Комплексное управление спросом на энергоресурсы на промышленных предприятиях и в регионе

Рост интереса к вопросам повышения энергетической эффективности в мировом сообществе произошел относительно недавно, в связи с чем многие технологии и методы энергосбережения и повышения энергетической эффективности находятся на этапах разработки и развития [1, 2]. Для большинства стран мира повышение энергетической эффективности является частью национальной политики стратегического развития, для реализации которой выделяется существенный объем инвестиций на проведение исследований и апробации новых технологий в этой области [3, 4]. В России толчком к разработке проблемы повышения энергетический эффективности послужил выход в 2009 году федерального закон № 261 «Об энергосбережении», определивший начало реализации политики энергосбережения в стране на общенациональном уровне [5].

Одним из современных и инновационных направлений повышения энергетической эффективности, реализуемым в мировой практике, является механизм управления спросом на потребление электрической энергии, который представляет собой форму экономического взаимодействия субъектов электроэнергетики с конечными потребителями электрической энергии, обеспечивающую взаимовыгодное экономически эффективное регулирование объемов и режимов электропотребления [6].

Теоретическая база

Процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии характеризуются рядом технологических особенностей:

• 1)    значительное количество потребителей электроэнергии, объединенных в рамки единой технологической системы производства, распределения и потребления электроэнергии, работающих одновременно в рамках единого технологического режима функционирования электроэнергетической системы;

• 2)    необходимость обеспечения мгновенного баланса между параметрами производства и потребления электроэнергии, в случае рассогласования которого происходит снижение качества электроэнергии и повышение аварийности в электроэнергетической системе [7];

• 3)    отсутствие возможности мгновенного контроля и ограничения нагрузки электропотребления каждого потребителя, действующего в рамках электроэнергетической системы;

• 4)    отсутствие возможности аккумулирования электроэнергии в промышленных масштабах с целью выдачи в энергосистему для покрытия пиковых нагрузок электропотребления;

• 5)    высокая неравномерность спроса на электропотребление в рамках различных периодов [8].

На рис. 1 представлена диаграмма почасового спроса на электропотребление Новосибирской области за 2016 год. Видно, что спрос на электро- потребление характеризуется как внутрисуточной, так и годовой волатильностью. В рамках суток спрос на электропотребление изменяется в среднем на 600 МВт или 35 % от величины минимума суточного графика нагрузки. В рамках годового периода спрос варьируется на 1700 МВт или на 170 % по сравнению с годовым минимумом нагрузки энергосистемы.

График производства электроэнергии электростанциями синхронен с мгновенными значениями спроса на электропотребление. На рис. 2 представлена диаграмма почасовой выработки электроэнергии электростанциями Новосибирской области за 2016 год. Без учета перетоков электроэнергии из смежных электроэнергетических систем спрос на электропотребление в Новосибирской области покрывается тепловыми электростанциями: Барабинской ГРЭС, несколькими Новосибирскими ТЭЦ и гидроэлектростанцией. Так, основную долю покрытия спроса на электропотребление региона обеспечивает внутренняя генерация, 85 % из которой составляют ТЭС, 15 % – ГЭС, при этом основную нагрузку в период зимнего роста спроса покрывается ТЭС.

В рамках суточного графика электропотребления обеспечение неравномерности спроса покрывается за счет формирования горячего резерва генерирующих мощностей, работающих в режиме постоянной готовности к выработке электроэнергии и покрывающих пиковые и полупиковые периоды нагрузок. Горячий резерв генерирующих мощностей работает в круглосуточном режиме, что приводит к значительным непроизводительным затратам электростанций, оплачиваемых конечными потребителями электроэнергии.

В рамках годового графика электропотребления обеспечение неравномерности спроса производится за счет значительного резерва генерирующих мощностей, действующих в электроэнергетической системе. Данный резерв используется для покрытия зимних максимумов энергосистемы. В период спада нагрузки электропотребления резервируемые генерирующие мощности поддерживаются в работоспособном состоянии, проводятся ремонты, работает штат оперативного персонала, обеспечивается требуемый топливный резерв. Для примера, в Новосибирской области резерв генерирующих мощностей на покрытие зимних максимумов электропотребления составляет не менее 800 МВт. Обеспечение резервируемых мощностей также оплачивается конечными потребителями электроэнергии, действующими в рамках ЕЭС.

Затраты, связанные с неравномерностью спроса на электропотребление, также возникают в электросетевом комплексе, что выражается в необходимости создания значительных резервов электросетевых мощностей, требуемых для обеспечения суточной и годовой волатильности, в повышении аварийности и эксплуатационных расходов, связанных с нестабильностью нагрузки электропотребления.

По оценкам авторов, в масштабах ЕЭС России затраты, связанные с неравномерностью спроса на электропотребление, составляют несколько десятков миллиардов рублей ежегодно. Выравнивание спроса на электропотребление может способствовать получению значительного народнохозяйственного эффекта в виде снижения стоимости электроэнергии для всех потребителей ЕЭС, повыше-

---Почасовой объем спроса на электропотребление Новосибирской области за 2016 год

август сентябрь октябрь ноябрь декабрь

Рис. 1. Диаграмма почасового спроса на электропотребление Новосибирской области за 2016 год

ния надежности и качества энергоснабжения и энергетической безопасностью страны [9].

Управление спросом на электропотребление приводит к выравниванию почасовых суточных графиков электропотребления в масштабах РЭС, ОЭС и ЕЭС. Учитывая технологическую сложность процессов обращения электроэнергии, управление спросом должно осуществляться посредством реализации комплексной программы мероприятий, в которой участвуют все субъекты электроэнергетики: производители электроэнергии, магистральные и распределительные электросетевые компании, потребители электроэнергии и субъекты технологической и коммерческой инфраструктуры оптового и розничного рынков электроэнергии.

Помимо электрической энергии одним из наиболее массово используемых энергоресурсов является природный газ. Природный газ характеризуется относительно невысокой стоимостью, простотой трубопроводной транспортировки и распределения, легкостью преобразования в другие виды энергии и экологичностью потребления [10]. Природный газ имеет широкое применение в цветной и черной металлургии, машиностроительной, цементной, химической промышленности и секторе ЖКХ [11].

Характеристики спроса на потребление природного газа сходны с параметрами спроса на потребление электроэнергии. На рис. 3 представлена диаграмма годового графика спроса на потребление газа Омской области. Как видно из диаграмм, кривая спроса на потребление природного газа на уровне региона по форме повторяет кривую спроса на потребление электроэнергии.

Учитывая схожесть технологических процессов обращения природного газа и характеристик неравномерности спроса на потребление газа на различных периодах с характеристиками потребления электрической энергии, механизм управления спросом может применяться не только к электроэнергии, но и к процессу обращения природного газа. Возможность и целесообразность внедрения механизма управления спросом применительно к процессу обращения природного газа схематично представлена на рис. 4. Режимы производства, передачи и распределения природного газа вынужденно подстраиваются под режимы спроса на потребление природного газа всеми потребителями, действующими в рамках ЕСГ, что несет дополнительные издержки на покрытие неравномерности спроса.

Как и в случае с управлением спросом на потребление электрической энергии, управление спросом на потребление природного газа позволяет снижать затраты на производство и транспорт газа, что в свою очередь приводит к снижению тарифов на закуп газа для конечных потребителей [12].

Результаты исследований

В результате анализа существующих отечественных и зарубежных исследований, посвященных вопросу управления спросом на потребление природного газа, выявлено, что наряду со значительным количеством исследований в области управлению спросом на потребление электроэнергии [13–15], вопросу управления спросом на газ уделяется достаточно мало внимания [16].

Систематизировав особенности спроса на потребление электрической энергии и природного газа, можно выделить ряд общих черт, а именно:

Рис. 2. Диаграмма почасовой выработки электроэнергии электростанциями Новосибирской области за 2016 г.

Рис. 3. Диаграмма месячного спроса на потребление газа Омской области

• -    Необходимость согласования режимов межу процессами мгновенного производсвтва и потребления природного газа;

• -    Несоответствие режимов производства, транспортировки и распределения природного газа с режимами потребления может привести к авариям в ЕСГ;

• -    Отсутствие технологической возможности хранения природного газа в больших масштабах для покрытия волатильности спроса;

  
  
  
  
  
  

• -    Производство природного газа осуществляется централизованно, сразу для всех потребителей газа в ЕСГ;

• -    Режимы производства природного газа синхронизированы с режимами и объемами спроса на его потребление;

• -    Управление режимами производства газа производится централизовано.

• -    Транспортировка природного газа производится централизованно, в едином режиме потребления газа всех потребителей газа в ЕСГ;

• -    Режимы транспортировки природного газа синхронизированы с режимами и объемами спроса на его потребление;

• -    Управление режимами транспортировки газа производится централизовано;

• -    Режимы распределения природного газа синхронизированы с режимами и объемами спроса на его потребление;

• -    Потребление природного газа единовременно осуществляются массовым количеством потребителей;

• -    Контроль и ограничение объеме потребления каждого потребителя газа действующего в рамках ЕСГ является невозможным;

• -    Характер графиков спроса на потребление природного газа на различных периодах является волатильным.

Рис. 4. Схема, определяющая возможность внедрения механизма управления спросом применительно к процессу обращения природного газа

• V    природный газ и электрическая энергия являются основными энергетическими ресурсами, потребляемыми в рамках мировых экономик [17];

• V    основная часть электрической энергии и природного газа потребляется в промышленном секторе;

• V    значительная доля природного газа, потребляемого промышленностью, используется для производства электроэнергии (рис. 5);

• V    графики потребления электрической энергии и природного газа характеризуются схожей по форме волатильностью;

V на спрос на потребление электрической энергии и потребление природного газа влияют в основном одинаковые факторы.

Таким образом, технологические и экономические особенности потребления электрической энергии и природного газа, схожесть параметров и структуры спроса обуславливают возможность снижения затрат на их потребление посредством моделей комбинированного управления спросом.

По нашему мнению, наибольшую важность для управления спросом на потребление энергетических ресурсов составляет промышленный сектор, так как:

• V    наибольшая доля потребления электрической энергии и природного газа приходится на промышленный сектор [18];

• V    высока мотивация к снижению затрат на закуп энергоресурсов именно в промышленности [19];

• V    для промышленности действуют более высокие тарифы на поставку энергоресурсов по сравнению с остальными группами потребителей;

• V    существует возможность управления собственным спросом на потребление энергоресурсов;

V высока зависимость затрат на потребление газа на электростанциях от спроса на электропотребление со стороны промышленного сектора.

V существует возможность получения значительного народнохозяйственного эффекта от управления спросом в промышленности.

Примеры почасовых графиков спроса на потребление электрической энергии и природного газа промышленных предприятий представлены на рис. 6.

Характер волатильности графиков потребления электрической энергии и природного газа на промышленных предприятиях в первую очередь обусловлен техническими параметрами энергопотребляющего оборудования, особенностями технологических процессов в отрасли и производственной программой предприятия.

Проведенная авторами систематизация и классификация факторов, влияющих на волатильность параметров спроса на потребление электрической энергии и природного газа на промышленных предприятиях, представлена на рис. 7.

Производственные факторы - факторы, действующие на характеристики графиков потребления электроэнергии и газа со стороны состава и уровня загрузки производственного оборудования, графиков работы смежных производственных процессов, плана производства, а также аварий и графика ремонтов оборудования.

Технологические факторы - факторы, действующие на характеристики потребления электроэнергии и газа со стороны особенностей и режимов технологии производства продукции, физических характеристик обрабатываемого сырья.

Социально-экономические факторы - факторы, действующие на характеристики потребления электроэнергии и газа со стороны социальноэкономических процессов жизнедеятельности людей, режима выходных и праздничных дней, сменности работы производства, продолжительности рабочих смен и перерывов.

Климатические факторы - факторы, действующие на характеристики графиков потребления

Рис. 5. Структура потребления первичных энергоресурсов экономикой России: А) общая структура потребления первичных энергоресурсов, Б) структура потребления природного газа [20]

Рис. 6. Графики почасового спроса на потребление электрической энергии и природного газа различными типами промышленных предприятий

электроэнергии и газа, обусловленные климатическими условиями, а именно температура окружающего воздуха, продолжительность светового дня, влажность воздуха и осадки.

Прогнозирование будущих значений вышеперечисленных факторов является основой планирования потребности в энергоресурсов и ключевым аспектом информационной базы управления спросом на энергоресурсы.

Таким образом, проведенный анализ позволяет констатировать, что управление спросом на энергоресурсы возможно и целесообразно реализовывать в комплексе электрическая энергия и природный газ, что можно представить в виде целевых функций и формул:

SE = /( П ) x /( Т) xf(СЭ ) х/( К ), (1) где SE - спрос на потребление электрической энергии промышленного предприятия; – влияние производственных факторов; Т – влияние технологических факторов; СЭ – влияние социальноэкономических факторов; – влияние климатических факторов.

SG = /( П ) xf(Т ) х/(СЭ ) х/(К ), (2) где SG - спрос на потребление природного газа промышленного предприятия.

Параметры спроса на потребление электрической энергии и природного газа оказывают взаимное влияние друг на друга:

SE = /(SG) ^ SG = /(SE). (3)

В связи с этим комплексное управление спросом на электрическую энергию и природный газ можно представить в виде целевой функции:

S = /( П ) х/( Т ) х/( СЭ ) х/( К ), (4) где S - комплексный спрос на потребление электрической энергии и природного газа промышленным предприятием.

Модель комбинированного управления спросом

Учитывая общность характеристик, влияющих факторов и взаимное влияние спроса на потребление электроэнергии и природного газа, авторами разработана модель комбинированного управления спросом на потребление электроэнергии и природного газа на уровне ЕЭС, представленная на рис. 8, которая состоит из трех основных блоков: блок разработки индикаторов комбинированного управления спросом на потребление электрической энергии и природного газа, блок комбинированного управления спросом на потребление электрической энергии и природного газа на промышленных предприятиях и блок оценки экономического эффекта на уровне региона и макроэкономики в целом.

В блоке разработки индикаторов комбинированного управления спросом на потребление электрической энергии и природного газа производится

Рис. 7. Классификация факторов влияющих на волатильность параметров спроса на потребление электрической энергии и природного газа на промышленных предприятиях

Блок разработки индикаторов комбинированного управления спросом на потребление электрической энергии и природного газа

Блок комбинированного управления спросом па потребление электрической энергии и природного газа на промышленных предприятиях

Период анализа

Уровень анали за спроса

Структура анализа спроса

прогнозирование факторов влияюших на спрос

С учетом сезонных и per нональных особенностей

Статистика трафиков спроса на потребление электроэнергии

Г татистика графиков спроса на потребление природного газа

Анализ параметров на различных периодах управления

Час

Месяц

Педеля Сутки

Час

Производственные

ТсхнОлО)ичсскнс

ЕЭС ОЭС РЭС

Промышленность

Население

ЕСГ

PC Г

Сектор услуг

Оценка тенденций взаимного влияния параметров спроса

______________________________________!_____________________________________

Анализ и разработка модели комплексного управления спросом на потребление электрической энергии и природного газа

Блок индикаторов управления спросом

Индикаторы ДЛЯ управления спросом на элсктропотрсблсинс

управления спросом на потребление газа

Ценовые индикаторы

Ценовые chi налы стимулдирующие к управлению спросом на электронотрсленнс

.тирующие к управлению спросом на потребление природною газа

Индикаторы

Периоды

паэлсктропотрсблспис

Периоды для управления спросом на потребление природного газа

Социальноэкономические

Перечень факторов дейсвуюшнх на параметры спроса на потребление электроэнергии и пиродногогаза

Прогноз графиков работы

оборудования

Прогноз спроса на электропотребление

Опенка параметров затрат на элсктропотрсбдсннс

__________!__________

Оценка параметров затрат на потреблениегаза

На основе индикаторов управления спросом проведение анализа возможности корректировок iрафиков процессов производства для целей комбинированного управления спросом на потребление электрический энергии и природного газа с учетом взаимного влияния

Принятие решений об изменении конфигурации графиков работы производственного и искомо iительмен о оборудования

Получение экономии от стоимости закупок энсргорссурсов на уровне предприятия

Блок получения эффекта на уровне макроэкономики

Выравнивание спроса на потребление электроэнергии на уровне РЭС, РЭС. ОЭС

Выравнивание спроса на потребление природного газа на уровне РСГ. ЕСГ

Получение эффекта от взаимного влияния параметров спроса

Снижение затрат на производство

энергии на уровне РЭС, РЭС, ОЭС

Снижение штраг ни производство и транспортировку природного газа на уровне РСГ, ЕСГ

Получение «кономнчсского эффекта на уровне предприятия ог комбинированною управления co6ciвенным спросом на потребление электрической энергии и природною газа

Снижение затрат на потребление электрической энергии и природного газа на всех уровнях национальной экономики

Рис. 8. Модель комбинированного управления спросом на потребление электроэнергии и природного газа на уровне ЕЭС

анализ и определение ценовых и интервальных параметров, стимулирующих потребителей энергетических ресурсов к управлению спросом.

Информационной базой для разработок этого блока является анализ статистических данных об уровне спроса на потребление энергоресурсов на различных уровнях: еЭс, ОЭС, РЭС, РСГ, ЕСГ, в разные временные периоды (год, месяц, неделя, сутки, час). Для учета структурных особенностей спроса на потребление энергоресурсов необходим анализ в разрезе основных групп потребителей: промышленность, население, сектор услуг, транспорт, строительство и пр. Для учёта изменений параметров спроса на потребление энергоресурсов на различных временных периодах управления производится оценка уровня влияющих факторов и учет взаимного влияния параметров спроса на потребление электрической энергии и природного газа.

Таким образом, результатом блока разработки индикаторов комбинированного управления спросом является набор индикаторов управления, учитывающих региональные особенности спроса на потребление энергоресурсов, а именно: интервалы для управления спросом для каждого региона, стимулирующие ценовые сигналы, обусловленные конъюнктурой рынка электроэнергии, стоимость поставок газа в регионе, структуру потребления энергоресурсов в регионе, сезонность изменения спроса в регионе, взаимное влияние спроса на потребление электрической энергии и природного газа в регионе.

В блоке комбинированного управления спросом на потребление электрической энергии и природного газа на промышленных предприятиях производится анализ, оценка и принятие решения о корректировке графиков работы производственного и вспомогательного оборудования предприятия с целью снижения величины затрат на закуп энергоресурсов. Опираясь на результаты прогнозирования производственных, технологических, климатических и социально-экономических факторов и анализа степени их влияния, строится прогнозный график работы производственного и вспомогательного оборудования для различных периодов управления [20]. На основе прогнозных графиков работы производственного и вспомогательного оборудования прогноз спроса на потребление электрической энергии и природного газа и оценка различных альтернатив управления спросом при изменении выбранных на предыдущем этапе индикаторов управления и выбирается наиболее оптимальный вариант корректировки совокупного графика спроса на потребление электроэнергии и газа.

В блоке оценки эффекта на уровне региона и макроэкономики рассчитывается потенциальный эффект от выравнивания спроса на потребление электрической энергии и природного газа в рамках ЕЭС, ОЭС, РЭС, РСГ, ЕСГ. Взаимное влияние друг на друга потребления электроэнергии и природного газа вызывает синергетический эффект сокращения затрат на энергоресурсы на всех уровнях управления [21].

Пример апробации

Приведем пример апробации применения разработанной модели комбинированного управления спросом на электропотребление на уровне промышленного предприятия, расположенного в Челябинской области, с экстраполяцией на уровень региона. В рамках анализа неравномерности спроса было выявлено, что неравномерность спроса на потребление электроэнергии и природного газа наблюдается в периодах 12:00 до 14:00 каждый рабочий день. Неравномерность спроса формируется промышленным сектором. Разработанные индикаторы управления спросом на потребление электроэнергии и природного газа определили более высокие ценовые сигналы на поставку электроэнергии и природного газа на период с 12:00 до 14:00 в каждый рабочий день.

Промышленное предприятие, действующее на территории Челябинской области производит одновременное потребление электроэнергии и природного газа. Предприятием производится прогноз планового почасового потребления энергоресурсов с выполнением анализа плановой стоимости закупок энергоресурсов. На основе анализа индикаторов управления спросом предприятием принято решение об изменении конфигурации графиков работы производственного оборудования для целей снижения затрат на их закупку, в период с 12:00 до 14:00 в каждый рабочий день календарного месяца, с перенесением нагрузки в размере 7 % от объема спроса на другие периоды суток. Снижение графиков работы производственного оборудования для исследуемого предприятия позволяет снизить спрос на потребление как электроэнергии, так и природного газа. Расчеты полученного экономического эффекта для промышленного предприятия составляют 26 млн руб. в год. Экспертная экстраполяция полученного эффекта на экономику Челябинской области позволяет получить эффект в размере порядка 2 млрд руб. ежегодно, которые выразятся в снижении тарифов на закупку электрической энергии и природного газа для промышленных предприятий региона.

Обсуждение и выводы

По результатам проведенного исследования в качестве заключительных выводов можно констатировать следующее.

• 1.    Механизм управления спросом на потребление электрической энергии является одним из современных и инновационных направлений повышения энергетической эффективности, реализуемым в мировой практике. Учитывая характеристики неравномерности спроса на потребление электрической энергии в России, реализация механизмов управления спросом позволит повысить

• 2.    Выявленные технологические и экономические схожести параметров спроса на потребление природного газа с характеристиками потребления электрической энергии позволяют сделать вывод о возможности применения механизмов управления спросом к обращению природного газа, что позволяет снизить затраты на газоснабжение на уровне производства, передачи, распределения и потребления газа, что, в свою очередь, приводит к снижению тарифов на закуп газа для конечных потребителей.

• 3.    В результате анализа факторов, оказывающих влияние на неравномерность спроса на потребление электроэнергии и природного газа, была выявлена схожесть, позволяющая выполнить их классификацию на производственные, технологические, социально-экономические и климатические. Выявленная общность характеристик влияющих факторов на потребление исследуемых энергоресурсов позволяет сделать вывод о возможности комбинированного управления спросом на потребление электроэнергии и природного газа.

• 4.    Разработанная модель комбинированного управления спросом на потребление электроэнергии и природного газа на уровне ЕЭС позволяет ускорить процесс выравнивания графиков спроса, увеличить совокупный экономический эффект от сокращения затрат, повысить энергетическую эффективность как отдельных промышленных предприятий, так регионов и страны в целом. Приведенный пример апробации применения разработанной модели комбинированного управления спросом на примере промышленного предприятия, расположенного в Челябинской области, позволяет подчеркнуть эффективность применения разработанных положений не только в рамках отдельных промышленных предприятий, но и в масштабах экономики регионов и страны в целом.

энергетическую эффективность потребления электроэнергии на уровне как отдельных потребителей, так регионов и страны в целом.