развития теплофикации (когене-

рации). Это позволит на тепловом

потреблении фактически при том

же расходе топлива, по самым

скромным оценкам, выработать

такое количество электроэнергии,

которое может обеспечить весь

прирост ее потребления, прогнози-

руемый в рамках Энергетической

стратегии России на период до

2035 года [10]. Выработка электро-

энергии на ТЭЦ в 2035 году может

составить не менее 45% от всего

ее производства, против 30,6%

в настоящее время [11]. Прогноз-

ные уровни прироста производ-

ства электроэнергии, получаемой

на тепловом потреблении, сум-

марные и дифференцированные

по централизованной и децентра-

лизованной сферам приведены

в таблице 1. В период до 2025 года

весь прирост потребления электро-

энергии может быть удовлетворен

за счет более полной загрузки дей-

ствующих ТЭЦ с учетом их модер-

низации. В децентрализованном

секторе в этот период необходимо

начать строительство мини-ТЭЦ

для замещения неэффективных

котельных. В период до 2035 года

следует продолжить загрузку су-

ществующих модернизированных

ТЭЦ и увеличить производство

электрической энергии на вновь

сооружаемых ТЭЦ, замещающих

котельные в централизованном

и децентрализованных секторах

энергоснабжения. Трансформация

тепло-, электроснабжения в на-

правлении теплофикации (коге-

нерации) будет способствовать

повышению коэффициента полез-

ного использования тепла топлива

(с 0,75 до 0,80 и более), уменьше-

Табл. 1. Прогноз производства электрической энергии

на тепловом потреблении на период до 2035 г.

Вид источника, показатель

2019 г.

2025 г.

2035 г.

Производство/прирост производства

электроэнергии на тепловом потреб-

лении, всего, млрд кВт·ч

330 / –

415–440 /

85–110

620–675 /

290–345

Прирост производства электроэнергии

на тепловом потреблении в централи-

зованной сфере, млрд кВт·ч

–

80–100

270–320

Прирост производства электроэнергии

на тепловом потреблении в децентра-

лизованной сфере, млрд кВт·ч

–

5–10

20–25

Выполненные

исследования

по применению различных мето-

дических подходов для описания

динамики изменения теплопотреб-

ления на ретроспективном отрез-

ке времени продемонстрировали

обоснованность

использования

многопараметрических регресси-

онных моделей теплопотребле-

ния. Эти исследования основыва-

лись на сравнительном анализе

различных модификаций линей-

ной и нелинейной регрессионных

моделей теплопотребления [8].

В качестве объекта исследования

рассматривался верхний иерархи-

ческий территориальный уровень

с характеристическим показате-

лем, соответствующим суммарно-

му потреблению тепловой энергии

в стране.

По результатам проведенных

исследований можно сделать вы-

воды о существовании зависи-

мости теплопотребления от ВВП,

выработки электроэнергии и уста-

новленной электрической мощно-

сти электростанций в соответству-

ющий период, а также времени

(значения временного периода).

ПРАКТИЧЕСКИЕ

ИС

СЛЕ

ДО

ВАНИЯ

ПРОГНОЗА

ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ

Методика определения коэффици-

ентов корреляции и определение

коэффициентов

многопараме-

трической регрессионной модели

теплопотребления на ретроспек-

тивном отрезке времени была

реализована в виде алгоритмов,

использующих программы Maple,

предназначенные для решения

инженерных, финансовых, эконо-

мических и технических задач, тре-

бующих привлечения разнообраз-

ного математического аппарата.

Используя регрессионные мо-

дели теплопотребления, получен

диапазон («вилка») значений пер-

спективного

теплопотребления.

Дальнейшее уточнение структуры

теплопотребления основано на

прогнозах социально-экономиче-

ского развития, в частности, тем-

пов роста объемов производства

отдельных отраслей [9].

В соответствии с [9] принят

прогноз изменения ВВП и выпол-

нены расчеты уровней теплопо-

требления с помощью полученных

регрессионных моделей. В связи

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ

Page 5

нию потерь энергии, значитель-

ному снижению расхода топлива,

сокращению эмиссии парниковых

газов.

ВЫВОДЫ

Выполненные исследования пока-

зали, что существующая взаимо-

связь между электро- и теплоснаб-

жением потребителей значительно

влияет на уровни теплового спро-

са. Учет этого фактора повышает

точность прогнозов теплопотреб-

ления и балансовых соотношений

спроса и предложения тепловой

энергии в целом. Это в известной

степени будет предопределять

структурное и технологическое

развитие не только теплоснабже-

ния, но и электроэнергетики.

Одним из перспективных на-

правлений в суровых климатиче-

ских условиях России является

теплофикация, при этом не только

в сфере централизованного, но

и децентрализованного энерго-

снабжения. Повышение ее уровня

позволит повысить долю производ-

ства электроэнергии на тепловом

потреблении с 30,6% в настоящее

время до 45% к 2035 году, прибли-

зит его к районам потребления,

значительно повысит эффектив-

ность тепло-, электроэнергетики,

надежность, управляемость и эко-

логичность энергоснабжения.

Работа выполнена в рамках на-

учных проектов III.17.4.3 про-

г р а м м ы ф у н д а м е н т а л ь н ы х

и с с л е д о в а н и й С О Р А Н ,

рег. № АААА-А17-117030310437-4,

и III.17.4.1. программы фундамен-

тальных исследований СО РАН,

рег. № АААА-А17-117030310432-9.

ЛИТЕРАТУРА
1. Стенников В.А. Проблемы развития теплового хозяй-

ства России и пути их решения. М.: ИНП РАН, 2008.

94 с.

2. Воропай Н.И., Стенников В.А. Инновационные на-

правления формирования систем энергоснабжения

мегаполисов // Оперативное управление в электро-

энергетике, 2018, № 4. C. 40–45.

3. Воропай Н.И., Стенников В.А. Интегрированные энер-

гетические системы — будущее энергетики. М.: ИНП

РАН, 2016. 52 с.

4. Отчет о функционировании ЕЭС России в 2019 году.

СО ЕЭС России, 2019. URL: https://www.so-cdu.ru/

fileadmin/files/company/reports/disclosure/2020/ups_

rep2019.pdf.

5. Синяк Ю.В., Некрасов А.С., Воронина С.А., Семика-

шев В.В., Колпаков А.Ю. Топливно-энергетический

комплекс России: возможности и перспективы // Про-

блемы прогнозирования, 2013. № 1. С. 4–21.

6. Некрасов А.С., Синяк Ю.В., Воронина С.А., Семика-

шев В.В. Современное состояние теплоснабжения

России // Проблемы прогнозирования, 2011, № 1.

С. 30–43.

7. Семикашев В.В., Воронина С.А. Методика построе-

ния баланса производства и потребления тепловой

энергии в системе централизованного теплоснабже-

ния России / Научные труды: Институт народнохозяй-

ственного прогнозирования РАН. Том 14. М.: ФГБУН

Институт народнохозяйственного прогнозирования

РАН, 2016. С. 343–356.

8. Стенников В.А., Добровольская Т.В. Методы регрес-

сионного анализа в исследованиях теплопотребле-

ния в России / Вестник РЭУ им. Г.В. Плеханова, 2018,

№ 2. С. 142–153.

9. Прогноз социально-экономического развития Рос-

сийской Федерации на период до 2036 года. URL:

https://www.economy.gov.ru/material/directions/makroec/

prognozy_socialno_ekonomicheskogo_razvitiya/prognoz_

socialno_ekonomicheskogo_razvitiya_rossiyskoy_fede-

racii_na_period_do_2036_goda.html.

10. Энергетическая стратегия России на период до

2035 года. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026.

11. Теплоэнергетика и централизованное теплоснаб-

жение России в 2014–2018 годах. Информационно-

аналитический доклад. ФГБУ «РЭА» Минэнерго РФ.

URL: https://minenergo.gov.ru/node/17737.

REFERENCES
1. Stennikov V.A. Problems of heat economy of Russia and

possible solutions. Moscow, INP RAN Publ., 2008. 94 p. (In

Russian)

2. Voropay N.I., Stennikov V.A. Innovative ways of metro-

politan power supply system arrangement //

Operativnoye

upravleniye v energetike

[Operative control in power indus-

try], 2018, no. 4, pp. 40–45. (In Russian)

3. Voropay N.I., Stennikov V.A. Integrated power systems

are the future of power industry. Moscow, INP RAN Publ.,

2016. 52 p. (In Russian)

4. Report on UPS of Russia operation in 2019. SO UPS of

Russia, 2019. URL:...

5. Sinyak Yu.V., Nekrasov A.S., Voronina S.A., Semikashev

V.V., Kolpakov A.Yu. Fuel and energy system of Russia:

potentials and perspectives //

Problemy prognozirovaniya

[Forecast aspects], 2013, no. 1, pp. 4–21. (In Russian)

6. Nekrasov A.S., Sinyak Yu.V., Voronina S.A., Semikashev

V.V. Present-day condition of the heat supply in Russia

Problemy prognozirovaniya

[Forecast aspects], 2011,

no. 1, pp. 30–43. (In Russian)

7. Semikashev V.V., Voronina S.A. Procedure of balancing

the production and thermal power consumption in the cen-

tralized heat supply system of Russia /

Nauchniye trudi:

Institut narodnokhozyaystvennogo prognozirovaniya RAN

[Papers of the Institute of National Economic Forecasts of

RAS], vol. 14. Moscow, FGBUN Institut narodnokhozyayst-

vennogo prognozirovaniya RAN Publ., 2016, pp. 343–356.

(In Russian)

8. Stennikov V.A., Dobrovolskaya T.V. Methods of regressive

analysis in studying the heat consumption in Russia /

Vest-

nik REU imeni G.V. Plekhanova

[News of PLEKHANOV

Russian University of Economics], 2018, no. 2, pp. 142–

153. (In Russian)

9. Forecast of the social and economical development of

the Russian Federation for the period until 2036. URL:

https://www.economy.gov.ru/material/directions/makroec/

prognozy_socialno_ekonomicheskogo_razvitiya/prognoz_

socialno_ekonomicheskogo_razvitiya_rossiyskoy_fede-

racii_na_period_do_2036_goda.html.

10. Energy strategy of Russia for the period until 2035. URL:

https://minenergo.gov.ru/node/1026.

11. Heating industry and centralized heat supply in Russia in

2014–2018. Information-analytical report. Federal State Bud-

getary Organization Russian Energy Agency of the Energy

Ministry of RF. URL: https://minenergo.gov.ru/node/17737.

№

3 (60) 2020

Оригинал статьи: Исследование сценариев развития теплоснабжения при обосновании развития электроэнергетики

Ключевые слова: теплопотребление, регрессия, ретроспектива, анализ, прогнозирование

Читать онлайн

Технологическая интеграция теплоснабжающих и электроэнергетических систем на уровне ТЭЦ, сетевых элементов и потребителей обуславливает наличие функциональной взаимосвязи между ними и существенно проявляется при формировании теплового баланса и определении направлений развития теплоснабжения. В статье представлена методология разработки сценариев развития теплоснабжения на основе прогнозирования теплопотребления с помощью регрессионных моделей, учитывающих данный аспект. Показаны зависимости теплопотребления от ряда социальных, технических и экономических параметров. По результатам исследований сформулирована методология и инструментарий для оценки прогнозов и приводятся результаты их практического использования.