В рамках ряда работ по климатической адаптации крупных городов, выполненных по инициативе Правительства Москвы коллективом ученых при координации со стороны МЭИ, были выявлены взаимосвязи между динамикой изменения частоты и амплитуды климатических явлений, и состоянием элементов городской инфраструктуры, а также проводился анализ мер по снижению их уязвимости. О том, к каким результатам пришли специалисты в данных исследованиях, рассказывает научный сотрудник НИУ МЭИ Александр Кролин.
Важной составляющей анализа, направленного на поиск оптимальных решений по адаптации московской агломерации к климатическим изменениям, неизменно являлось сравнение состояния и перспектив развития мегаполисов мира, сопоставимых по различным критериям с Москвой. К числу анализируемых факторов и объектов, например, относилась оценка влияния государственной климатической и энергетической политики, законодательства и действий, а также технической и экологической политики энергокомпаний на состояние конкретных объектов городской инфраструктуры, их климатическую уязвимость и эффективность функционирования.
Целью данной статьи не является полное представление результатов проведенных исследований. Хотелось бы лишь остановиться на некоторых аспектах, связанных с функционированием систем энергоснабжения крупнейших мегаполисов мира в их взаимосвязи с климатическими изменениями и политикой.
По оценкам ООН, в 2018 году в мире насчитывался 81 мегаполис с населением более 5 миллионов человек, в 65-ти из которых проживало более 7,5 миллионов жителей. При этом указываемая в различных источниках информации численность населения в одних и тех же городах и агломерациях может отличаться, иногда весьма существенно.
Отличия в количестве проживающего на территории мегаполиса населения по оценкам различных источников информации могут являться следствием множества факторов, все из которых учесть практически невозможно. К таким факторам в первую очередь относятся:
- различия в определении мегаполиса («собственно город», «городская территория», «мегаполис», «городская агломерация», «столичный регион»), в следствие чего не исключены разночтения в определении их границ и, следовательно, в оценке количества людей, проживающих на рассматриваемых территориях;
- динамики изменения населения во времени за счет миграции и возможного изменения административных границ поселений – авторы рассмотренных нами, хотя и относительно свежих, обзоров проводили свои оценки не в одно и то же время, а, кроме того, могли использовать данные, соответствующие различным временным периодам.
Наиболее свежая (август 2023 года) информация по населению мегаполисов представлена в [1], где приводятся данные по количеству проживающих в «городских агломерациях».
При таком многообразии мегаполисов с сопоставимым с Москвой количеством жителей (по оценкам ООН в Москве население «собственно города» составляет 13,2 млн чел., «городской территории» - 17,33 млн чел., «столичного региона» - 20 млн чел.; а в соответствии с [1] население московкой «городской агломерации» составляет 18,8 млн чел.) выбор относительно небольшого количества из них, подходящего для более-менее сопоставимого анализа состояния их инфраструктуры, представлял собой непростую задачу.
В таблице представлен список из 10-ти релевантных мегаполисов, расположенных на территориях 10-ти различных государств. При выборе учитывались количество жителей, климат и степень развитости городской инфраструктуры/ уровень экономического развития региона.
|
№ п/п |
Мегаполис |
Страна |
Население, млн. чел. |
|
1. |
Япония |
37,7 |
|
|
2. |
Индия |
32,2 |
|
|
3. |
Южная Корея |
23 |
|
|
4. |
США |
21,5 |
|
|
5. |
Пекин |
Китай |
18,5 |
|
6. |
Буэнос-Айрес |
Аргентина |
16,7 |
|
7. |
Турция |
16,1 |
|
|
8. |
Великобритания |
11,2 |
|
|
9. |
Канада |
6,7 |
|
|
10. |
Испания |
6,9 |
С учетом всех критериев выбора некоторые агломерации, имеющие наибольшее количество жителей, в данный список не попали. Например, многие крупные мегаполисы, расположенные в Азии и Африке, в список включены не были по причине расположения на территориях с жарким или теплым климатом, слишком контрастирующим с московской погодой, и/или из-за недостаточной развитости городской инфраструктуры.
При этом важно понимать, что по суровости климата в зимний период в мире найдется немного мегаполисов – конкурентов нашей столице. Например, в списке выбранных для сравнительного анализа мегаполисов мира к таким городам может быть условно отнесен только Торонто, остальные города находятся в гораздо более благоприятных климатических условиях, и в большой степени не требуют существенных затрат на теплоснабжение.
Следует отметить, что почти все из референтных мегаполисов являются столицами государств. Исключение составляют Торонто и Нью-Йорк.
Торонто попал в данный список ввиду гораздо большей степени сопоставимости с Москвой по количеству населения и климатическим условиям, чем Оттава, официальная столица Канады, которая при этом даже не является мегаполисом. Почти то же самое относится и к Нью Йорку, который расположен севернее Вашингтона и значительно крупнее него по количеству жителей.
Доклад МГЭИК об изменении климата, опубликованный в августе 2021 года, стал жестким напоминанием о том, что человечество совершенно однозначно вносит заметный вклад в глобальное потепление и изменение окружающей среды, а значит и условий нашего существования на планете. В целом правительствам и людям в большинстве стран стало очевидно, что вне зависимости от этой величины антропогенного воздействия и его доли в общемировых парниковых процессах, нужно предпринимать конкретные действия для снижения риска превращения глобального потепления в необратимую тенденцию.
С одной стороны, возрастающая декларируемая и подтвержденная законодательно приверженность правительств многих государств и компаний по всему миру целям по достижению нулевых антропогенных выбросов является обнадеживающим признаком того, что реальность мирового климатического кризиса является осознанной мировым сообществом. С другой стороны, в докладе отмечалась явная недостаточность принимаемых действий на пути достижения этих целей на уровне конкретных правительств, регионов и компаний, и, в конечном итоге, в глобальном масштабе. Эти действия требуют значительной интенсификации для того, чтобы цель удержать рост глобальной температуры к концу этого столетия до уровня 1,5о С, под которой подписалось абсолютное большинство стран мира, была достигнута. К сожалению, с учетом изменения политической и экономической ситуации в мире в последние годы, эта цель становится все более и более призрачной.
Как известно, Парижское соглашение по климату было принято на Всемирной климатической конференции в 2015 году. В настоящее время участниками этого международного договора являются 189 стран, включая Россию. Российская Федерация вместе с подавляющим большинством стран мира также заявила о своем определяемом на национальном уровне вкладе (ОНУВ) в борьбу с изменением климата в рамках реализации Парижского соглашения.
В этих документах, которые подлежат обновлению каждые пять лет, страны принимают обязательства по величине снижения парниковых выбросов к 2030 году в сравнении с уровнями 1990 т 2010 гг., а также устанавливают другие цели и обязательства, включая обязательство по достижению «углеродной нейтральности» к определенному сроку (как правило, к 2050 году или позже). Очередное обновление ОНУВ, которое должно охватывать все секторы экономики, намечено на 2025 год – к запланированной на конец года конференции ООН по климату в Бразилии (COP30)
При оценке степени влияния антропогенной деятельности на климат, а также при поиске путей снижения выбросов парниковых газов в атмосферу, в том числе объектами топливно-энергетической инфраструктуры как основных эмитентов СО2, важно понимать, что страны мира находятся в разных политических и экономических условиях и не только отвечают за различные уровни выбросов, но и имеют несопоставимые возможности по их снижению.
В той или иной степени данная аксиома продемонстрирована на диаграмме, которая показывает, что из 20-ти выбранных для сравнения стран, наибольшее отрицательное воздействие на климат оказывают Китай и США, суммарные парниковые выбросы которых превышают суммарную величину выбросов остальных 18-ти стран. Что касается возможностей по их сокращению, то в наибольшей степени ими должны обладать страны с высоким уровнем ВВП на душу населения (круглые метки над пунктирной линией). В то же время ожидать существенных шагов на пути «энергетического перехода» от стран с низким уровнем экономического развития, таких, например, как ЮАР, которые все свои национальные обязательства по сокращению парниковых выбросов (ОНУВ) связывают исключительно с ожидаемыми международными инвестициями, или Индия, которая в первую очередь озабочена повышением уровня электрификации своих населенных пунктов, не приходится.
Комментарии к диаграмме: уровни выбросов СО2 в млн тонн (ось ординат слева – высота столбцов) и ВВП на душу населения в долл. США/чел. (ось ординат справа – высота расположения круглых меток) 20-ти стран мира
Тенденции развития энергетических компаний развитых мегаполисов
К основным мировым трендам в развитии систем энергоснабжения относятся:
• Декарбонизация - переход к чистой и безуглеродной экономике – главным образом, путем интеграции и увеличения доли возобновляемых источников энергии, а также за счет внедрения технологий улавливания, хранения и утилизации парниковых газов.
Основным инструментом декарбонизации энергетических секторов является использование ВИЭ при производстве электрической и тепловой энергии. На пути внедрения ВИЭ в электроэнергетические системы стоит множество барьеров, главным из которых являлась (а в определенных условиях и продолжает оставаться) экономическая неэффективность их использования по сравнению с традиционными источниками энергии. Это связано как с высоким уровнем удельных капитальных затрат на строительство таких источников, так и с повышенной себестоимостью выработки электроэнергии, что является прямым следствием их нестабильной работы – низким коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ).
Однако эта ситуация в процессе непрерывных технологических улучшений и инноваций, а также с расширением внедрения ВИЭ и увеличения единичной мощности установок стала кардинально меняться в последние годы.
В соответствии с отчетом Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) только с 2019 г. по 2020 г. себестоимость выработки электроэнергии на крупных станциях, использующих ВИЭ, сопоставимых по мощности с ТЭС, работающими на ископаемом топливе, снизилась от 7% до 16% - в зависимости от вида установок.
На рисунке показано снижение себестоимости выработки электроэнергии на источниках, использующих ВИЭ, в период с 2019 по 2020 гг. Снижение произошло: на 7% на солнечных фотоэлектрических электростанциях, на 9% на ветроэнергетических установках (ВЭУ), расположенных на морском шельфе, на 13% на ВЭУ, расположенных на суше, на 16% на солнечных электростанциях, использующих концентраторы.
В глобальном масштабе тренд на увеличение выработки электроэнергии установками на возобновляемых источниках энергии в последние годы только усиливался, и нет оснований полагать, что в будущем эта тенденция существенно изменится. Это происходит даже с учетом частичной переориентации энергетической политики развитых европейских стран в последние несколько лет с безопасности экологической на безопасность экономическую, что, главным образом, выражалось в расконсервации угольных мощностей и увеличении импорта сжиженного природного газа (СПГ). Несмотря на это, ввод электрических мощностей на базе ВИЭ в глобальном масштабе в настоящий момент продолжается практически прежними темпами.
• Децентрализация - означает переход к географически распределенным системам электроснабжения с большим количеством многоуровневых производителей и потребителей электроэнергии. Некоторые регионы сегодня производят электроэнергию самостоятельно, поскольку не подключены к распределительным сетям ввиду удаленности от централизованных источников электроснабжения.
• Цифровизация - подразумевает широкое использование вычислительных машин и устройств и современных информационных технологий на всех уровнях энергосистемы, от производства электроэнергии до ее конечного пользователя. Кроме того, цифровизация предполагает усовершенствования средств мониторинга, защиты и контроля работы энергосистемы и интегрирование в сеть электронных технологий и устройств.
Электроэнергетика в последние годы все больше сталкивается с серьезными проблемами, связанными с обеспечением баланса между спросом на электроэнергию и ее предложением. Увеличение доли генерации от переменных во времени энергетических ресурсов, таких как установки, использующие ВИЭ, с одной стороны, способствует процессам декарбонизации, но, с другой стороны, создает проблемы, которые включают повышенную потребность в регулировании, в накопителях энергии и в резервировании электрических мощностей. Необходимость автоматизированного управления режимами энергосистем и распределительных сетей обостряется масштабным ростом энергоэффективности на стороне потребления электроэнергии, что часто выражено в увеличении спроса на использование инверторных технологий, например, при использовании электротранспорта. Нуждаются в новых средствах автоматизации и распределительные сети, особенно в тех случаях, когда они должны работать с потоками энергии в двух направлениях, тогда как раньше энергия текла только в одном направлении – от производителя к конечному потребителю.
На решение данных проблем направлена цифровизация электроснабжения, связанная не только с компьютеризацией и многоуровневой диспетчеризацией сетей различных уровней напряжения – от распределительных до магистральных, но и с внедрением цифровых технологий на источниках и трансформаторных подстанциях при максимально возможной автоматизации управления ими.
Достижение максимального уровня цифровизации энергоснабжения невозможно без применения современных инновационных технологий, оборудования и материалов. Некоторые из таких инноваций кратко рассматриваются ниже.
Инновации в области генерации электроэнергии
Эффективность электростанций, сжигающих ископаемое топливо, в целом в мире продолжает повышаться. Генераторы комбинированного цикла и другие типы генераторов, работающих на природном газе, с КПД порядка 57 - 65% в настоящее время являются нормой. Развитие технологий конструирования генераторов, работающих на природном газе, ускоряет отказ от менее эффективных электростанций, работающих на угле и нефти, что снижает выбросы углекислого газа.
Эти генерирующие агрегаты также обеспечивают повышенную гибкость, например, возможность быстрого запуска, что облегчает интеграцию переменных ресурсов, однако следует учитывать, что, поскольку современные газовые генераторы имеют меньшую инерционность, их широкое применение отрицательно влияет на частотную характеристику электросети. Современные технологии и конструкции повышают эффективность и срок службы ветровых и солнечных электростанций, а также снижают затраты на их техническое обслуживание. Важные инновации в средствах управления улучшают характеристики напряжения и частоты электрической энергии, подаваемой этими источниками в сеть.
Инновации в области транспортировки электроэнергии
Использование возобновляемых энергоресурсов зачастую происходит вдали от мест электропотребления, что может привести к необходимости повышения пропускной способности ЛЭП. При этом нестабильный характер ветровых и солнечных ресурсов в сочетании с переменным спросом на электроэнергию подвергает энергосистему воздействию широкого диапазона изменений передаваемой мощности.
Высоковольтные ЛЭП постоянного тока и гибкие системы электропередачи переменного тока (FACTS), которые используют силовую электронику, являются инновационными технологиями на пути решения этой проблемы. Среди прочего они способны обеспечивать передачу энергии на большие расстояния, сетевое управление реальной мощностью и напряжением, а также управлять вспомогательными средствами, поддерживающими необходимую частоту переменного тока. С применением новых устройств силовой электроники, в первую очередь, быстродействующих автоматических выключателей высокого напряжения и средств управления, сети высокого напряжения постоянного тока становятся все более распространенными. Применение инновационных разработок в оборудовании высоковольтных трансформаторных подстанций позволяет лучше использовать доступные площади.
Инновации в распределительных сетях электроснабжения
Иновационные системы автоматизации, такие как система обнаружения неисправностей, мест нарушения изоляции и контроля технического обслуживания (FLISR), внедряются коммунальными предприятиями в распределительных системах для повышения их надежности. Схемы автоматизации, такие как FLISR, необходимы для экономичного повышения надежности и контролируются, а также управляются в режиме реального времени с помощью систем диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Автоматизация распределения также может обеспечить поддержку использования распределенных источников энергии, обеспечивая необходимую гибкость по передаваемой мощности. «Четырехквадрантные» интеллектуальные инверторы в сочетании с системами хранения энергии обеспечивают возможности для относительно недорогой поддержки уровня напряжения и контроля колебаний напряжения и частоты переменного тока в распределительных сетях.
