Аспекты долгосрочного развития топливно-энергетического комплекса Казахстана

размер шрифта: Aa | Aa

А. М. Саткалиев, Председатель Правления АО «Самрук-Энерго»
Рост благосостояния общества возможен только при качественном покрытии всё возрастающего энергопотребления. Необходимая для этого инновационная деятельность энергетических организаций способствует развитию всего топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Этот процесс, в свою очередь, является мощным стимулом для научно-технического прогресса во всех сферах жизни.

При создании инновационно-технологической стратегии АО «Самрук-Энерго», была сформирована экспертная группа для оценки сложившихся тенденций и анализа принятых программ развития энергетических организаций мирового значения. Исторически, освоение новых источников или носителей энергии сопровождалось появлением революционных технологий и соответствующим развитием общества в целом. Примером такого взаимодействия является индустриальная революция, произошедшая в 18-19 веках, энергетической основой которой явился уголь. Этот вид источника энергии способствовал появлению первых видов двигателей, металлургии, машиностроения. Продолжением развития ТЭК было становление нефтяной промышленности, приведшей, например, к созданию улучшенного вида двигателя (внутреннего сгорания), ключевого компонента автомобиле- и авиастроения.

Технологии, ставшие возможными благодаря электроэнергетике, трудно все перечислить, и без них невозможно представить современную цивилизацию. Этот процесс в настоящее время переходит в плоскость развития альтернативных источников: ветер, солнце, биомасса, геотермальная энергетика, новые формы ядерной энергетики. Это диктуется необходимостью снижения выбросов парниковых газов.

Модель развития современного общества, известную как третья индустриальная революция, рассмотрел экономист Джереми Рифкин. Она базируется на распределении ВИЭ по расположению конечных потребителей, акценте на энергонакопляющих технологиях, поставке излишней энерговыработки в сеть, повсеместном внедрении электротранспорта. Этот путь развития делает принципиальный упор на комплексное внедрение вышеперечисленных мер для придания мощного суммарного импульса развитию экономики. Такой подход улучшает экологическую обстановку и находит новые просторы для экономического развития.

Надо отметить схожесть этой концепции со шкалой развития цивилизации, предложенной известным астрофизиком Николаем Кардашевым. Общество, потребляющее мощность порядка получаемой планетой от солнца, является цивилизацией первого, или планетарного, типа по этой шкале. В этой, на первый взгляд, сугубо технической классификации оказывается заложенной социально-экологическая подоплека: при таких масштабах энерговыработки сохранение первичного равновесия физических процессов планетарного уровня будет нетривиальной задачей, решаемой только развитым обществом.

В противовес сбору солнечной радиации, активный контроль над процессами основной природной энерговыработки также надо учитывать как одно из долгосрочных решений энергетического вопроса. Реакцию синтеза возможно рассматривать как некую асимптоту, выход на которую приведет общество к полной энергетической безопасности. Более того, ядерная энергетика, базированная на реакциях распада, далеко не исчерпала возможности для обеспечения централизованной энерговыработки на обозримое будущее; надо отметить, что вопросы безопасности после двух крупнейших катастроф, наряду с ресурсообе-спеченностью, привели к необходимости разработки реакторов нового поколения.
Во время зарождения атомной энергетики рассматривались ядерные циклы, базированные на тории и уране по причине их распространенности в природе. Природный уран имеет расщепляемый изотоп (уран-235), что в основном и послужило поводом для повсеместного применения именно урана в атомной промышленности. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах дают возможность производства расщепляющегося материала из урана-238 в темпах, превышающих использование, давая возможность замкнуть ядерный цикл. Ресурсообеспеченность, таким образом, может подняться на два порядка, что при современных темпах потребления достаточно на тысячи лет. Также в последнее время возродился интерес к ториевому циклу по причине широкой распространенности материала (его запасы сравнимы с запасами свинца). Безопасность разрабатываемых реакторов также существенно улучшается. Это, например, достигается использованием жидкого металла для реактора на быстрых нейтронах (БРЕСТ, свинец) или жидко-солевых решений, подходящих для ториевого цикла (LFTR); давление на первичном охлаждающем контуре снижается до атмосферного. В жидко-солевом реакторе для ториевого цикла эвакуация топлива из критической зоны во внештатном режиме будет автоматической.

Что касается реакции синтеза, то недостаточная технологическая развитость может частично объясняться слабыми инвестициями в соответствующие НИОКР после концептуального прорыва, сделанного в СССР в 60-х годах при создании технологии удержания плазмы устройствами ТОКАМАК. Надо отметить, что физические процессы ведут управляемость реакции к значительному улучшению при росте размеров объекта, что дает возможность получить инженерное решение в течение следующих 30-50 лет. Также нужно выделить безопасность реакции синтеза во внештатных режимах по причине малого количества топлива в области удержания плазмы и необходимости создания специальных условий для поддержания реакции, нарушение которых ведет к автоматической остановке. Реактор ИТЕР, сооружение которого началось в 2006 году и завершится в 2020, должен выдать в 10 раз больше тепловой энергии, чем его потребление.

Нельзя не отметить концепцию подкритических атомных реакторов (так называемых «усилителей энергии»), выдвинутую итальянским ученым К. Руббиа. Источником первичных нейтронов по оригинальной концепции должен стать ускоритель. В гибридном термоядерном реакторе (ГТР), источником первичных нейтронов может служить реакция синтеза. Концепция ГТР активно изучается во многих странах, в том числе и в России. По мнению академика Велихова, такой реактор реализуем быстрее собственно термоядерного.

Таким образом, некоторые безопасные технологии централизованной энерговыработки технически осуществимы (различные варианты закрытого ядерного цикла); к тому же ведется разработка перспективных технологий следующего уровня. Интересно отметить, что в свое время возникла картина развития цивилизации, противоположная предложениям Рифкина. Концепция, сформированная в 70-х годах прошлого века директором Оакриджской национальной лаборатории Алвином Уайнбергом, базировалась на создании практически неограниченного источника экологически безопасной концентрированной энергии. При этом становятся возможными такие природопреобразующие процессы, как десалинизация морской воды для сельскохозяйственных и бытовых нужд, и другие решающие проблемы, становящиеся только более острыми в наше время.

Эти перспективные технологии потребуют несколько десятков лет для внедрения. Техническая задача современной энергетики формулируема как развертывание экологически чистых технологий, позволяющих начать переход к качественно новым решениям будущего. Нельзя забывать и о социальной составляющей: вовлечение всего сообщества, а не только ее наиболее развитой части, является признаком верного пути развития. Обременение дорогой энергетикой, особенно чувствительное для развивающихся стран, может тормозить прогресс в целом и научно-технический в частности. Необходим некоторый анализ для оценки возможности развертывания возобновляемой энергетики для нашей энергетической структуры.

Анализ структуры электропотребления в Казахстане (рис. 2) показывает, что основные затребованные мощности приходятся на следующие сферы деятельности:
• промышленность — 55%;
• жилищно-коммунальные хозяйства (далее – ЖКХ) — 19%;
• собственные нужды электростанций — около 9%;
Значительные объемы электропотребления промышленности в стране обусловлены высокой долей тяжелой промышленности.
Для сравнения можно рассмотреть структуру электропотребления в развитых странах (например, США), где большая доля приходится на следующие сферы деятельности:
• ЖКХ — 33 %;
• сфера услуг — 31 %;
• промышленность — 19 %.

Рисунок 2:
Структура электропотребления Казахстана в сравнении с мировыми трендами
Суточное потребление электроэнергии в Калифорнии, США
alt

Суточное потребление электроэнергии в Казахстане


Основное потребление электроэнергии в США приходится на сферу услуг и жилищно-коммунальное хозяйство, что в первую очередь обусловлено высоким уровнем жизни населения, а также развитой индустрией обслуживания, с долей промышленного потребления значительно меньшей сравнительно с казахстанской. Децентрализованная энерговыработка вполне подходит при такой структуре энергопотребления для снятия значительной части необходимых энергопоставок. Структура энергопотребления Казахстана требует большей части базовой энерговыработки, характерной для централизованного промышленного комплекса, и, как следствие, процесс внедрения ВИЭ может иметь другой характер.

Рассмотрим пример электропотребления Казахстана за 2012 год, пре-доставленный национальным диспетчерским центром, приведенный на рис. 3, где отчетливо прослеживаются характерные сезонные и суточные колебания.

Рисунок 3:
Электропотребление Казахстана за 2012 год

Анализ Фурье (рис. 4) позволяет с большей четкостью выявить характерные колебания в энергопотреблении и дает общее представление о распределении мощностей по характеру требуемого времени отклика.

Рисунок 4:
Спектр электропотребления Казахстана за 2012 год

Как видно на графике, общие пиковые потребности составляют около одного гигаватта в амплитуде, соответствующей двум гигаваттам установленной мощности с быстрым временем отклика. Остающийся баланс, распределенный по низким частотам, может обслуживаться станциями с большим временем отклика, совместимым с энерговыработкой традиционных угольных тепловых электростанций. Как следствие, по сравнению с США структура энергопотребления Казахстана позволяет более широкое использование источников энергии требующих опережающего планирования, типичного для энерговыработки традиционных тепловых электростанций.

Рис. 5 схематично отображает особенности внедрения мощностей, имеющих малоконтролируемую цикличность, или непредсказуемость, характерную для возобновляемых источников энергии. Примем анализ, приведенный в предыдущем параграфе как основной, показанный в верхнем левом углу: базовые потребности закрываются базовой выработкой; и, соответственно, это же относится к пиковым нагрузкам и выработке. Надо отметить, что базовая нагрузка может закрываться источниками с быстрым временем отклика, но обратное неверно и показано как запрещенный квадрант.

Рисунок 5:
Внедрение ВИЭ в общий энергетический комплекс

Идеально, энерговыработка возобновляемых источников энергии находится в фазе с энергопотреблением, что отображено в правом верхнем углу диаграммы. Например, расход энергии на кондиционирование помещений идет в фазе с выработкой солнечных электростанций.
В случае же выработки, находящейся в противофазе с пиковым потреблением, нужны дополнительные компенсирующие пиковые мощности, вместе с ВИЭ обеспечивающие базовые потребности. Пиковые потребности в данном случае могут компенсироваться таким же образом, как и в случае без применения ВИЭ. Появляется дополнительная запретная зона, когда пиковые потребности невозможно перекрывать энерговыработкой, идущей в противофазе; ее возможно использовать для перекрытия базовых потребностей и компенсировать неравномерность выработки дополнительными маневренными мощностями.

В левом нижнем углу показан случай ВИЭ выработки, происходящей в противофазе с пиковым потреблением; компенсирующие маневренные мощности обеспечивают равномерность энерговыработки.
Часть потребления может забираться традиционными базовыми ис-точниками, что показано в правом нижнем углу.
Отметим, что концептуально площадь отдельного взятого ква-дранта соответствует требуемой энерговыработке, а не мощности. Практический вывод сводится к необходимости установки примерно одинаковых с ВИЭ компенсирующих пиковых мощностей и непревышению максимально установленных ВИЭ-мощностей существующей базовой нагрузки.

Как гипотетическая ситуация взята дневная выработка солнечных электростанций в Калифорнии и проанализирована ситуация по применению в Казахстане. Рис. 6 показывает спектр традиционной (ВИЭ исключено) энерговыработки, позволяющей интеграцию такого ресурса ВИЭ в энергоструктуру Казахстана. Результат соответствует нижнему правому квадранту рис. 5, с уменьшением среднего значения традиционной выработки, но увеличением необходимых пиковых мощностей, что соответствует установившемуся пониманию аспектов внедрения ВИЭ в энергоструктуру страны. Решение вопроса с энергонакоплением может изменить эту картину коренным образом, но дополнительные маневрен-
ные мощности в настоящее время являются практическим решением.

Рисунок 6:
Сценарий по контролирующейэнергопоставке с ВИЭ

Также важно разделять понятия возобновляемости и экологичности источников энергии, зачастую используемые вместе. Возобновляемые источники энергии, как правило, экологичны, что и приводит к группировке этих терминов. Развивающиеся технологии, как, например, удержание и хранение углекислого газа (УХУ), в будущем позволят принимать высокоэкологичные решения в применении к традиционным энергоисточникам. Рационально уделить более пристальное внимание такому пути развития ввиду того, что Казахстан обладает значительными запасами ископаемых видов топлива, и возобновляемость энергоисточников может отпадать как необходимое условие развития ТЭК в 21 веке.

Рис. 7 схематично отображает несколько путей развития ТЭК. Прямой переход от угольной генерации к ВИЭ ведет к значительным капитальным затратам и невысокой надежности энергоснабжения, требующим компенсирующей выработки или технологий хранения энергии. Консервативный путь развития предполагает использование традиционных энергоисточников. Как отмечалось выше, новые технологии атомной энергетики выводят ее в особую категорию и позволяют поставить такую энерговыработку на границе с возобновляемыми источниками энергии; более того, возможен вариант со значительной ролью такой выработки на обозримое будущее.

Рисунок 7:
Пути развития ТЭК

Выбор направления, в котором возобновляемые источники энергии будут использоваться наряду с традиционными энергоисточниками, представляется наиболее рациональной формой развития ТЭК.
С целью реализации задач данного пути развития, действующая стратегия направлена на инновационное развитие технологического по-тенциала до 2022 года. АО «Самрук-Энерго», в целях балансирования ис-пользования различных видов топлива для генерации электроэнергии и приобретения нового опыта и экспертизы, а также в соответствии с Концепцией по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике», будет диверсифицировать свой энергетический портфель. В частности, предусмотрено увеличение доли ВИЭ, строительство современных и безопасных атомных электростанций, а также модернизация существующих и строительство новых генерирующих мощностей на основе тех-нологий чистого угля. Также небольшая доля угольных активов перейдет на чистый уголь с улавливанием и хранением углекислого газа (УХУ). Кроме того, предусмотрено увеличение доли газовых мощностей ввиду большей маневренности и экологичности подобных станций.

На текущий момент структура установленных мощностей АО «Самрук-Энерго» состоит из угля (52,92 %), газа (16,29 %) и гидроресурсов (30,8 %). Согласно действующей инновационно-технологической стратегии, доля ВИЭ к 2022 году должна составлять не менее 24,2 %.

Уникальными инновационными проектами являются:
• завершившееся строительство Капшагайской СЭС мощностью 2 МВт с последующим увеличением до 100 МВт;
• строительство ВЭС в районе г. Ерейментау и Шелекском коридоре;
• также реализуется проект по использованию биотоплива в процессе производства электроэнергии.

Ввиду переменной природы ВИЭ и с целью предупреждения связанных с этим перебоев электричества, как обсуждалось выше, рассматривается возможность строительства гибридных электростанций, производящих электроэнергию от различных типов возобновляемых энергоисточников, либо комбинирующих возобновляемые источники энергии с традиционными видами энерговыработки. Примером может послужить комбинирование ветровых и гидроаккумулирующих электростанций, интеграция солнечных установок на существующие угольные и газовые станции, а также совмещение солнечных/ветровых установок со станциями, сжигающими биомассу. Кроме того, возможна интеграция электростанций ВИЭ с существующими и будущими гидроэлектростанциями. Использование подобных методов не только решит проблему непредсказуемости ВИЭ, но и значительно снизит вредные выбросы используемых традиционных электростанций. Для повышения эффективности и снижения влияния на окружающую среду необходимо развивать технологии чистого и «зеленого» угля на будущих и расширяемых существующих станциях.

Сегодня перед сотрудниками АО «Самрук-Энерго» ставятся вопросы внедрения Казахстанской Интеллектуальной системы на основе технологии Smart Grid, которая обеспечит надежность и безопасность энергосистемы, своевременное и высококачественное удовлетворение потребностей населения и промышленности в электроэнергии, предоставит возможность интегрирования больших объемов альтернативных и возобновляемых источников энергии. Установка современного сетевого оборудования значительно снизит нормативные потери. Использование «умных» счетчиков предоставит возможность мониторинга использования электроэнергии, а также обеспечит потребителям удобство оплаты и дистанционное управление счетчиком.

Возобновляемость и экологическая безопасность источников энергии является задачей планетарного масштаба, требующей координиро-ванных усилий всего общества. Эти вызовы становятся дополнительным стимулом для научно-технического и общественного прогресса: нашей задачей является соразмерная оценка всех путей развития и планомерный подход к модернизации энергетики страны согласно требованиям Главы государства по устойчивому развитию экономики.

PDFБаспаға жіберуE-mail