25 декабря 2020

Какой может стать новая энергетика Арктики?

Ренессанс освоения Арктической зоны РФ требует обновленной энергетической политики для этой территории. Во главе угла должен стоят комплексный подход, с приоритетом устойчивого развития, считают Владислав Карасевич и Игорь Родичкин.

Поделиться в социальных сетях

Авторы: Владислав Карасевич, доцент кафедры ВИЭ РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Игорь Родичкин, эксперт Национальной ассоциации СПГ и Российского газового общества, участник ряда исследований по Арктике. 

С 2016 года, когда трафик грузов по Северному Морскому Пути (СМП) превысил советский рекорд 1987 года (6578 тонн) и с тех пор продолжает неуклонно расти, стало ясно, что Россия вернулась в Арктику всерьез и надолго. Для этого сложились устойчивые предпосылки: нарастающее освоение северных месторождений углеводородов, упрощение ледовой обстановки в российском сегменте Северного Ледовитого океана вследствие глобального потепления, необходимость защиты северных границ России. 

Но эти же причины диктуют и необходимость изменения нашего отношения к Арктике – от пользовательского, как к территории (18% площади РФ) добычи полезных ископаемых, – к отношению рачительного хозяина, вернувшегося на земли для их комплексного освоения. Добыча полезных ископаемых на новом этапе должна сопровождаться не только бережным отношением к природе арктических территорий, но и сокращением выбросов в атмосферу двуокиси углерода и метана, составляющих т.н. «углеродный след» экспортируемой продукции. А глобальное потепление не только облегчает прохождение судов по СМП, но и требует более капитальных и затратных мер для исключения возможности возникновения экологических катастроф регионального и планетарного масштабов. Защита северных рубежей РФ заключается не только в расположении и укреплении военных гарнизонов на границах, но и в принципиальном улучшении качества жизни как коренных народов Севера (КМНС), так и всех тех, кто туда переселился, для укрепления их самосознания как неотъемлемой части семьи народов, населяющих единую неразделимую Россию. 

Одним из ключевых параметров промышленной, транспортной и социальной составляющих жизни является энерговооруженность. Сейчас к этому количественному параметру все чаще добавляется качественный – энергоэффективность. В новых условиях необходим новый подход к энергетике в России в целом, но особенно – в Арктике. В настоящее время в сбалансированной энергосистеме (не важно, изолированной или связанной с ЕЭС) наиболее оптимальной является модель «слоеного пирога», состоящего из нескольких уровней: базовых, промежуточных, верхних. Это диктуется видами первичной энергии, используемой в них, и технологиями ее извлечения.

В качестве базовых служат маломаневренные АЭС и угольные электростанции – на них приходится 10-20% энергобаланса, они обеспечивают базовые потребности потребления энергии. В качестве верхних уровней служат ветровые и солнечные электростанции. Но они нестабильны по своей природе (колебания скорости ветра, суточные, недельные и сезонные изменения инсоляции) и отдают потребителям энергию не когда нужно, а когда они могут. Для частичной компенсации этой нестабильности их часто дополняют аккумуляторами на различных физико-химических принципах, которые сглаживают колебания выдаваемой мощности и за счет этого служат маневровыми мощностями. Кроме того, маневровыми являются ГЭС, мощность которых можно регулировать (с некоторыми оговорками) за час, и генераторы на углеводородном топливе, которые можно регулировать за минуту. 

С развитием энергетических технологий и ростом экологических ограничений, растет производительность и доля возобновляемых источников энергии (СЭС и ВЭС), но падает доля угольных и нефтяных. Кроме того, развиваются и становятся дешевле технологии накопителей энергии и даже мини-АЭС (на днях «Росатом», например, подписал соглашения с правительством Якутии о строительстве такого объекта на базе реакторной установки РИТМ-200 в пос. Усть-Куйга Усть-Янского улуса республики). Этот набор изменений предоставляет возможность по-новому скомпоновать структуру энергообеспечения различных объектов, от мелких поселков до крупных промышленных гигантов. 

Кроме того, очень важную роль играет и хрупкость арктической биосферы при воздействии на нее как постоянных (добыча угля открытым способом с выбросами угольной пыли в атмосферу и последующим ее осаждением на снежно-ледяном покрове, ускоряющим его таяние), так и аварийных воздействий (самое крупное из недавних – розлив дизельного топлива на ТЭЦ-3 в Норильском промрайоне). Степень воздействия различных видов жидкого топлива хорошо показана в таблице.

Без заголовка.png

Источник: лаборатория Александра Климентьева.

Источники энергии 

Таким образом, концепция новой энергетической политики на территории российской Арктики должна быть сформирована на основе принципов энергоэффективности, национальной, экологической и промышленной безопасности, надежности и т.д. Но основой для реализации этих принципов должна быть политика разумного сочетания различных видов применяемых энергоносителей. 

Дизельное топливо

Это самое популярное топливо в Арктической зоне РФ, очень дорогое (вследствие сложной логистики оно обходится в два-три раза дороже, чем «на материке») и экологически недружественное (из-за высокого углеродного следа и тяжелых последствий в случае техногенных катастроф). Себестоимость электроэнергии, произведенной на ДТ, в среднем составляет 30-45 рублей/кВт*час. Для снижения доли ДТ нужно наращивать использование альтернативных энергетических решений, в том числе на базе АЭС, СПГ, попутного нефтяного газа (ПНГ), ВИЭ и накопителей. На сегодняшний день в АЗ РФ наработан ряд проектов с использованием СПГ и ВИЭ как в качестве источников не только электроэнергии, но и в качестве источника горячей воды и отопления. Отрабатываются схемы реализации проектов с применением энерго-сервисных контрактов (подробнее – по этой ссылке и вот тут еще).
https://primamedia.ru/
Дизельное топливо - самое популярное в АЗ РФ, дорогостоящее и экологически недружественное хрупкой арктической природе.
Снимок экрана 2020-12-25 в 11.02.26.png

Атом

В настоящее время в портфеле наработок «Росатома» есть компактные интегральные установки различной мощности (от 0,4 до 175 МВт) и различного исполнения (АТГОР, «Шельф», «Ритм»). Разрабатываются и новые конструкции с теплоносителем на основе свинца, который при остановке работы станции при застывании создает эффективную защиту от излучения и несанкционированного вскрытия энергоблока. Такими АЭС можно обеспечивать базовый уровень потребления электроэнергии и тепла от поселка до крупного промышленного объекта. Себестоимость вырабатываемой ими энергии (как электрической, так и тепловой) выше, чем у стационарных АЭС большой мощности, но не более чем в два раза (для Баимского ГОКа, например, заявлялось 9 рублей/кВт*час), и в полтора – 2,5 раза дешевле, чем у электростанции на дизельном топливе. Опасения, что объекты мирного атома могут спровоцировать нападения террористов и иностранных вооруженных сил, чрезмерны в силу большой удаленности от границ РФ и хорошей защищенности от несанкционированного вскрытия. 

Солнце

Использование солнечной энергии в арктических условиях имеет смысл, прежде всего, в летнее время, когда уровень солнечной радиации является наиболее высоким. Следует отметить, что в арктический регионах России (Якутия, Чукотка) уже реализовано и реализуются десятки проектов по строительству СЭС, и в дальнейшем их число будет увеличиваться. Есть нескольких реализованных проектов по использованию солнечных коллекторов для выработки и горячей воды, в результате которых был достигнут экономический и экологический эффект. Благодаря высоким требованиям по локализации к проектам ВИЭ в России, оборудование (солнечные панели, накопители энергии) адаптируется ведущими российскими компаниями для работы в арктической зоне. Себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии в арктическом варианте оценивается в 5-8 рублей/кВт*час, это в шесть раз дешевле, чем получается на дизельной электростанции.

Ветер

В арктических регионах России (Мурманская область, Якутия) реализованы несколько ветроэнергетических проектов. В России производятся ветроагрегаты мощностью до 100 кВт (для индивидуального пользования) и от 2,5 до 4,2 МВт (для ветропарков). При активном развитии ветроэнергетики в АЗ РФ и на изолированных территориях, российские предприятия способны наладить выпуск ветряков в арктическом исполнении (надежная работа при минус 50 градусов по Цельсию и способность выдерживать ветровые нагрузки до 70 м/с) мощностью до 1 МВт. Себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии в арктическом варианте оценочно может составить 15-20 рублей/кВт*час, но это в два раза дешевле, чем на ДЭС.

Попутный нефтяной газ

Пункт 15м Стратегии развития Арктической зоны РРФ и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года, утвержденной Указом президента РФ №645 от 26 октября 2020 года, предусматривает «обеспечение рационального использования ПНГ в целях минимизации его сжигания». Наличие и необходимость утилизации попутного газа при добыче нефти является серьезной проблемой для нефтедобывающих компаний. В качестве основного варианта использования ПНГ рассматривают его переработку в синтетическую нефть и дальнейший ее вывод с месторождений через нефтяную инфраструктуру. В то же время ПНГ активно используется для выработки тепла и электроэнергии, также перспективно создание технологий и небольших установок по получению из ПНГ дизельного топлива для заправки автотранспорта. В данном случае речь идет не о замене плохого на хорошее, а о замене очень плохого (сжигание ПНГ в факелах) на просто плохое (использование переработанного ПНГ взамен завозимых дизельного и печного топлив).

Водород

Одним из вариантов энергоснабжения Арктики считается водородная энергетика. Рассматриваются два варианта – централизованное производство водорода на неиспользуемых мощностях АЭС и локальное производство для использования на изолированных территориях. Необходимо сравнивать эти варианты по экономике и по логистике с альтернативными источниками энергоснабжения, такими как СПГ или электроэнергия с локальных АЭС. При местной выработке и использовании водорода на изолированных территориях производство (при превышении выработки электроэнергии над спросом), хранение и использование водорода позволит частично или полностью сглаживать суточные и сезонные неравномерности энергопотребления.

С развитием мирового применения водорода, в российской Арктике перспективны как его бункеровка, так и экспорт. Но не в газообразном (стоимость его прокачки существенно выше, чем у природного газа) и не в сжиженном (водородные криогенные технологии существенно дороже чем метановые), а в связанном виде (аммиак, метанол и другие соединения), с последующим выделением водорода или его прямым использованием без выбросов углеродных соединений в атмосферу. Наработка водорода возможна на СЭС, ВЭС, АЭС с помощью электролизеров.

Сжиженный природный газ

Последний по списку, но главный по значимости ресурс российской Арктики – природный газ (метан) – особенно актуален по нескольким причинам: его много, он дешев, не создает угроз для экологии, а в сжиженном виде легко транспортируется. Именно поэтому на применение СПГ как энергоносителя делается основной упор и в вышеупомянутой арктической Стратегии. Себестоимость электроэнергии в крупноблочном варианте (для того же Баимского ГОКа на Чукотке) заявлялась на уровне 6 рублей/кВт*час. В малотоннажном варианте будет не дороже чем в два раза, это дешевле, чем выработка на дизельном топливе в 2,5-4 раза.

Главный по значимости энергоресурс российской Арктики – природный газ (метан) – особенно актуален по нескольким причинам: его много, он дешев, не создает угроз для экологии, а в сжиженном виде легко транспортируется.

Перспективы развития

Существует много оценок перспектив изменения стоимости энергии от различных источников генерации, как российских, так и зарубежных. Несмотря на различия в количественных оценках, качественно все они сходятся к тому, что солнечная энергия дешевеет стремительнее остальных. Это необходимо принимать во внимание при долгосрочном планировании.

Обустройство месторождения Павловское на острове Новая Земля 

Проект предусматривает добычу и первичную переработку свинцово-цинковых руд в до 3,5 млн тонн в год с выходом на окупаемость в 2028 году, и создание более 2 тыс. новых рабочих мест. Суммарная необходимая энергетическая мощность – десятки МВт. Поскольку это проект корпорации «Росатом», странно предполагать, что энергоснабжение будет обеспечиваться нефтепродуктами. Тем более что у госкорпорации есть наработки и по компактным мини-АЭС, и по ВИЭ, и по другим сегментам (в том числе, водородным накопителям). Но поскольку уровень энергопотребления в таких образованиях цикличен, а энергоснабжение должно быть надежным, необходимы будут и маневровые мощности. Лучшим решением может стать газовая генерация на СПГ, завозимом либо из Обской губы, либо из Архангельска, либо из Мурманска. Разумеется, ни о мазуте, ни о каменном угле не может быть и речи.

Обустройство производства СПГ и судоходство в Обской губе 

Учитывая возрастающее отрицательное влияние «углеродного следа» на экспортные поставки углеводородов (особенно в Европу), надо будет решать задачу по его уменьшению. Одним из эффективных способов является перевод энергозатратных механизмов на электропривод, питаемый от АЭС, а в условиях Обской губы – ПАТЭС типа «Михаил Ломоносов». В этом случае «углеродный след» при производстве СПГ сократится более чем в 10 раз в сравнении с питанием от газовых турбин. Для производства 6 млн тонн сжиженного газа в год (усредненная мощность одной линии завод в Обской губе) потребуется порядка 150 МВт. Кроме АЭС, существенный вклад в безуглеродное энергоснабжение могут вносить ВЭС и СЭС. Кроме СПГ, из Обской губы экспортируется и нефть. В отличии от танкеров, перевозящих СПГ и использующих его же в качестве топлива, нефть перевозится в танкерах с дизельным или мазутным топливом. Их перевод на СПГ уменьшит «углеродный след» транспортировки и снизит риски загрязнения вод Северного ледовитого океана в случае аварийных разливов топлива. Дооборудование существующих судов для применения СПГ – не настолько сложная задача, как кажется, у зарубежных коллег есть положительный опыт таких работ, в том числе с размещением дополнительных емкостей для хранения СПГ необходимого объема.

Энергообеспечение в портах Хатанга, Диксон, Тикси и Певек

Пункт 13и вышеупомянутой арктической Стратегии до 2035 года предусматривает «расширение использования сжиженного природного газа на морском и речном транспорте в акватории СМП, а также для энергообеспечения населенных пунктов». Это означает, что должны быть построены пункты бункеровки судов СПГ-топливом и емкости для его хранения. Половина этих портов находятся в устьях рек (Енисей, Лена). СПГ можно и нужно из этих мест хранения транспортировать в танк-контейнерах по рекам и зимникам до населенных пунктов в пределах нескольких суток доставки. Учитывая, что при нормальных условиях срок бездренажного хранения СПГ составляет не менее недели, а при температуре окружающей среды минус 30 градусов по Цельсию – до полугода, СПГ может и должен стать дешевой, надежной и эффективной заменой мазута и дизтоплива для базового энергоснабжения предприятий и населенных пунктов с численностью от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч человек, а также газомоторным топливом для транспорта. Для повышения энергонадежности и энергоэффективности, при наличии целесообразности, они должны быть дополнены мини-АЭС и ВИЭ с накопителями энергии.

Обеспечение населенных пунктов Якутии

Пунктом 13с Стратегии развития АЗ РФ предусматривается «разработка и реализация механизма государственной поддержки проектов по повышению эффективности генерации электроэнергии, осуществляемых на изолированных и труднодоступных территориях и предусматривающих использование СПГ, ВИЭ и местного топлива». Как упомянуто в предыдущем пункте, энергоснабжение населенных пунктов от нескольких тысяч человек целесообразно переводить с ДЭС на СПГ, поставляемый либо с севера – от побережья океана, либо с юга – из районов газодобычи с малотоннажных сжижающих установок (можно постепенно, но тогда необходимы универсальные мульти-топливные генераторы). В изолированных системах остро необходимы ВИЭ, с накопителями на срок от часов до суток. В условиях резких перепадов температур перспективно выглядят накопители на водородных носителях.

Для крупных населенных пунктов от нескольких тысяч человек в качестве базового энергоснабжения пригодны мини-АЭС. В населенных пунктах Якутии установлены свыше 20 СЭС, проведен конкурс на реализацию проектов строительства СЭС в шести населенных пунктах по энерго-сервисным контрактам, они будут работать совместно с дизельной генерацией. В дальнейшем такой подход планируется распространить на все населенные пункты региона. Однако СЭС, даже с накопителями электроэнергии, не способны полностью исключить дизельное топливо из топливно-энергетического баланса, в том числе при теплоснабжении населенных пунктов. Учитывая это, целесообразно рассматривать замещение дизельного топлива СПГ или водородом.

Обустройство месторождения Песчанка Баимской группы на Чукотке

Предполагает разработку сульфидной руды до 60 млн тонн в год в 2026 году и занятость для более чем 5 тыс. Расчетное потребление – 250 МВт. Неподалеку (по чукотским меркам), в Певеке, уже находится ПАТЭС «Михаил Ломоносов», от которой (в случае необходимости) возможна организация резервного электроснабжения через Билибинскую АЭС. До декабря 2020 было принято решение по строительству плавучей электростанции на СПГ, завозимом из Обской губы. Пересмотр этого решения на установку нескольких ПЭБ-100 (типа ПАТЭС «Михаил Ломоносов»), о котором недавно было объявлено, ослабит эффект синергии от взаимной поддержки СПГ и атома. Кроме того, перспективно применение СПГ в качестве моторного топлива для карьерной техники и бункеровки судов в близлежащем порту Певек. О планах использования ВИЭ и накопителей там неизвестно.

Порт Сабетта

Несмотря на то, что основным топливом в Саббете является природный газ, в ПАО «НОВАТЭК» задумались о производстве водорода, который планируют использовать в составе метано-водородной смеси для одного из восьми энергоблоков с целью снижения углеродного следа от добычи природного газа и производства СПГ. Возможными вариантами производства водорода являются: пароводяная конверсия метана с улавливанием и захоронением углекислого газа в месторождении, с попутным поднятием внутрипластового давления и повышением газоотдачи, или производство водорода методом электролиза за счет электроэнергии ВИЭ. Учитывая, что водород планируют использовать для выработки электроэнергии, второй способ выглядит неоптимальным, так как проще и дешевле напрямую использовать электроэнергию ВИЭ.

Норильский промышленный район

Основной из задач энергетики региона является снижение потребления дизельного топлива как по экономическим, так и экологическим причинам. Одним из перспективных направлений в этом направлении является перевод железнодорожного и автомобильного транспорта на компримированный или СПГ, что приведет к сокращению потребления ДТ на более чем 250 тыс. тонн в год. При этом в качестве вариантов получения СПГ можно рассматривать как собственное производство на базе ОАО «Норильскгазпром», так и приемный терминал СПГ, который можно разместить в порту Дудинка. С учетом возможной бункеровки судов общая мощность завода/приемного терминала СПГ там может достигать 350 тыс. тонн. В будущем в качестве альтернативы природному газу можно будет рассмотреть и водород, поставляемый с Кольской АЭС («Норникель» работает и на Таймыре, и в Мурманской области).

Если вам понравилась статья, поддержите проект