The analysis of the structure of power and electricity balances in the power systems of the CIS and Baltic countries

Основой современной мощной и конкурентноспособной экономики страны является мощная энергетическая инфраструктура. В части электроэнергетики основой такой инфраструктуры являются генерирующие мощности электростанций и электросетевой комплекс. Источник электроэнергии, с одной стороны, должен давать дешевую электроэнергию, с другой стороны, он должен быть достаточно мощным.

ГРНТИ 44.29.01

EDN IHDTEE

Александр Олегович Егоров – кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных электрических систем Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.

Алена Александровна Савосина – инженер-проектировщик научно-инженерного центра АО «Автоматизированные системы и комплексы».

Статья поступила в редакцию 19.12.2022.

Из всех имеющихся современных типов электростанций, производящих электроэнергию в промышленных объемах, таким требованиям отвечают в первую очередь гидроагрегаты гидроэлектростанций (ГЭС), которые обеспечивают наименьшую стоимость отпускаемой электроэнергии по цене ~1 коп/кВт·ч или выше [6]. Покрытие потребностей страны в электроэнергии за счет ее выработки на ГЭС является уникальным условием, дающим экономике страны стабильные условия развития. По этой причине исследование структуры установленной мощности электростанций, исследование структуры выработки электроэнергии и их влияние на тарифы на электроэнергию является целью настоящей работы.

Крупнейшие энергосистемы и энергообъединения мира

Согласно данным [1; 13], установленная мощность всех электростанций мира составляет ~8 ТВт. При этом в составе мировой энергосистемы функционируют крупнейшие энергосистемы стран, которые входят в Ассоциацию GO15, основанную в октябре 2004 г. Членство в GO15 открыто для энергосистем с мощностью нагрузки более 50 ГВт. Так, по состоянию на 01.01.2022 г. GO15 объединяет 18 стран, на которые приходится более 70% потребления электроэнергии в мире. Россия c установленной мощностью электростанций 247 ГВт и нагрузкой в энергосистеме 162 ГВт участвует в GO15 с 2005 г. Централизованное электроснабжение на территории России осуществляет Единая энергетическая система России (ЕЭС России), функции оператора ЕЭС России выполняет АО «СО ЕЭС» [16].

По состоянию на 01.01.2022 г., параллельно с ЕЭС России работают энергосистемы стран, входящих в Энергообъединение стран СНГ и Балтии (ЕЭС/ОЭС). Это – Азербайджан, Беларусь, Грузия, Казахстан, Литва, Латвия, Россия, Украина, Эстония. Дополнительно, через энергосистему Казахстана параллельно с ЕЭС России работают энергосистемы Кыргызстана и Узбекистана [10; 16]. Энергообъединение ЕЭС/ОЭС (рис. 1) является 1-м в мире по площади занимаемой территории и входит в топ-5 мировых энергообъединений по установленной мощности электростанций после энергосистем Китая (SGCC, CSPGC), Европы (ENTSO-E), США (CAISO, MISO, PJM) и Индии (POSOCO).

За период с 1991 по 2022 годы в энергосистемах стран СНГ и Балтии произведены вводы новых электросетевых и генерирующих объектов, прежде всего на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), существенно изменивших структуру энергетики и экономики стран. В этой связи современные и актуальные особенности функционирования энергосистем в части балансов мощности электроэнергии по типам электростанций представляют значительный научный интерес.

Энергообъединение стран СНГ и Балтии

На постсоветском пространстве энергетики стран работают в рамках Электроэнергетического совета Содружества независимых государств (ЭЭС СНГ), в состав которого входят 11 стран: Азербайджан, Армения, Беларусь, Казахстан, Кыргызстан, Молдова, Россия, Таджикистан, Туркменистан, Узбекистан и Украина [14]. С точки зрения энергетики, любая энергосистема уникальна. Для дальнейшего исследования и анализа энергообъединение ЕЭС/ОЭС дополнено составом членов ЭЭС СНГ. Отчетные документы в энергосистемах вышеуказанных стран часто написаны на русском языке, что облегчает поиск необходимых данных и их научный анализ. Поэтому здесь и далее исследования проведены преимущественно на основе [13], а также на основе данных отчетных документов национальных операторов энергосистем, состав которых приведен на рис. 1.

Всего в рамках исследования параметров функционирования Энергообъединения ЕЭС/ОЭС исследуются балансы мощности и электроэнергии 15 стран с общей численностью населения ~300 млн чел, установленной мощностью электростанций до 400 ГВт и выработкой электроэнергии 1,5 трлн кВт·ч в год [10, 14, 15, 21]. Далее в работе приведено раскрытие структуры балансов мощности и электроэнергии по странам и по типам электростанций в энергообъединении ЕЭС/ОЭС.

Параметры функционирования ЕЭС/ОЭС

Согласно [2; 5-8], с учетом наличия актуальных отчетных данных по всем энергосистемам стран энергообъединения ЕЭС/ОЭС и их синхронизации, по итогам 2019 календарного года в энергообъединении ЕЭС/ОЭС установленная мощность электростанций составила 391,6 ГВт, а выработка электроэнергии – 1603 млрд кВт·ч. Такие параметры функционирования с учетом вскрытия их структуры по энергосистем стран приведены на рис. 2. При этом все энергосистемы ранжированы по установленной мощности в порядке убывания, для России приведена информация только по ЕЭС России, без учета технологически изолированных энергосистем Сибири и Дальнего Востока.

Рис. 1. Национальные энергосистемы и национальные операторы энергосистем стран СНГ и Балтии ЕЭС/ОЭС

Рис. 2. Установленная мощность [МВт] и выработка электроэнергии [млрд кВт·ч] на электростанциях в энергосистемах стран СНГ и Балтии ЕЭС/ОЭС, МВт [13]

Россия

Украина Казахстан Узбекистан

Беларусь Азербайджан Таджикистан Туркменистан Литва Кыргызстан Грузия

Армения Латвия Эстония

Молдова

Из представленных на рис. 2 данных видно, что в рамках энергообъединения ЕЭС/ОЭС на ЕЭС России приходится 63% установленных генерирующих мощностей и 69% выработки электроэнергии. При этом к следующим относительно крупным энергосистемам можно отнести энергосистемы 3 стран: Украины, Казахстана и Узбекистана с установленной мощностью электростанций свыше 15 ГВт и выработкой электроэнергии более чем 63 млрд кВт·ч в год. На указанные энергосистемы трех стран приходится 24% генерирующих мощностей и 20% выработки электроэнергии энергообъединения.

В ЕЭС/ОЭС наиболее крупными энергосистемами являются энергосистемы России, Украины, Казахстана и Узбекистана – на них приходится до 90% установленной мощности электростанций и выработки электроэнергии. На остальные энергосистемы приходится около 11% генерирующих мощностей и выработки электроэнергии энергообъединения ЕЭС/ОЭС. Энергосистемы Беларуси, Азербайджана, Таджикистана, Туркменистана, Литвы, Кыргызстана, Грузии, Армении, Латвии, Эстонии и Молдовы, с объемом потребления электроэнергии до 12 млрд кВт·ч в год каждая, сопоставимы со средней региональной энергосистемой в составе ЕЭС России [10].

Структура балансов мощности и электроэнергии энергосистем стран ЕЭС/ОЭС

С точки зрения конкурентоспособной экономики, приоритетными энергоисточниками для страны являются ГЭС. С учетом современных технологий важное место занимают АЭС и ТЭС (уголь, газ). С учетом мировых трендов на развитие ВИЭ, ветровые и солнечные электростанции станции (ВЭМ и СЭС, соответственно) также массово введены в эксплуатацию, но их технико-экономическая эффективность неочевидна и требует накопления опыта, особенно для России. Всего в энергообъединении ЕЭС/ОЭС 15 стран эксплуатируют электростанции с суммарной установленной мощностью более чем 391 620,9 МВт с ежегодным объемом выработки электроэнергии более чем ~1,603 трлн кВт·ч (данные за 2020 календарный год). В целом, полученная структура балансов по энергосистемам стран СНГ и Балтии в абсолютных значениях приведена в таблице, а в относительных значениях – на рис. 3 и 4.

В структуре установленной мощности электростанций ЕЭС/ОЭС на АЭС приходится 11,5%, на ТЭС – 65,7%, на ГЭС – 20,4%, на ВЭС и СЭС – 1,1% и 1,3% соответственно. При этом в структуре выработки электроэнергии на АЭС приходится 19,5%, на ТЭС – 61,7%, на ГЭС – 17,8% и на ВЭС и СЭС – 0,6% и 0,4%, соответственно. Время работы каждого типа электростанций в течение календарного года, рассчитанное на основе обобщенного коэффициента использования установленной мощности (КИУМ), составляет для АЭС – 6963 часа, ТЭС – 3844 ч, ГЭС – 3575 ч, ВЭС и СЭС – 2127 ч и 1243 ч, соответственно.

В части наличия электростанций важно отметить, что электростанции всех 5 типов есть только в составе энергосистем 4 стран: России, Украины, Беларуси и Армении. Далее, энергосистемы, в которых эксплуатируются 4 типа электростанций, без АЭС, сформированы у 7 стран, это – Казахстан, Узбекистан, Азербайджан, Литва, Латвия, Эстония и Молдова. Отдельно можно отметить энергосистемы Таджикистана, Туркменистана и Кыргызстана, в которых эксплуатируются электростанции только 2 типов – ТЭС и ГЭС. При этом в Таджикистане 92,7% объема электроэнергии вырабатывается на ГЭС. В Туркменистане 100% объема электроэнергии вырабатывается на ТЭС, работающих на газе. В энергосистеме Кыргызстана 91,7% электроэнергии вырабатывается также на ГЭС.

Абсолютные показатели функционирования энергосистем наглядно показывают, что, несмотря на сдержанное отношение к строительству и развитию ветровых и солнечных электростанций в ЕЭС России, наибольшие значения установленных мощностей ВЭС и СЭС эксплуатируются в ЕЭС России – 2035,4 МВт и 1960,6 МВт, соответственно. По этой причине можно утверждать, что в энергосистеме России достигнуты наибольшие успехи в части развития источников электроэнергии, работающих на основе ВИЭ. Сопоставимые, но меньшие объемы ВЭС и СЭС эксплуатируются в энергосистеме Украины – 796,0 МВт и 1953,0 МВт, соответственно. При этом в энергосистеме Украины СЭС с ежегодной выработкой электроэнергии на уровне ~3 млрд кВт·ч в год и КИУМ 18% работают явно эффективнее, чем СЭС в ЕЭС России с КИУМ 14%. При этом для обеих энергосистем роль ВЭС и СЭС в покрытии баланса мощности и электроэнергии незначительна, их доля не превышает 2%.

Таблица

Структура балансов мощности и электроэнергии энергосистем стран СНГ и Балтии

Страна	ВСЕГО	АЭС	ТЭС	ГЭС	ВЭС	СЭС
Установленная мощность, МВт
Россия	246 590,9	29 543,0	163 097,1	49 954,8	2 035,4	1 960,6
Украина	52 953,0	13 835,0	28 535,0	7 834,0	796,0	1 953,0
Казахстан	23 965,0	-	20 079,0	2 778,0	284,0	824,0
Узбекистан	15 949,0	-	14 032,0	1 908,0	5,0	4,0
Беларусь	11 383,0	1 200,0	9 820,0	97,0	112,0	154,0
Азербайджан	7 642,0	-	6 396,0	1 145,0	66,0	35,0
Таджикистан	6 451,0	-	718	5 733,0	-	-
Туркменистан	5 201,0	-	5 200,0	1,0	-	-
Литва	4 113,0	-	1 839,0	1 637,0	534,0	103,0
Кыргызстан	3 869,0	-	734,0	3 135,0	-	-
Грузия	3 712,0	-	1 108,0	2 583,0	21,0	-
Армения	3 622,0	408,0	1 827,0	1 340,0	4,0	43,0
Латвия	2 938,0	-	1 270,0	1 587,0	78,0	3,0
Эстония	2 746,0	-	2 303,0	6,0	316,0	121,0
Молдова	486,0	-	430	16,0	35,0	5,0
Итого ЕЭС/ОЭС	391 620,9	44 985,9	257 388,1	79 754,8	4 286,4	5 205,6
Выработка электроэнергии, млн кВт·ч
Россия	1 114 548,1	222 244,8	676 908,0	209 519,8	3 621,7	2 253,8
Украина	155 359,0	83 003,0	58 201,0	9 202,0	2 020,0	2 933,0
Казахстан	106 879,0	-	95 346,0	9 994,0	707,0	832,0
Узбекистан	63 022,0	-	56 544,0	6 462,0	16,0	-
Беларусь	40 308,0	5 780,0	33 819,0	350,0	178,0	181,0
Азербайджан	26 073,0	-	24 359,0	1 565,0	105,0	44,0
Таджикистан	20 676,0	-	1 507,0	19 169,0	-	-
Туркменистан	22 534,0	-	22 531,0	3,0	-	-
Литва	4 350,0	-	1 210,0	1 550,0	1499,0	91,0
Кыргызстан	15 100,0	-	1 256,0	13 844,0	-	-
Грузия	11 857,0	-	2 840,0	8 932,0	85,0	-
Армения	7 679,0	2 198,0	3 047,0	2 371,0	3,0	60,0
Латвия	6 439,0	-	4 174,0	2 108,0	154,0	3,0
Эстония	7 616,0	-	6 836,0	19,0	687,0	74,0
Молдова	939,0	-	830,0	65,0	43,0	1,0
Итого ЕЭС/ОЭС	1 603 379,1	313 225,8	989 408,0	285 153,8	9 118,7	6 472,8

Как отмечено выше, для энергообъединения ЕЭС/ОЭС структура баланса мощности и электроэнергии делится между электростанциями 3-х типов – АЭС, ТЭС и ГЭС, на них приходится доли каждого из балансов в объеме ~12%, ~66% и ~20% соответственно. Аналогичная структура балансов мощности и электроэнергии в соотношении 20%, 60% и 20% характерна для ЕЭС России [10].

Рис. 3. Структура балансов по установленной мощности электростанций в энергосистемах стран СНГ и Балтии ЕЭС/ОЭС, %

Рис. 4. Структура балансов по выработке электроэнергии на электростанциях энергосистем стран СНГ и Балтии ЕЭС/ОЭС, %

С точки зрения относительного содержания в балансах установленной мощности и выработки электроэнергии электростанций ВЭС, важно отметить энергосистемы Прибалтики: Литвы и Эстонии (входят в энергообъединение БРЭЛЛ [12]), а также Молдовы (вместе с Прибалтикой входят в энергообъединение ENTSO-E [23]). По установленной мощности доля ВЭС в этих энергосистемах находится в диапазоне 7 ÷ 13%, а по выработке электроэнергии в диапазоне 7 ÷ 35%, что характерно для энергосистем стран континентальной Европы (энергообъединение UCTE).

В части наличия и эксплуатации освоенных гидроэнергетических ресурсов можно отметить, что в 15 энергосистемах ЕЭС/ОЭС установленная мощность ГЭС составляет 79 758,8 МВт, а объем выработки электроэнергии превышает 285 млрд кВт·ч в год. По относительным показателям необходимо отметить энергосистемы 6 стран: Таджикистана, Литвы, Кыргызстана, Грузии, Армении и Латвии, где доля ГЭС в структуре баланса установленной мощности находится на уровне 40% или выше. При этом в структуре выработки электроэнергии с долей ГЭС по планке 40% и выше отмечаются энергосистемы только 3-х стран. В энергосистемах Таджикистана, Кыргызстана и Грузии доля выработки электроэнергии на ГЭС находится в диапазоне 75 ÷ 93%, что является уникальным технико-экономическим фактом.

Согласно данным [7], в Таджикистане объем потребления электроэнергии составляет 14,2 млрд кВт·ч в год, и ГЭС с выработкой 19,2 млрд кВт·ч обеспечивают 140% потребностей страны в дешевой электроэнергии. В Кыргызстане объемы потребления и производства электроэнергии составляют 12,4 / 13,8 млрд кВт·ч, соответственно, ГЭС обеспечивают 111% потребностей страны в электроэнергии [13]. В Грузии (данные на 01.01.2021 г.) такое соотношение составляет 13,2 / 11,9 млрд кВт·ч, ГЭС обеспечивает 90% потребностей страны в дешевой электроэнергии [24].

Тарифы на электроэнергию в странах ЕЭС/ОЭС

Благоприятные экономические условия, локально созданные наибольшим относительным объемом выработки электроэнергии на ГЭС, отмечаются для энергосистем Таджикистана, Кыргызстана и Грузии. Исследования отчетных документов [1; 7; 10; 12-16; 21; 23; 24] и источников [2-4; 9; 11; 17-20], содержащих сведения об уровне тарифов для потребителей электроэнергии на территории государств за период 2020-2022 гг., в пересчете на российский рубль, показаны на рис. 5.

Рис. 5. Тарифы на электроэнергию странах СНГ и Балтии

На рис. 5 приведены тарифы на электроэнергию для потребителей в столицах государств, на уровне 0,4 кВ. Для промышленных потребителей тарифы на электроэнергию ниже, в их отношении действуют рыночные механизмы. Также в Туркменистане (100% выработки на газовых ТЭС) на 1 жителя введен норматив 35 (100) кВт·ч бесплатного расхода электроэнергии в месяц. Сверхнормативное потребление оплачивается по тарифу, указанному на рис. 5. Наименьшие тарифы на электроэнергию на уровне ~1,5 ₽/кВт·ч отмечаются в Узбекистане, Таджикистане и Кыргызстане. В Грузии тарифы на электроэнергию находятся на среднем уровне – 3,99 ₽/кВт·ч. Поэтому условно подтверждается прямая связь между 100%-й долей выработки электроэнергии на ГЭС и низкими тарифами.

В то же время, ВВП в странах ЕЭС/ОЭС ведет себя неоднозначно. В Грузии, Таджикистане и Узбекистане ВВП растет ежегодно в диапазоне 14-35%. При этом в Украине, Молдавии, Армении ВВП растет также быстро [8] (в России до 5%), что в большей степени связано с низкими ценами на природный газ для ТЭС. В России по сравнению со странами Средней Азии, стоимость электроэнергии выше в 4-7 раз. При этом потенциал выработки электроэнергии на ГЭС составляет ~2,9 трлн кВт·ч в год [5], а освоение ресурсов ГЭС относится к перспективным задачам [22].

Выводы

• 1.    По итогам функционирования в 2020 г. в энергообъединении ЕЭС/ОЭС 15 стран эксплуатируют электростанции с суммарной установленной мощностью более чем 391 620,9 МВт с ежегодным объемом выработки электроэнергии более чем ~1,603 трлн кВт·ч.

• 2.    В ЕЭС/ОЭС суммарная установленная мощность ГЭС составляет 79 758,8 МВт (20,4%), а объем выработки электроэнергии превышает 285 млрд кВт·ч (17,8%) в год.

• 3.    Энергосистемы Таджикистана, Кыргызстана и Грузии с объемом потребления до 14 млрд кВт·ч в год – небольшие, но являются уникальными, т.к. в них доля выработки электроэнергии на ГЭС находится в диапазоне 75 ÷ 93%, и ГЭС полностью обеспечивают потребности стран в электроэнергии.

• 4.    Самые низкие тарифы на электроэнергию на уровне 0,8 ÷ 1,5 ₽/кВт·ч как благоприятное условие для функционирования и развития экономики выявлены в Узбекистане, Таджикистане и Кыргызстане.

https://eadaily.com/ru/news/2021/10/17/v-azerbaydzhane-podorozhayut-gaz-i-elektroenergiya (дата обращения 04.11.2022).