Сотрудники лаборатории глобальных проблем энергетики Национального исследовательского университета «МЭИ» завершают исследования фундаментальных проблем обеспечения надежности энергетических систем в условиях климатических изменений на территории России. Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований. Как рассказал член-корреспондент РАН Владимир КЛИМЕНКО, главный научный сотрудник НИУ «МЭИ», была сделана оценка глобальных биотических потоков углерода в атмосферу при различных сценариях изменения площади лесов в умеренно-бореальной и тропической зонах. Одной из основ для анализа послужили сведения национальных инвентаризаций лесных земель, а другой — оценки площадей поверхности планеты, покрытых древесной растительностью, полученные по данным дистанционного зондирования Земли. Прогнозируются три новых сценария изменения площади лесов. Они базируются на различных предположениях об их судьбе на планете — от экстраполяции современных тенденций до перехода к практике лесопользования с повсеместным полным воспроизводством.
— Сведение лесов для получения пастбищ и пахотных земель, заготовки дров и строительных материалов и, наконец, с инфраструктурными целями (строительство городов, дорог, нефте- и газопроводов) — это значительное антропогенное вмешательство в природу с серьезными последствиями для глобального климата и экологии, — рассказал Владимир Викторович. — Обезлесение приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, росту глобальной температуры и значительной трансформации полей осадков. Заметное нарастание концентрации CO2 в атмосфере, связанное почти исключительно с вырубкой деревьев и их последующим сжиганием, уже имело место, начиная еще с конца XVIII века. В индустриальный период к значительно возросшим биотическим потокам углерода в атмосферу был прибавлен мощный промышленный выброс углекислого газа, связанный с сжиганием органического топлива. К концу XX века в результате сложения многих факторов, в том числе антропогенного восстановления лесов умеренного и бореального поясов и так называемых обратных связей, действующих в условиях повышения концентрации CO2 и роста температуры (расширение площадей, занимаемых континентальной биотой в высоких широтах, возрастание фиксации атмосферного углерода растениями и др.), биотический нетто-поток углерода в атмосферу начал заметно снижаться и в конце концов поменял свой знак. То есть теперь биосфера представляет собой эффективный резервуар для стока углерода из атмосферы. От того, насколько устойчив нынешний тренд, в значительной мере зависят будущие концентрации CO2, а с ними также масштаб ожидаемых климатических изменений и реакция на них мирового сообщества. Более того, нами достаточно убедительно показано, что без глобальной программы лесовосстановления никакие другие мероприятия не помогут достичь главной цели Парижского соглашения — удержать повышение температуры в пределах 2 или 1,5 градуса.
— А как это связано с надежностью энергетических систем?
— Энергетика относится к отраслям экономики, наиболее подверженным влиянию природно-климатических факторов. Нашими сотрудниками выполнен обширный анализ воздействия наблюдающихся и ожидаемых изменений климата на объекты отечественной энергетики. Суммарный эффект от них оценен как определенно позитивный в основном благодаря существенному снижению потребности в отоплении. Однако на этом благоприятном фоне различные экстремальные проявления погодно-климатических процессов могут существенным образом осложнить работу энергетических объектов.
— Например?
— Например, в умеренных и высоких широтах на самые морозные дни приходится пик потребления энергии. Это может приводить к дефициту генерирующих мощностей. Так, в особенно холодные дни зимы 2006/2007 годов были введены ограничения в Московской энергосистеме, а прошедшей зимой весь мир с удивлением узнал, насколько уязвимы к внезапно нахлынувшему резкому похолоданию энергосистемы ведущих стран Америки и Европы. В регионах с более теплым климатом особенно опасны волны жары, так как в это время наряду с ростом потребления электроэнергии (в первую очередь на кондиционирование воздуха в помещениях) возникают проблемы с работой атомных и тепловых электростанций. За последние десятилетия в мире наблюдалось множество инцидентов, когда в жаркие летние периоды приходилось ограничивать снабжение электроэнергией подчас десятков миллионов потребителей и даже останавливать работу ТЭС и АЭС.
Мы исследуем изменения температурных экстремумов на территории России и оцениваем их влияние на энергетические балансы энергосистем в динамике. Метеорологические параметры наряду с экономическими показателями и техническими характеристиками относятся к основным входным данным, определяющим работу региональных энергосистем: от потребления электроэнергии до запаса мощности ТЭЦ, необходимой для покрытия тепловой нагрузки в морозные дни. Уточнение входных метеорологических данных имеет самое непосредственное практическое значение при планировании работы региональных энергосистем.
— Откуда вы эти данные берете? Достаточно ли их для построения практически применимой модели?
— При проектировании, модернизации и эксплуатации энергетических объектов влияние климата, как правило, учитывается с помощью справочных данных. Но справочные характеристики необходимо регулярно обновлять. К примеру, данные нормативов по строительной климатологии в России, определяющие требования к системам отопления, вентиляции и кондиционирования, последний раз были актуализированы в 2012 году, чтобы учесть наблюдаемые на территории страны изменения климатических параметров. Однако с тех пор уже были превышены некоторые метеорологические рекорды: достаточно упомянуть необычайно теплую зиму 2019/2020 годов. Климатические характеристики, рассчитанные исключительно на базе данных о климате прошлого, перестали быть надежной основой для оценок в будущем.
Поэтому возникает вопрос: насколько эффективными и надежными окажутся решения, заложенные при проектировании энергосистем сегодня, если уже через одно-два десятилетия их эксплуатации климатические условия существенно изменятся по сравнению с нормативными? Универсальный ответ пока известен только применительно к интегральным характеристикам.
— Какие-то общие прогнозы для регионов удается делать? Насколько они точны?
— В последние годы наблюдается неравномерность роста зимнего и летнего потребления электроэнергии, в том числе и его пиковых значений. Это вызвано совокупным действием социально-экономических (снижение доли промышленных потребителей, развитие рекреационной инфраструктуры, рост обеспеченности кондиционерами) и природно-климатических (неоднородное повышение температур воздуха в зимний и летний периоды) факторов. В результате в самой крупной южной энергосистеме, Кубанской, в 2014 году впервые в истории отечественной энергетики годовой максимум потребления пришелся не на зимний, а на летний период. Это положение сохраняется уже восемь лет подряд и формирует новую устойчивую реальность. В крупнейшей энергосистеме России, Московской, характеризующейся высоким уровнем социально-экономического развития, уже заметно формирование локального максимума в летний период, и темпы его роста в последние полтора десятилетия на 60% превышают темпы роста годового «традиционного» зимнего пика. И, наконец, в июле 2020 года впервые в истории отечественной электроэнергетики уже во всей ОЭС Юга максимум мощности потребления превысил январский. Пока в большинстве энергосистем это ведет к выравниванию внутригодовой неравномерности потребления электроэнергии, однако в будущем это может привести к негативным эффектам.
Учитывая тот факт, что процессы, в том числе климатические, определяющие указанные особенности эволюции потребления электроэнергии, продолжат развиваться и в следующие десятилетия, можно ожидать усиления отмеченных тенденций в динамике суточных электрических нагрузок. Это может привести к весьма существенному изменению условий управления режимами региональных энергосистем по всей стране.
— Но объединенные энергосистемы России должны обладать значительным резервом мощности.
— Каждая четвертая региональная энергосистема в стране испытывает дефицит генерирующих мощностей, покрывая свои потребности в электроэнергии за счет перетоков из соседних энергосистем. Термодинамика энергетических циклов ТЭС и АЭС предопределяет некоторое снижение показателей их работы (мощность, КПД) при повышении температуры наружного воздуха. Это снижение составляет 0,4-0,8% на каждый градус повышения температуры и в масштабах страны эквивалентно потере одного блока гигаваттной мощности. Таким образом, рост спроса на электроэнергию в летний период будет сопровождаться ощутимым снижением выработки тепловых и атомных электростанций.
Кроме того, в южных регионах европейской части России наблюдается уменьшение речного стока, которое, согласно модельным оценкам, продолжится и в ближайшие десятилетия. Это вызовет соответствующее снижение производительности ГЭС, которые в Южном федеральном округе обеспечивают заметную долю выработки электроэнергии — 15%.
— За окном становится с каждым годом все теплее и зимой, и летом…
— Некоторые российские АЭС (Курская, Воронежская, Ростовская и Балаковская) расположены в регионах, где, по данным Всероссийского НИИ гидрометеорологической информации — Мирового центра данных, среднесуточные температуры воздуха летом достигают +33 градусов. Независимые исследователи, а также экологические службы Росатома отмечали, что температура воды в пруде-охладителе Ростовской АЭС уже приближалась к предельной (+30°С), установленной нормативными документами. Следует ожидать, что в условиях дальнейшего повышения температуры воздуха возможно формирование нерасчетных условий работы станционного оборудования, что может вызвать необходимость снижения мощности реакторов или даже временной их остановки.
— Иными словами, природные угрозы добрались до энергетики?
— По данным Росгидромета и МЧС, в последние десятилетия наблюдалось увеличение количества природных явлений, повлекших за собой значительный экономический ущерб. Так, если в 1990-х годах число опасных гидрометеорологических явлений, приведших к значительному экономическому ущербу, находилось на уровне 200 в год, то в текущем столетии они, похоже, увеличатся вдвое!
Вместе с тем данные статистики свидетельствуют о существенном снижении аварийности в электроэнергетике России, что говорит об успешности программ постоянного технического перевооружения отрасли. Это подтверждают и материалы Ростехнадзора, фиксирующие крупные аварии, и данные ПАО «Россети», включающие в себя более мелкие технологические нарушения. Притом доля природных факторов — ветер, гололед, молнии — в причинах аварий электросетей, по данным ПАО «Россети», достигает 50%, но может существенно меняться в зависимости от климата и геолокации.
Таким образом, при ожидаемых изменениях климата на территории России, например, роста летних температур воздуха, возможна ситуация, когда при увеличении потребления энергии возникнет нехватка мощностей для ее производства. И подобная ситуация может быть спровоцирована нарушением межсистемных связей, обеспечивающих переток электроэнергии в энергодефицитные регионы.
Кроме того, следует учесть, что в ремонт генерирующее оборудование чаще отправляют летом. Так, по данным СО ЕЭС, зимние значения превышаются примерно вдвое. В 2018-2019 годах в ЕЭС России в зимние периоды в ремонте находилось оборудование установленной мощностью в среднем 17 ГВт, в летний период — 35 ГВт.
Климатические изменения на территории России, выражающиеся в повышении температуры воздуха во все сезоны во всех регионах, приводят к замедлению роста зимних и ускорению роста летних максимумов нагрузки практически во всех энергосистемах, а также к снижению суточной неравномерности потребления электроэнергии в холодный период и существенному увеличению этой неравномерности летом. В целом же происходящие изменения климата косвенным образом способствуют повышению надежности снабжения потребителей электроэнергией зимой. Для лета непрерывное возрастание максимумов потребления электроэнергии в сочетании с увеличением суточной неравномерности потребления и, как следствие, повышением потребности в регулировочном диапазоне означает повышение риска массовых нарушений энергоснабжения. При нарушении режимов работы генерирующих объектов (ТЭС, ГЭС и АЭС) в жаркую погоду вполне реальной становится возможность массовых отключений потребителей в энергосистемах Юга и Центра.
— Владимир Викторович, власть уже заинтересовалась вашими моделями? Как они вписываются в Стратегию социально-экономического развития РФ, где идет речь о необходимости снижения уровня выбросов парниковых газов?
— Я постоянно консультирую различные федеральные органы власти, Минобрнауки, Минэкономразвития, МИД, Минэнерго, Совета безопасности, Росгидромет. Россия готовится к осуществлению масштабной программы трансформации своей экономики, энергетики, транспорта, лесного и сельского хозяйства в рамках Стратегии низкоуглеродного развития страны, третья версия которой появилась в прошлом месяце. Я думаю, что и эта версия не окончательная. Перед Россией стоит сложная задача установить такие ориентиры по сокращению эмиссии парниковых газов, которые не вызывали бы раздражения у мирового сообщества, но и не грозили бы замедлением экономического роста, и без того достаточно слабого в последние годы.
Подготовил Андрей СУББОТИН
Нет комментариев