Резервы и приоритеты теплоэнергоснабжения российских городов в современных условиях

26 мая 2015 г. в ИНП РАН прошло очередное заседание открытого семинара «Анализ и прогноз развития отраслей топливно-энергетического комплекса» (семинар А.С. Некрасова), на котором Е.Г. Гашо, В.С. Пузаков и М.В. Степанова представили доклад «Резервы и приоритеты теплоэнергоснабжения российских городов в современных условиях» (1.45 Mb).

Е.Г. Гашо рассказал об особенностях становления и развития систем теплоэнергообеспечения промышленности и городов.

Рост и развитие систем теплоснабжения (и теплофикации) городов происходил в СССР по достаточно самобытному пути, как составная часть общего плана электрификации страны. Постепенно ведущим направлением в теплоснабжающем хозяйстве промышленных узлов и городов становится централизованное теплоснабжение – от ТЭЦ могли получать тепло и попутно вырабатываемую электроэнергию все городские потребители.

Концентрация людей в городах – прямое следствие сурового климата (80% территории России относится к климатически неблагоприятным зонам). Централизация проживания дает возможность экономить топливо на отопление, и чем севернее, тем больше экономия. Так, при переходе от коттеджей и частных домов к четырех-, пятиэтажным зданиям удельный расход тепла на отопление снижается в 4-5 раз.

Следующий эффект – теплофикация, совместная выработка тепла и электроэнергии, обеспечивающая еще 25-30% экономии топлива. Это тем более важно для наших городов, потому что в России тепло – основной системный ресурс. 20% топлива потребляется у нас в виде электроэнергии, а 80% – в виде тепла и горячей воды.

А в большинстве стран, с которыми мы привыкли себя сравнивать – наоборот, на единицу тепла приходится 2-3 единицы потребляемой электроэнергии (и мощности), и именно поэтому более востребованы именно электро-преобладающие источники (АЭС, ПГУ).

Суммарный эффект от теплофикации достигал в 70-е годы 26-28 млн. т у.т. в год.

И наконец, третья составляющая экономии – промышленность дотировала ЖКХ сбросным технологическим теплом, паром с промышленных ТЭЦ, вторичными энергоресурсами. Ровный годовой график потребления означал постоянную загрузку турбин, стабильные расходы воды, ровные гидравлические режимы. Результат такой системы мер – надежность и приемлемые тарифы для всех.

В условиях сурового климата и быстрого роста городов во второй половине прошлого века именно системы централизованного теплоснабжения оказались оптимальным инженерным решением. ТЭЦ развивались в соответствии с логикой пространственного освоения страны с помощью создания и расширения территориально-промышленных комплексов. Это давало весьма существенные инфраструктурные и ресурсные преимущества на источниках (экономия топлива за счет комбинированной выработки тепла и электроэнергии), в сетях (экономия капитальных затрат), у потребителей (невысокие тарифы за счет снижения общесистемных издержек), в экологической обстановке городов и др.

Однако сегодня ситуация с ТЭЦ сильно изменилась.

Можно сказать, что в основе всеобъемлющего и массового кризиса систем жизнеобеспечения (тепло-, водоснабжения) страны лежит целый комплекс причин, главные из которых не удорожание топлива и износ основных фондов, а существенное изменение расчетных условий эксплуатации систем, графика тепловых нагрузок, функционального состава оборудования, потеря накопленных инфраструктурных преимуществ.

В период становления теплофикации доминирующую роль играла промышленная нагрузка. Однако после распада СССР значительная доля промышленного комплекса и сопутствующих энергоисточников (около 30-35% суммарного энергопотребления) оказалась вне России, на территории соседних государств (Казахстана, Украины, Беларуси и др.). Соответствующие разрывы технологических связей и систем энерго-, топливоснабжения послужили серьезным фактором ухудшения условий функционирования систем жизнеобеспечения.

На уровне региональных комплексов это привело к радикальному изменению графиков тепловой и электрической нагрузки в результате падения промышленного производства и сопутствующей потере экономии топлива от промышленной теплофикации. В результате значительное число турбин с промышленными отборами оказались без загрузки и перешли в неэффективные конденсационные режимы или были остановлены. Если раньше пиковые значения и характер графиков нагрузки определялся работой промышленности, то в настоящее время в большинстве крупных городов он в гораздо большей степени зависит от коммунально-бытовой сферы и сектора торговли и услуг – так, распределение отопительных котельных (и общей выработки тепла) по территории федеральных округов полностью соответствует численности (и плотности) населения.

При уходе бывших республик СССР после 1991 г., население страны уменьшается на 46%, при этом если большинство населения СССР (свыше 60%) проживало в климатической зоне с ГСОП=3000-4000, то в границах современной РФ большинство населения (72%) проживает при гораздо более неблагоприятных условиях с ГСОП=4000-6000. Это привело к росту доли пиковых и полупиковых режимов оборудования теплоэнергоисточников.

В 1991-1995 годах, хотя установленная мощность ТЭЦ на территории РФ практически не изменялась, выработка электроэнергии на ТЭЦ упала на 18%, а тепла – на 25%.

Комплекс изменений привел в ряде регионов к полной потере системных инфраструктурных преимуществ: выгоды от комбинированной выработки тепла и электроэнергии на источниках стали достоянием в основном частных структур, сетевое хозяйство получило в наследство полный износ, потребители – завышенные и экономически необоснованные тарифы. Лишь в ряде регионов Урала и Поволжья удалось сохранить инфраструктуру энергопромышленного комплекса с резко уменьшившимися преимуществами и пониженными возможностями для территориального развития.

Попробуем теперь интегрально охарактеризовать различные факторы (изменения климатических параметров, тепловой защиты зданий и др.) для эксплуатационных режимов и структуры систем теплоэнергоснабжения разных городов.

Параметры наружного воздуха в течение отопительного периода в последнее время существенно меняются, растут их колебания и амплитуды. Анализ фактических климатических параметров наружного воздуха за последние 15 лет показывает, число градусо-суток отопительного периода для Москвы уменьшилось на 785 (16%), а для Екатеринбурга на 517 по сравнению с действующими нормами (10%).

Довольно существенно растут нормативы тепловой защиты, определяемые как общими рамочными нормами актуализированной версии СНиП «Тепловая защита зданий», так и утверждаемыми на региональном уровне территориальными строительными нормами. Таким образом, совокупно, климат и современная тепловая защита дают сокращение потребности в тепловой энергии примерно на 26–37%. При этом для условий Екатеринбурга доля именно новой тепловой защиты в этом снижении составляет практически 80%.

Необходимо принять во внимание и динамику: суммарный отпуск тепла от ТЭС за последние 20 лет сократился в России в 1,5 раза за счет комплекса факторов, а отпуск электроэнергии – превысил докризисный уровень. Прежде жилищный фонд потреблял около 6-7 Гкал тепла и 500-600 кВт*час электричества на человека в год. Такой уровень электропотребления актуален для ряда регионов и сегодня. Однако в целом сегодня ЖКХ потребляет меньше тепла (4,5 5,5 Гкал на человека в год) и больше электричества (850-950 кВт*час на человека в год). Эта тенденция сохранится, что мы и видим на примерах пилотных и пионерных проектов (тот же микрорайон «Академический» в Екатеринбурге). Можно прогнозировать, что теплопотребление еще упадет примерно до уровня 4 Гкал, а электропотребление значительно вырастет.

При этом суммарное потребление топлива населением почти не растет и держится на уровне 1-1,1 т у.т. (в средней полосе страны) на человека в год (на эту цифру влияют климат, наличие ТЭЦ и т.п.), а вот структура потребления изменяется.

Во многих городах страны довольно активно идет работа по капитальному ремонту жилого фонда, в ходе которой реализуется комплекс энергосберегающих мероприятий: модернизация инженерных систем и освещения, реконструкция ограждающих конструкций и замена окон на энергосберегающие, установка систем регулирования теплопотребления. Такая поэтапная и последовательная реализация комплекса мер по энергосбережению приносит соответствующие эффекты как в снижении расходов тепловой энергии на отопление зданий, так и в сокращении потребления горячей и холодной воды населением. Важно, чтобы политика энергосбережения была целостной и последовательной: от узлов учета к системам мониторинга и оплате по факту, от первичного регулирования к возможности управления спросом и суммарному радикальному сокращению потерь энергии на всех стадиях технологической цепочки от источника к потребителям.

Анализ показаний приборов учета тепловой энергии (за 2012-2014 гг.) около 3000 зданий в г. Москве показал по-прежнему наличие существенных расхождений фактических и расчетных нагрузок, реального и договорного потребления тепловой энергии различными зданиями. Показания приборов учета фиксируют удельные значения в диапазоне 0,08-0,33 Гкал/м2, в среднем около 0,226 Гкал/м2. При этом среднее значение теплопотребления всех зданий города (по данным энергобаланса) составляет около 0,14-0,15 Гкал/м2.

При этом необходимо отметить, что около 950 счетчиков тепла в зданиях неработоспособны (31%) и требуют ремонта или поверки. Всего около 1000 зданий (33%) потребляют тепловую энергию в соответствии с расчетными значениями (или несколько ниже), свыше 1050 зданий (35%) согласно приборам учета потребляют тепла значительно больше расчетных значений.

Усредненная величина «перепоставок» тепловой энергии зданиям составляет от 122% до 138%, при этом количество зданий с зафиксированным приборами «перетопами» колеблется в зависимости от месяца в пределах 12-25%. Количество зданий с «перебором» тепловой энергии максимально в октябре и марте-апреле, минимально – в декабре-январе. Основными причинами «переборов» тепла зданиями в значительной степени является разрегулированность домовых инженерных систем (~24%) и гидравлики в контуре ЦТП (~55%).

Важно отметить, что новые здания разных серий, которые по заверениям строителей, имеют необходимые параметры тепловой защиты (3,13 град*м2/Вт), на деле потребляют энергии на 25-30% больше, что соответствует существенно меньшим параметрам приведенного сопротивления теплопередачи ограждений (0,8-1,3 град*м2/Вт).

Тем не менее ситуация все же меняется. На стороне потребителей – новые здания с улучшенной теплозащитой потребляют меньше тепла, но больше электроэнергии: и прежнее соотношение Q/N падает от 3,5-4/1 к 1,5/1 и кое-где даже сравнивается. В городах впервые за многие годы проявляется летний пик электропотребления за счет кондиционирования. Ситуация в крупных городах «дрейфует» к западной (где Q/N = 1/3–1/2). Очевидны изменения и на стороне источников – это гибкость, ГТУ надстройка, эффективные микротурбины, ВИЭ всех видов, топливные элементы.

В.С. Пузаков рассказал про опыт разработки и использования схем теплоснабжения в России (данный материал уже был освещен на Портале и доступен по ссылке).

М.В. Степанова посвятила свою часть доклада развитию теплоснабжения в рамках нового технологического уклада.

Понимая природу и суть изменений в российских условиях организации теплоснабжения, нельзя забывать о внешней среде. Происходящие глобальные сдвиги столь явственны, что это дает ряду исследователей возможность говорить о смене технологического уклада, суть которой как раз в технологиях для городов. «Мировые города» в последние годы бурно развиваются, причем в качественно новых направлениях. Главное – они поворачиваются к комфорту жителя и небывалому ранее балансу со средой, устойчивости, при этом становясь центрами новой индустриализации.

Ключевой проблемой устойчивого характера развития городов, тем более в наших климатических условиях, являются энергетические системы жизнеобеспечения. Прежде чем проектировать модернизацию теплохозяйства, энергохозяйства и в целом систем жизнеобеспечения российских городов, необходимо разобраться с глобальными изменениями – каковы перспективы, к чему они приведут, насколько и как коснутся нас. Эти процессы активно идут уже несколько лет, и можно говорить об определенных тенденциях.

Первая из них – снижение потребности в углеводородном топливе, тепловой и электрической энергии в несколько раз от существующих уровней потребления. Еще одна – системное снижение стоимости тепловой и электрической энергии за счет замещения традиционных видов топлива местными источниками, в том числе возобновляемыми. Предпосылками этого стали и экологическая озабоченность (глобальное изменение климата, вызванное традиционной антропогенной деятельностью по сжиганию углеводородов), и потребность достижения независимости от внешних поставок топливно-энергетических ресурсов.

Одна из характерных черт этой новой энергетической парадигмы – ориентация на интересы потребителя, а не производителя энергии. Это можно отметить как принципиальное отличие от российской ситуации, где логика развития энергосистем диктуется генерацией, дальше сетями, но в целом – так называемым «Большим энергетическим лобби», соперничать с которым сложно даже крупнейшим промышленным потребителям, например, металлургическим холдингам, и даже целым отраслям.

Еще одна отличительная особенность – «развитие» теперь, в новых условиях, означает не повышение, а понижение энергопотребления. Эта революция в умах в России еще впереди.

Необходимо сказать о тенденции регионализации и даже локализации систем энергоснабжения, росте местных видов топлива в топливно-энергетических балансах. Это рассматривается как мера обеспечения энергетической безопасности городов и поселений в условиях растущей нестабильности конъюнктуры внешних рынков энергоносителей и роста цен на углеводороды.

Наглядно демонстрируют степень взросления этих процессов, например, широко известная Стратегия «20-20-20» (к 2020 году снизить энергопотребление и выбросы парниковых газов на 20%, а долю возобновляемых источников энергии довести до 20%), а также европейская Директива EPBD – директива об энергетической эффективности зданий. Согласно этому документу, к 2020 году все страны Евросоюза должны провести энергетическую модернизацию существующих зданий до стандарта энергопассивного дома. Вновь строящиеся здания к этому сроку будут соответствовать стандарту «зеро», т.е. практически не потреблять энергию извне в годовом балансе.

Германия является европейским пионером в процессах повышения энергоэффективности зданий – за несколько десятков лет норма энергопотребления зданий в Германии снизилась от уровня 265 кВт-ч на кв. м в год до 15 кВт-ч на кв.м в год, то есть почти в 20 раз. Причем в каждой стране существуют возможности сделать эти мероприятия экономически целесообразными, то есть окупаемыми для инвестора в пределах жизненного цикла здания.

Одновременно с резким снижением энергопотребления зданий развивается возобновляемая энергетика. Надо понимать, что для лидера в этом движении – Европейского Союза – в большинстве случаев климатические условия существенно иные, нежели в большинстве регионов России. Однако описываемые тренды – общемировые, их можно наблюдать и в Норвегии, Дании, Швеции, и в Канаде. Прогнозы показывают, что к 2030 году значительная доля энергопотребления в ЕС будет автономной, а централизованные энергосистемы останутся либо для резервирования и покрытия пиковых нагрузок, либо там, где это экономически целесообразно (так, в североевропейских странах около трех четвертей в балансе занимают комбинированные источники, теплофикация, и очень развита тригенерация – совместная выработка электроэнергии, тепла и холода).

Анализ зарубежного опыта городских энергетических политик позволил выявить ряд их характерных особенностей:

  1. Единство методологии по горизонтали и вертикали (движение от общего к частному, от установки крупных целей к их детализации в специфических и отраслевых документах более низкого порядка, в документах более низких уровней управления)
  2. Сквозная вовлеченность всех сторон и всех уровней управления
  3. Конкретные измеримые цели
  4. Ужесточение показателей со временем (например, к 1 января 2019 года все правительственные здания в ЕС должны стать близкими к нулевому потреблению энергии («nearly zero energy buildings», NZEB), а с 1 января 2021 года такими должны стать все строящиеся здания; логика ужесточения требований – приближение к оптимальной эффективности затрат при 30-летнем жизненном цикле)
  5. Специальные справочники НДТ (например, в ЕС несколько десятков справочников разработаны в развитие директивы Directive 2008/ 1/EC (IPPC Directive) по предотвращению и контролю за выбросами и дают рекомендации по энерго- ресурсоэффективности процессов)
  6. Доступность и систематизированность информации для бенчмаркинга (например, в Чикаго приказом мэра введены требования к проведению бенчмаркинга зданий)
  7. Возможности и требования по использованию ВИЭ для энергопотребления зданий (обычно требование минимальной доли энергии из возобновляемых источников для энергообеспечения здания, в Германии в зависимости от типов ВИЭ и типа здания колеблется в диапазоне от 15% для солнечной энергии до 50% для биоэнергии; в некоторых федеральных землях требуется использование возобновляемых источников энергии в рамках капитального ремонта существующих зданий; в Великобритании обязательна доля ВИЭ в нежилых зданиях в размере 10 %)
  8. Обучение (в Германии требование профессиональной подготовки и привлечения для работ в существующих коммерческих зданиях для архитекторов, гражданских строителей, проектировщиков и строителей инженерных систем, строительных физиков, специалистов по инженерной электрике)
  9. Для существующих жилых зданий, кроме перечисленных: дизайнеры; специалисты в области строительства, внутренней отделки зданий и строительной механики; техники, сертифицированные государственными органами
  10. Паспортизация объектов (например, в Германии установлено обязательство заполнения энергетического сертификата/паспорта для существенно модернизированных зданий, а также для зданий общественного пользования и малых жилых зданий, не соответствующих первому постановлению о тепловой изоляции 1977 года; в Великобритании и Дании старая форма паспорта здания была изменена с приоритетом показателей энергоэффективности и выбросов СО2)
  11. Электронные базы данных (например, т.н. «Энергетическая бухгалтерия» в Австрии, авторизованным пользователям предоставляется доступ к массивам данных по генерации и потреблению энергии в стране)
  12. Сертификация и энергомаркировка стройматериалов, технологий, оборудования, зданий (является основой для политик стимулирования и технологических коридоров, создает рыночный механизм капитализации высокой энергоэффективности)
  13. Сочетание экономического стимулирования и административных запретов

В целом можно говорить о формировании целых секторов экономики, новых рынков, связанных по технологическим цепочкам с новым оборудованием, материалами, технологиями. Так, только рынок энергетической модернизации зданий стран Евросоюза до целевых стандартов оценивается в 1,5–2 трлн. евро.

Крупнейшие мировые города объединены в группу С40, основная цель которой – скоординировать усилия в сфере повышения энергоэффективности городского хозяйства, ограничений выбросов парниковых газов и адаптации к климатическим изменениям. Три четверти городов-членов группы С40 внедряют инициативы роста энергоэффективности зданий; 67% взяли на себя обязательства по выполнению определенных зеленых стандартов; 73% реализуют программы «зеленых» школ; в 61% городов приняты муниципальные программы «зеленой» среды. Столица России Москва – также официальный член группы С40.

Во многих развитых европейских странах были введены законодательные стимулы для поддержки когенерации. В Великобритании, Германии, Франции, Польше и многих других странах существуют так называемые «зеленые тарифы», распространяющиеся и на когенерацию. На электроэнергию, выработанную в теплофикационном цикле, оформляются специальные сертификаты, оплачиваемые за счет всех потребителей электроэнергии.

В Великобритании, Испании, Италии, Нидерландах существуют налоговые льготы для энергокомпаний, производящих электроэнергию в комбинированном цикле, в Германии ТЭЦ не облагаются экологическим налогом. Большинство стран Евросоюза выделяют специальные гранты на строительство новых ТЭЦ.

Директива ЕС 2004/8/EC по комбинированному производству электроэнергии и тепла является основополагающим документом для создания национальных законов и актов. Все эти меры привели к тому, что сегодня около 11% от всей электроэнергии, производимой в Европейском Союзе, вырабатывается в режиме когенерации.

Лидерами по этому показателю являются Дания – 50%, Нидерланды – 40% и Финляндия – 35%. Непривычно, что этот процент весьма высок и в относительно теплых странах: Австрия – 25%, Италия – 18%, Испания и Португалия – 13%. Планируется к 2030 г. за счёт расширения когенерации во Франции, Германии, Италии и Великобритании увеличить её долю до 29% в общем объеме электроэнергии, производимой в каждой стране. В соответствии с новой директивой ЕС этого года по энергоэффективности, все страны-члены Евросоюза должны разработать национальные программы по развитию когенерации.

В России в рассматриваемый период наблюдалась прямо противоположная тенденция – новые ТЭЦ не строились, а действующие потеряли существенную часть тепловой нагрузки. Сегодня доля электроэнергии, вырабатываемой в теплофикационном цикле, составляет всего 14% от её общего производства в стране. Динамику развития локальных энергоисточников можно продемонстрировать на примере изменений в теплоснабжении за период с 1990 по 2010 годы:

  • общее потребление тепла в централизованных системах снизилось на 14% (с 1568 до 1355 млн Гкал)
  • отпуск тепла от ТЭЦ снизился в 2 раза (с 792 до394 млн Гкал), а в теплофикационном цикле на 48% (с 655 до 344 млн Гкал)
  • отпуск тепла от котельных увеличился на 25% (с 766 до 961 млн Гкал)
  • потребление сетевого газа индивидуальными теплогенераторами жилых домов увеличилось в 3 раза (с 16 до 48 млрд м³), а производство тепла от них выросло в 1,6 раза (с 221 до 357 млн Гкал)

Исходя из вышеописанного, можно сформулировать общие принципы и приоритеты нового энергетического уклада:

  1. Необходимость учета ключевых факторов в структуре потребления энергии в увязке с ситуацией на энергоисточниках
  2. Сбалансированное сочетание традиционных и нетрадиционных энергоисточников в зависимости от региональных факторов и особенностей
  3. Сочетание централизованных и распределенных энергоисточников для обеспечения разнородной тепловой и электрической нагрузки потребителей в базовом и пиковом режимах
  4. Включение современных информационно-аналитических систем, мониторинга базовых показателей функционирования энергосистем в цикл принятия ключевых решений развития энергокомплекса
  5. Учет особенностей потребителей, методы управления спросом, активная пропаганда энерго- и ресурсосберегающего образа жизни

В этом смысле особую роль играет эффективное целостное проектирование городской агломерации, с помощью которого можно достичь целого ряда позитивных эффектов:

  1. экономические эффекты за счет комплекса решений в инженерной инфраструктуре:
    1. на этапе первоначальных инвестиций до 9-12% за счет снижения затрат на прокладку тепловых сетей на 13-18%, снижения установленных генерационных мощностей за счёт тригенерации и централизации тепло- и хладоснабжения на 15-19%, за счёт повышенной теплозащиты зданий до 40% за счёт специальных инженерных решений и распределенных пиковых источников до 24-26%; снижения мощности очистных сооружений на 21-23%
    2. на этапе эксплуатации до 31-39% за счет снижения потребления тепловой энергии на 40-60%, электрической энергии – на 30-40%, питьевой воды – на 40-60%; за счет источников малой генерации – до 20%; за счет автоматизации, централизации мониторинга и управления 7-15% от средних значений для городов
    3. повышение КПД. использования топлива до 85-90%
  2. соответствие инженерных инфраструктур концепции компактного города и экономия пространства (на 13-16% за счет уменьшения диаметров труб, на 21-23% за счёт снижения размеров очистных сооружений, на 3-6% снижение площади отчуждения и высвобождение территории)
  3. обеспечение надежности систем жизнеобеспечения (снижение количества аварий на коммунальных сетях от средней величины и снижение издержек на аварийные ремонты до 70% от средних значений для российских городов; отсутствие отказов серверного оборудования датацентров; отсутствие фактов ограничения потребителей в предоставлении коммунальных ресурсов, недопущение затоплений территории)
  4. повышение комфортности для резидентов за счет возможностей регулирования и качества поставляемых энергетических ресурсов и воды.