Территориальная организация локальной энергетики Центрального экономического района России

Размещено на http://www.allbest.ru/

48

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Территориальная организация локальной энергетики Центрального экономического района России

Специальность 25.00.24 -- экономическая, социальная и политическая география

Атаев Заирбег Авукавович

Москва - 2008

Работа выполнена в Институте географии Российской Академии наук

Научный консультант: Приваловская Генриэтта Алексеевна доктор географических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Дронов Виктор Павлович, доктор географических наук, профессор, член-корреспондент РАО

Коронкевич Николай Иванович, доктор географических наук, профессор

Родионова Ирина Александровна, доктор географических наук, профессор

Ведущая организация: Географический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Защита состоится 4 апреля 2008 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.002.046.01 по специальности 25.00.24 «Экономическая, социальная и политическая география» при Институте географии РАН по адресу: 119017 Москва, Старомонетный пер., 29, Институт географии РАН; факс (495) 959-00-33

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук, Т.Л. Бородина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обществу XXI в. предстоит решить ряд глобальных проблем, связанных с истощением наиболее доступных естественных ресурсов Земли, негативными экологическими последствиями хозяйственной деятельности. Особо нужно подчеркнуть значимость решения энергетической проблемы, выступающей основой социально-экономического развития общества. Одним из направлений решения энергетической проблемы является вовлечение в общий энергобаланс возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В России такие перспективы исследуют преимущественно ученые технико-экономических специальностей, не учитывающие специфику условий территории. Между тем в России, в том числе и Центральной, далеко зашли процессы социально-экономической поляризации регионов, обуславливающие резкие различия энергетических проблем «полюсов роста» и депрессивных зон. В результате здесь реально существуют разные уровни энергетического пространства, которые вызывают необходимость территориальной организации локальных энергосистем. В рамках только лишь технико-экономических подходов решение такой проблемы невозможно, а другие разработаны слабо. В частности, необходимо искать новые подходы, более полно учитывающие связь энергетики с условиями территории.

Основная научная проблема, решаемая в диссертации, состоит в разработке географических основ территориальной организации локальных энергосистем в Центральном экономическом районе России (ЦЭР России).

Ключевая идея данной работы заключается в следующем: одним из эффективных способов повышения надежности энергоснабжения на разных уровнях энергетического пространства является сопряжение вертикальной интеграции централизованных энергосистем с горизонтальной интеграцией локальных систем, т.е. комбинированное развитие разномасштабных энергосистем. Географический анализ энергетических проблем именно на локальном уровне территории позволяет выявить и оценить эффективность разных вариантов территориальной организации энергоснабжения.

Цель работы -- выявление территориальных закономерностей формирования локальных энергосистем ЦЭР России в новых социально-экономических условиях развития.

Для достижения цели были поставлены следующие основные задачи:

1. Анализ территориальной организации электроэнергетики района с учетом соотношения основных тенденций развития отрасли: централизации (централизованные энергосистемы) и децентрализации (локальные системы, в том числе на основе ресурсов ВИЭ).

2. Выявление противоречий между вертикальной интеграцией централизованных энергосистем и горизонтальной дифференциацией социально-энергетических потребностей на локальном уровне территории.

3. Зонирование ЦЭР исходя из территориальной дифференциации ресурсов энергии ветра и рек для развития локальных энергосистем.

4. Обоснование комплекса ключевых предпосылок, определяющих эколого-экономическую эффективность развития локальных энергосистем.

5. Разработка многоуровневой модели энергетического пространства ЦЭР, более устойчивой по надежности функционирования на локальном уровне социально-экономического пространства. Районирование ЦЭР по целесообразным направлениям территориальной организации локальных энергосистем как в рамках сопряжения с централизованной системой, так и по схеме создания разобщенной децентрализованной энергосистемы.

Объект исследования -- энергетическое пространство ЦЭР России, рассматриваемое как энергетический базис территориальной организации общества. Предмет исследования -- структура энергетического пространства района как результат совместного развития разномасштабных энергосистем на локальном уровне территории.

Методологические основы и методика. Из научных направлений, наиболее важных для диссертации, выделяются следующие (подробный перечень концепций приведен в тексте диссертации):

· отечественная общая и теоретическая география;

· историческая и эволюционная география;

· географические концепции организации пространства, территориальной структуры и хозяйства;

· социально-демографическая школа изучения сельской местности;

· география природопользования и геоэкология;

· региональная наука и отраслевая география;

· учение о развитии энергосистем, энергетических порогах, концепции использования ресурсов возобновляемых источников энергии.

В диссертации используется методика, сочетающая в работе географический, исторический и отраслевой подходы: системно-структурный, геосетевой и картометрический анализ, историко-географический, сравнительный, статистический методы, приемы географической систематизации (зонирование -- районирование), методы многостадийных расчетов ресурсного потенциала, выбора основы энергосистемы по многокритериальному виду оценки, историко-географических реконструкций и составления карт и др.

Сущность комплексного географического подхода требует наличия элементов синтеза для оценки возможностей и последствий развития локальных энергосистем, что диктует необходимость широкого использования методов типологического районирования, пространственного моделирования, перспективного прогнозирования и планирования.

Методологически исследование строится на анализе и синтезе комплекса подходов к изучению основной проблемы с целью выявления сквозного характера изучения этапов развития общества с энергетикой на различных уровнях энергетического пространства: Российская Федерация -- Центральный район -- регион-область -- локалитет (административный район, сельский округ, поселение). Глобальный фон используется для сравнения энергетических стратегий и тенденций развития возобновляемой энергетики.

Информационная база. При анализе литературы обращалось внимание, прежде всего, на системные концепции, идеи и на степень освещенности в них экономико-географических аспектов проблемы территориальной организации локальной энергетики. В силу неравнозначности отражения и глубины проработки этих вопросов, информационная база исследования носит выборочный характер. Основными источниками фактических данных служили атласы и карты регионов ЦЭР России, аэрофотоснимки, обзоры отраслевых журналов («Электрические станции», «Энергетик» и др.), сборники федеральной и региональной статистики, информация научно-технических совещаний и целевых федеральных программ, государственного архива Рязанской области (ГАРО). Особую значимость имели материалы ОАО «Костромаэнерго», «Рязаньэнерго», результаты полевых исследований автора серии «Ока» (1997-2007 гг.). Дополнительно привлекался материал сводных отраслевых разработок РАО «ЕЭС России», справочная и нормативная литература, а также источники краеведческого характера.

Научная новизна исследования состоит в географическом обосновании концепции возрождения локальной энергетики в ЦЭР России:

· выявлены территориальные закономерности рационального сопряжения разномасштабных энергосистем в условиях староосвоенных регионов Центральной России;

· предложена гипотеза применимости разных концепций территориальной организации энергоснабжения на локальном уровне;

· обосновано наличие на территории Центрального района комплекса ключевых предпосылок, определяющих целесообразность и масштабы развития локальных энергосистем на основе ресурсов ВИЭ;

· определена эколого-экономическая эффективность развития локальных энергосистем на основе ресурсов ВИЭ на локальном уровне обслуживания централизованных энергосистем;

· разработана модель организации более устойчивого многоуровневого энергетического пространства Центрального района, способная ослабить каскадный характер негативных последствий в случае системных сбоев и аварий в централизованной энергосистеме.

Практическая значимость работы связана с возможностью существенного повышения надежности энергоснабжения потребителей в Центральном районе за счет сопряженного развития централизованных и локальных энергосистем. Более того, представляется, что многоуровневая модель энергетического пространства выступает основой организации территориальных общностей разного вида и ранга. Поэтому материалы диссертации могут быть использованы в любом регионе России для широкого спектра академических и прикладных исследований по развитию энергетики, хозяйства и расселения разномасштабных территорий.

В 1993 г. автором была разработана региональная программа использования ветроэнергетики в Рязанской области, внедренная в форме двух локальных энергосистем в крестьянско-фермерских хозяйствах (эффективно функционировали до 2002 г.). В целях привлечения внимания к возобновляемой энергетике в РГУ имени С.А. Есенина была организована лаборатория «Возобновляемые источники энергии и энергетика» (1998 г.), функционирует научно-студенческое объединение «Проблемы развития возобновляемой энергетики». Материалы диссертации используются в курсе лекций «География возобновляемой энергетики», который автор читает на естественно-географическом факультете РГУ имени С.А. Есенина с 1998 г.

Публикации и апробация результатов исследования. По теме диссертации издано 36 работ общим объемом около 55,0 п.л. (публикаций в соавторстве нет), в том числе монография «Территориальная организация локальной энергетики ЦЭР России» -- 32,85 п.л. (М.; Рязань, 2006).

Основные положения и результаты диссертации докладывались на 16 международных, всероссийских и региональных конференциях, посвященных проблемам развития возобновляемой энергетики и регионального развития в г. Рязань (1997, 1998, 2001, 2002, 2003, 2004, 2006), Москва (2001, 2003, 2004, 2005), Смоленск (2002), на сессиях МАРС (Саратов, 2005; Липецк, 2006; Иваново, 2007).

Структура работы и объем работы. Работа выполнена в 2-х томах. Первый том состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержание диссертации изложено на 295 страницах, включает 22 таблицы (13 авторских) и 42 рисунка (36 авторских). Список библиографии насчитывает 471 наименование. Отдельный том составляют приложения объемом 155 страницы: 59 таблиц (49 авторских), 36 рисунков (32 авторских).

Во Введении дана общая характеристика работы, сформулирована научная проблема, цель и задачи, методологические основы, научная новизна и практическая значимость. В первой главе анализируются основные научные направления и методика, на которые опирается работа, предложена система базовых понятий. Выявлены противоречия в территориальной организации централизованных энергосистем. Во второй главе рассмотрены основные тенденции развития электроэнергетики Центрального района, эволюция ее территориальной организации. В третьей главе обосновано наличие историко-географических, ресурсных и научно-производственных предпосылок для масштабного развития в районе возобновляемой энергетики. Четвертая глава посвящена разработке модели социально-энергетического районирования ЦЭР, приведен эколого-экономический анализ локальных энергосистем, обоснованы схемы их использования, а также государственные и региональные механизмы стимулирования возобновляемой энергетики. В заключении представлены основные выводы, раскрывающие суть закономерностей формирования разномасштабных энергосистем в новых условиях развития.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Методология исследования и используемые в работе основные понятия

Методология исследования

Иерархия масштаба районной организации общества и системы энергоснабжения выступает базой для разработки географических основ территориальной организации локальных энергосистем в ЦЭР России.

Для анализа проблемы территориальной организации локальной энергетики (энергосистем) использована методология развития автономных систем в сельском хозяйстве на основе ресурсов возобновляемых источников энергии (по В.П. Муругову). Потенциал методологии представлен в таблице 1 в виде алгоритма решения группы задач (1-й столбец).

Системно-структурный анализ последовательности задач в таблице 1 свидетельствует, что на современном этапе развития России материальные и финансовые стимулы, составляющие содержание раздела «мочь» и «хотеть», не дают положительного результата. Из-за этого страдает последнее звено -- «успеть» -- и уже привычное состояние «догоняющей» страны.

Масштаб районной организации общества и адекватный ему ранг энергосистемы определяют выбор разного географического подхода к анализу задач (3-4 столбец таблицы): в отраслевом разрезе чаще всего используется универсализм, а в региональном разрезе -- уникализм (по А.И. Трейвишу).

Такой подход реализован на примере трех ключевых регионов -- Московской, Рязанской и Костромской областей, относящихся к лесной, лесостепной и степной природным зонам. Костромская область самый лесной и северный субъект района. Московская и Рязанская области -- переходная территория между лесной и степной зонами. Южной части Рязанской области уже присущи черты степной зоны. Показателен и общественный блок параметров сравнения. Московская область в районе -- это социально-экономический «полюс роста». Костромская область в районе по площади уступает только Тверской области, но наиболее малозаселенный и необеспеченный дорожной сетью регион, характеризующийся самыми низкими социально-экономическими показателями развития. Рязанская область представляет собой пример мезоуровня, занимая среди регионов ЦЭР среднее место.

Основные понятия, используемые в работе

Энергетическое пространство подразумевает морфологические, структурные, функциональные особенности и свойства энергосистемы, формирующие (наряду с другими звеньями инфраструктуры, расселения, частично производства) каркас социально-экономических систем разного масштаба и ранга, иными словами энергетическое пространство -- это энергетический каркас территориальной организации общества.

Централизованная энергетика (энергосистема) -- совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, связанных между собой общностью режимов в непрерывном процессе производства, преобразования, передачи и распределения электрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом (ГОСТ-2002).

Электрические сети состоят из линий электрических передач (ЛЭП) и сопутствующей инфраструктуры, по критерию напряжения, конфигурации и выполняемым функциям делятся на системообразующие, питающие и распределительные. С целью географической интерпретация такой классификации важно выявить в начертании сети два равнозначных, но противоречивых принципа: надежности связи и экономии средств. В ходе геосетевого анализа учтен фактор негативного воздействия на человеческий организм близости ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения.

локальный территориальный энергосистема

Таблица 1

Ранги районной организации общества, иерархия масштаба энергосистем и сквозные задачи исследования

Сквозные группы задач энергетики по В.П. Муругову (1993 г.)	Ранги районной организации общества России в интерпретации А.И. Трейвиша (2006 г.)	Иерархия масштаба организации энергосистем России	Сквозные для всех рангов организации общества и иерархии энергосистем группы исследовательских задач (в рамках ЦЭР России)
1	2	3	4
1. Знать 2. Уметь 3. Хотеть 4. Мочь 5. Успеть	Россия	Единая энергетическая система России (ЕЭС России)	1. Анализ территориальной организации электроэнергетики с учетом эволюции взглядов на роль и значимость основных тенденций развития отрасли: централизации (централизованные энергосистемы) и децентрализации (локальные энергосистемы, в том числе и на основе ВИЭ). 2. Выявление противоречий между вертикальной интеграцией централизованных энергосистем и горизонтальной дифференциацией социально-энергетических потребностей локального уровня территории. 3. Обоснование ресурсных возможностей территории по дифференциации энергии ветра и рек для развития локальных энергосистем: региональное типовое зонирование. 4. Определение и обоснование ключевых предпосылок, определяющих эколого-экономическую эффективность развития локальных энергосистем. 5. Разработка многоуровневой модели энергосистемы, более устойчивой по надежности функционирования на локальном уровне социально-экономического пространства. Проведение районирования энергетического пространства ЦЭР по целесообразным направлениям комбинирования в территориальной организации локальных и централизованных энергосистем.
	2 части (европейская и азиатская)	2 зональных объединения энергосистем: Западной и Восточной макроэкономических зон страны
	7--13 макрорайонов	7 объединений региональных энергосистем (Центр, Северо-Запад, Средняя Волга, Северный Кавказ, Урал, Сибирь, Дальний Восток)
	50--90 основных единиц АТД	69 региональных энергосистем (республика, край, область)
	300--425 внутриобластных районов (уездов)	Локальные энергосистемы
	2--3 низовых района и самостоятельных города	Локальные энергосистемы

Системообразующие сети сверхвысокого напряжения (? 330 кВ) предназначены для объединения энергосистем в единое «кольцо» для выдачи мощности крупных электростанций и обеспечения транзитных связей единой энергосистемы (ЕЭС) России. Дороговизна сооружения и системная значимость таких сетей определяют главные конфигурационные черты их построения: замкнутость (цикличность) с целью морфологической надежности и всемерное спрямление сетевого маршрута ради снижения расходов на сооружение. Поэтому для системообразующей сети характерно размещение вне полос густого расселения (не считая фокусов потребления энергии). Фактор негативного воздействия ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения на человеческий организм учитывается только тогда, когда не противоречит двум основным принципам сооружения сети: надежности и экономии средств.

Питающие сети высокого напряжения (110-220 кВ, реже 35 кВ) замкнуты в циклы и служат для передачи энергии от электростанций или подстанций системообразующих ЛЭП к центрам питания распределительных сетей (районным подстанциям). Размещение питающих сетей сильно зависит от специфики территории. В малозаселенных зонах строят транзитные сети, а в густозаселенных -- сетевой рисунок копирует опорный каркас расселения.

Распределительные сети используют низкое напряжение (0,4-10 кВ), предназначены для транспорта электроэнергии от районных подстанций к местным потребителям. Рисунок сети жестко зависит от территориальной организации общества на локальном уровне, где доминирование принципа экономии средств (древовидная, разомкнутая форма построения ЛЭП) определяет низкий уровень надежности энергоснабжения потребителей.

Локальные энергосистемы условно относятся к группе децентрализованных систем, для которых характерно полное отсутствие связи с централизованной энергетикой (автономная система) или эта связь слабо выражена (частично децентрализованная система). Наличие в составе локальной системы электростанции малой мощности (малая энергетика) и густой распределительной электрической сети (малая энергосистема) позволяет кольцевать энергоснабжение в пределах небольшой зоны обслуживания (местная энергосистема), что и придает ей качество частичной децентрализации (распределенные энергосистемы, или distributed-qeneration plants, или буквально -- электростанция с распределенной генерацией). Эти же условия плюс наличие сетевой связи локальной системы с общей энергетикой обеспечивают высокую надежность энергоснабжения и относительную независимость зоны обслуживания (экономически независимая локальная энергосистема, или independent power producers). Локальные энергосистемы, занимая нижнюю ступень в иерархии энергоснабжения, обеспечивают нужды самых маломощных, пространственно дисперсных и технологически уязвимых по надежности энергообеспечения потребителей.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Термины «нетрадиционные источники энергии» и «нетрадиционная энергетика» применительно к ресурсам ветра, рек и биомассы не корректны, поскольку они давно прошли стадию признания «традиционности» (парус, дрова, водяное и ветряное колесо). Скорее, это «забытые», чем нетрадиционные ресурсы. С учетом современных потребностей общества представляются неудачными и такие термины, как «альтернативные источники энергии», или «альтернативная энергетика». Возобновляемые источники энергии не могут сегодня заменить уголь, нефть, природный газ, ядерную энергию. Поэтому возобновляемые источники энергии не альтернатива, а ресурс разумного дополнения, позволяющий варьировать схемы территориальной организации энергоснабжения.

Малая энергетика включает электростанции, ограниченные установленной мощностью до 30 МВт. Малая гидроэнергетика: микро-ГЭС -- до 0,1 МВт; мини-ГЭС -- от 0,1 до 1,0 МВт; малые-ГЭС -- 1,0 до 30 МВт. Автор считает, что такая классификация более конструктивна для территориальной организации разномасштабных энергосистем в условиях высокой мозаичности содержания староосвоенных регионов ЦЭР России.

Малая река. Суть понятия обычно сводится к физико-географическим характеристикам реки, хотя ему можно и необходимо придать экономико-географическое содержание. В то же время созвучность понятий «малая река» и «малая гидроэнергетика» не означает наличия прямой функциональной связи. Объектами малой гидроэнергетики может быть освоен энергетический потенциал малых, средних, крупных рек, гидроузлов различного назначения.

II. Главные результаты исследования

1. Централизованные и децентрализованные энергосистемы формируются и функционируют в разных пространственных масштабах и условиях, при разной площади охвата зон обслуживания, разном уровне потребности в объеме и мощности энергии.

Иначе говоря, масштаб энергосистемы соразмерен с рангом территориальной организации общества, что усиливается современными тенденциями централизации и децентрализации энергетики. Процессы глобализации в мире способствуют централизации электроэнергетики вплоть до объединения национальных рынков, роста значимости транснациональных энергетических компаний. В этом контексте появляется перспектива формирования глобальной энергосистемы, где место России будет оцениваться не только богатством ее топливных ресурсов, но и уникальной ролью своеобразного межконтинентального моста «Запад -- Восток» (рис. 1).

Единая энергосистема России связана с системами стран Восточной Европы (CENTRAL) и Скандинавии (NORDEL). В конце 1990-х гг. оперативные границы Западноевропейской энергосистемы (UCTE) вплотную приблизились к границам функционирования бывшего ЕЭС СССР. Возникли предпосылки для работы ЕЭС России с Трансъевропейским объединением систем (TESIS), что позволяет прогнозировать усиление межгосударственных связей в направлении: Россия -- Белоруссия -- Польша -- Германия.

Анализ азиатского сегмента ЕЭС подтверждает реальность расширения энергетических связей в направлении: Россия -- Китай, Россия -- Япония, Россия -- Канада -- США. Обсуждается энергетический проект (РЕАСЕ): Россия -- Япония -- Южная Корея -- КНДР -- Китай -- Россия. Главной предпосылкой реализации такого кольца является наличие у стран-участниц крупных общенациональных и региональных энергосистем.

Энергосистемы России исторически созданы и функционируют по административному принципу. Поэтому региональный и отраслевой анализ здесь пространственно совпадает: Единая энергосистема России -- кольца энергосистем Западной и Восточной макроэкономической зоны страны -- семь объединенных энергосистем (в том числе и ОЭС «Дальний Восток») -- 69 региональных систем -- локальные энергосистемы.



Рис. 1. Установленные мощности электростанций объединенных энергосистем России (ОЭС), структура и пропускная способность электрических связей между ОЭС (2005 г.)

Класс линий электропередач (ЛЭП): 9 - 220 кВ; 10 - 330 кВ; 11 - 400 кВ; 12 - 500 кВ; 13 - 750 кВ; 14 - 800 кВ; 15 - 1150 кВ.

Значком (*) отмечено наличие системной связи между ОЭС Урал и ОЭС Сибирь через территорию Северного Казахстана; знак (**) подчеркивает наличие связи между ОЭС Сибирь и ОЭС Дальний Восток только за счет двух отпаечных ЛЭП 220 кВ (1: Читинская ТЭЦ-1 - ПС Холбон - новая отпайка на ПС Могоча - ПС Сковородино 500 кВ; 2: ПС Якурим 500 кВ - ПС Таксимо 220 кВ - Нюренгринская ГРЭС).

Примечание. Установленная мощность электростанций рассчитана по состоянию на 2005 г.; данные о мощности обмена электроэнергией между ОЭС России по состоянию на 2004 г.; связь ОЭС Урал - Северный Казахстан - Сибирь по ЛЭП 1150 кВ не реализована (Итат - Барнаул - Экибастуз - Челябинск), строительство ЛЭП началось в 1980-е гг. и не было завершено, в эксплуатации находится только участок Итат - Барнаул (ОЭС Сибирь).

Пропускная способность сетевой связи между европейским и восточным сегментом ЕЭС России крайне слаба и проходит по территории Казахстана (отсутствует прямая связь и с ОЭС Дальнего Востока), поэтому говорить о наличии связной сетевой морфологии можно только применительно к европейской части. Однако и здесь существуют структурные и прямо вытекающие из этого топологические диспропорции. В отечественной практике основным фактором формирования конфигурации энергосистем являлась концентрация производства (централизация), что имело следствием формирование разнополюсных систем (избыточных / дефицитных). Географическим следствием этой тенденции является рост плеча «экономических расстояний» по транзиту электроэнергии и необходимость постоянного наращивания системообразующих сетей, что повышает вероятность сбоев по всей цепочке взаимосвязанных отраслей и регионов (аварии, отключения и т. д.).

Поэтому тенденция централизации и эффект концентрации мощности в энергетике имеют свои пространственные пределы, выход за которые снижает надежность энергоснабжения потребителей.

Одновременно географическое разнообразие России и специфика ее расселения определяют наличие широкой ниши для развития локальных энергосистем -- децентрализации. На местном уровне наиболее перспективным направлением является использование ресурсов ВИЭ. Но на этот счет имеются разные точки зрения: от полного отрицания до признания альтернативности общей энергетике. В действительности система энергоснабжения любого ранга, замкнутая на один вид энергоносителя, всегда характеризуется низкой надежностью. Поэтому мы считаем, что для преодоления уязвимости энергоснабжения локалитета централизованные энергосистемы должны дополняться относительно независимыми от них локальными системами, в том числе на основе ресурсов возобновляемых источников энергии.

2. Взаимное дополнение тенденций централизации и децентрализации энергосистем -- это возможность увеличить реальное многообразие форм территориальной организации энергоснабжения и разнообразие выполняемых функций. Видовое и ресурсное разнообразие электростанций локальных систем повышает морфологическое богатство организации энергетического пространства и разнообразие выполняемых системой функций в случае различных кризисов. Такой подход повышает надежность энергообеспечения территории, и, наоборот, потеря видового разнообразия приводит к негативным последствиям на локальном уровне. По оценкам Т.Г. Нефедовой, до ⁴/₅ россиян тем или иным способом совмещают городской и сельский образ жизни. Но чем более удален потребитель и чем меньше его энергетические потребности, тем выше должен быть уровень качества энергоносителя и надежности снабжения (по Л.А. Мелентьеву). Этим правилом все чаще пренебрегают, поскольку сетестроительные работы считаются экономически нецелесообразными в зонах некомпактного расселения или депрессии, т.е. игнорируется социальная сущность энергетики. Именно здесь проявляется интегрирующая роль локальных систем, развитие которых способствует решению важной экономико-географической задачи: каркасной экономии расстояний «в море периферии» (по Г.М. Лаппо, О.К. Кудрявцеву).

Объективный дуализм тенденций пространственной централизации и децентрализации энергетики есть результат масштабной централизации его управления и специфики проявления энергетических проблем применительно к разной территории. А ведь территория, согласно Г.А. Приваловской, является субстратом не только возникновения проблемы, но и поиска путей ее решения по принципу «хозяйствование есть постоянное пространственное моделирование». Модель территориальной организации разномасштабных энергосистем может быть представлена в виде двухуровневой структуры энергетического пространства (рис. 2), где по вертикали преобладают связи централизованных энергосистем (отраслевой универсализм), а по горизонтали -- прямые и обратные связи локальных систем с конкретной территорией (уникализм «месторазвития»). Основу первого уровня энергетического пространства составляют циклы централизованной сети. Второй уровень -- это совокупность локальных энергосистем, ориентированных на энергоносители разной природы и имеющих связь с централизованной системой посредством распределительных сетей. На практике такое построение обеспечивает разнообразие взаимодополняющей работы централизованной и локальных энергосистем (централизации и децентрализации). Так, малая электростанция в случае выхода из строя сети любого класса в одной или в нескольких точках сочленения (системообразующие, питающие, распределительные) или электростанций (федеральные, региональные) в аварийном сетевом цикле замыкает потребителей на локальный уровень обслуживания в рамках начертания распределительной сети. Тем самым можно смоделировать надежный каркас энергетического пространства разного уровня и сложности.

Рис. 2. Модель двухуровневой организация энергетического пространства (сопряжения централизованной и локальной энергетической системы)

Электростанции: 1 -- тепловая электростанция мощностью ? 1 тыс. МВт; 2 -- тепловая электростанция региональной энергосистемы мощностью до 1 тыс. МВт; 3 -- малая электростанция в составе локальной энергосистемы мощностью до 30 МВт.

Электрические подстанции: 4 -- системообразующие 750 кВ; 5 -- системообразующие 500 кВ; 6 -- питающие 220 кВ; 7 -- питающие 35-110 кВ; 8 -- распределительные 10-6-0,4 кВ.

Линии электрических передач: 9 -- системообразующие 750 кВ; 10 -- системообразующие 500 кВ; 11 -- питающие 220 кВ; 12 -- питающие 35-110 кВ; 13 -- распределительные 10-0,4 кВ.

К такой «матрешечной» иерархии энергосистем наиболее применим предложенный А.Е. Пробстом методический прием «концентризации». С точки зрения теории систем процесс концентризации есть либо усложнение открытой системы от низших концентров к высшим (процесс развертывания концентров), либо ее упрощение (процесс свертывания концентров).

Выбор редукционного или усложняющего варианта модели будет зависеть от масштаба системы, что определяет задачу сопряженного изучения структуры энергетических и общественных систем. С этой целью рассматривается морфология электрической сети исходя из теории графов О. Оре, откуда заимствованы и методы адаптации основных понятий теории к энергетическому пространству: «вершина» (энергетический узел: подстанция - электростанция); «ребро» (перегон сети между узлом и потребителем); «ветвь» или «дерево» (незамкнутая сеть); «цикл» (замкнутая сеть).

При анализе на региональном уровне за основу принята морфология электрической сети питающего класса (рис. 3). С целью структурирования всего многообразия сетевых образований ЦЭР использована предложенная С.А. Тарховым методика описания топологического строения сетей сухопутного транспорта и их морфологического расчленения на циклические ярусы (рис. 4). Для оценки уровня надежности снабжения использована методика выбора типа управляющей структуры энергосистемы (рис. 5).

Геосетевой анализ рисунков 2-5 выявляет характерную для сетей любого класса универсальную пространственную закономерность: от фокуса энергосистемы (центра, узла) к периферии зоны обслуживания растет дисперсность размещения потребителей при одновременном уменьшении использования единичной мощности электрооборудования. Поэтому периферийные, приграничные и глубинные части регионов -- это зоны, наиболее подверженные обострению энергетических проблем.

Питающие сети районе формируют 722 цикла и образуют в регионах от 1 до 4 топологических ярусов, что свидетельствует о высоком уровне вертикальной централизации энергосистем. Вместе с тем контрастность, мозаичность и полицентричность морфологии циклов питающей сети свидетельствует о невысоком уровне горизонтальной интеграции энергосистем.

Рис 3. Региональная морфология питающей электрической сети ЦЭР России



Рис. 4. Морфология топологических ярусов питающей сети регионов

ЦЭР России

1 -- зона развития древовидных сетей, 2 -- первый ярус,

3 -- второй ярус,

4 -- третий ярус,

5 -- четвертый ярус.

Рис. 5. Графы, отражающие типы и свойства управляющей структуры энергосистемы (по В.М. Чебану, А.К. Ландману и др.)

1-3 -- энергоузлы разной мощности и назначения (электростанция-подстанция). 4?5 -- электрические сети разного класса и функционального назначения.

А -- строго централизованный тип. Очень низкая потребность в автоматизированных каналах передачи информации. Очень низкие технологические возможности для поэтапного ввода разных сегментов энергосистемы в эксплуатацию в случае аварий или иных сбоев. Очень высокая уязвимость энергосистемы и соответственно потребителей в зоне обслуживания в случае аварий.

Б -- централизованный тип. Низкая потребность в автоматизированных каналах передачи информации. Средние технологические возможности для поэтапного ввода сегментов энергосистемы в эксплуатацию в случае аварий и сбоев. Высокая уязвимость энергосистемы и потребителей в случае аварий и сбоев.

В -- иерархический тип. Очень высокая потребность в автоматизированных каналах передачи информации. Низкие технологические возможности для поэтапного ввода сегментов энергосистемы в эксплуатацию в случае аварий и сбоев. Низкая уязвимость энергосистемы и потребителей в случае аварий и сбоев.

Г -- смешанный тип. Низкая потребность в автоматизированных каналах передачи информации. Очень высокие технологические возможности для поэтапного ввода сегментов системы в эксплуатацию в случае аварий. Очень низкая уязвимость энергосистемы и потребителей в зоне обслуживания в случае аварий и сбоев.

Для территорий вне зоны доминирования циклических сетей характерно развитие строго централизованного типа управляющей структуры энергосистемы с очень низкой надежностью снабжения потребителей, что наблюдается на Ѕ территории Центрального района. С внутренней стороны первого топологического яруса (20-70 % площади областей) доминирует централизованный тип управления системы с низкой надежностью энергоснабжения.

Следовательно, с точки зрения надежности функционирования питающей электрической сети почти ⁴/₅ площади ЦЭР можно признать проблемными в случае возникновения системной аварии в вертикально интегрированных региональных энергосистемах. Именно такие зоны перспективны для развития разномасштабных энергосистем.

Топология питающей электрической сети подробнее рассмотрена на примере Московской области (рис. 6). В ее региональной энергосистеме насчитывается 300 сетевых циклов в составе трех топологических ярусов (четвертый ярус ЛЭП 500 кВ вокруг Москвы не рассматривается). Сопряженный анализ структуры циклической сети по ярусам с признаками типа управляющей структуры свидетельствует, что с внешней стороны первого яруса остается 15-20 % площади области (строго централизованный тип управления). Конфигурация циклов во втором ярусе (20 % площади) определяет доминирование централизованного типа управления. Только на части второго и полностью в третьем ярусе морфология сети указывает на доминирование смешанного и иерархического типов управляющей структуры.

С точки зрения надежности функционирования сетевых циклов питающего класса почти половина Московской области может быть признана проблемной в случае аварий и сбоев в региональной энергосистеме.

Рис 6. Топологические яруса циклов питающей электрической сети Московской области

1 -- первый ярус, 2 -- второй ярус, 3 -- третий ярус, 4 -- четвертый ярус.

Региональный уровень анализа выявил еще одну универсальную пространственную закономерность: чем меньше насыщенность территории питающей сетью и проще картина образуемых ею циклов, тем ниже надежность энергосистемы любого масштаба. Эта закономерность позволяет выявить самые разреженные и уязвимые циклы питающей сети, перспективные для развития разномасштабных энергосистем по принципу: чем больше ущерб от ненадежности энергоснабжения и меньше затрат для повышения уровня надежности, тем эффективнее их применение. Эффект повышается в результате одновременного роста типового разнообразия.

3. Типовое многообразие локальных энергосистем способствует росту надежности энергоснабжения в сетевых циклах разного класса, а выбор схемы взаимного дополнения разномасштабных энергосистем зависит от специфики содержания территории на местном уровне.

Используя пространственное моделирование, можно решить задачу повышения каркасной надежности питающей сети за счет роста сложности морфологического типа управляющей структуры в Подмосковье (рис. 7). По результатам проведенного автором картометрического анализа, в области за счет дополнительных вставок ЛЭП и усложнения сетевой морфологии может быть сформировано 450 циклов. Возрастает и число ярусов циклической сети -- с трех до пяти (без кольца ЛЭП 500 кВ вокруг Москвы).

Рис. 7. Морфология двухуровневой организации энергетического пространства Московской области (зоны сопряжения централизованных и локальных энергосистем)

Основа генерации и зона обслуживания локальных энергосистем в пределах циклов питающей сети централизованной системы: 1 ? малые дизельные электростанции, газо-поршневые генераторы, малые ГАЭС, микро-ГЭС (до 0,1 МВт), ветроэнергоустановки (до 1 кВт); 2 ? то же, плюс малые газотурбинные ТЭЦ (1-30 МВт); 3 ? то же, плюс ветроэнергетические установки мощностью 1-10 кВт (среднегодовая скорость ветра в циклах 4-5 м/с); 4 ? то же, плюс малые-ГЭС (1-30 МВт).

В результате главный остов электроснабжения Московской области смыкается с сетевыми циклами соседних регионов, энергетическое пространство приобретает двухуровневое построение. Первый уровень составляют циклы централизованной питающей сети, второй уровень включает типовое и видовое разнообразие энергосистем локального значения.

На втором уровне энергетического пространства нужно определиться с выбором генерирующей основы локальных систем. В Московской области особые надежды возлагают на малые газотурбинные технологии, но их эффективность ограничена трассами магистральных газопроводов (линейно-узловой тип локальных систем). Шире потенциальная зона использования газо-поршневых двигателей, адаптированных для работы от городских и сельских газопроводов. Но сетевым газоснабжением охвачено только 45 % сельских поселений области. Соответственно развитие малой энергетики на основе газо-поршневых двигателей в регионе также имеет свои пространственные ограничения (ареально-узловой тип локальных систем). Возможности локальных энергосистем значительно повышаются с учетом использования малых установок на основе ресурсов ВИЭ (ареальный тип энергосистем).

Рассмотренное многообразие вариантов организации энергетического пространства Московской области позволяет перейти к локальному уровню анализа на примере Рыбновского района Рязанской области (рис. 8 А). Преимущественно в центральной части района функционирует 15 циклов распределительной сети. На остальной территории (70 % площади) характерны разомкнутые сети с очень низкой надежностью снабжения, что требует вставок ЛЭП для «кольцевания» конечных участков (рис. 8 Б). Однако в условиях дисперсного расселения эти меры не выгодны (рис. 9).

В сельской местности Мещерской зоны (0,3 чел./км²) решение энергетических проблем перспективно по пути «кольцевания» ЛЭП с локальной системой на основе возрождения Кузьминской малой-ГЭС. Центральная зона (33 чел./км²), где на 34 % площади сконцентрировано 77 % сельчан и ³/₄ потенциала энергоснабжения, представляет собой «полюс роста» района и решать энергетические проблемы здесь целесообразно путем сопряжения централизованной и локальной системы на основе МГЭС, что позволяет перекрыть современный рост потребностей сельского населения в энергии.

Рис. 8. Территориальная организация электроснабжения Рыбновского района Рязанской области

А. Современная система электроснабжения. Подстанции 110 / 10 кВ: 1 - «Есенино»; 2 - «Костино»; 3 - «Истодники»; 4 - «Ока»; 5. «Житово»; 6 - «Вожа»; 7 - «Пионерская». Линии электропередач: 8 - 10 / 0,4 кВ; 9 - 110 кВ; 10 - 220 кВ (двухцепная ЛЭП: Михайлов - Осетр).

Б. Модель реконструкции системы электроснабжения: 11 - радиус обслуживания локальной энергосистемы на основе объектов малой гидроэнергетики; 12 - дополнительные вставки ЛЭП 10 / 0,4 кВ, позволяющие замкнуть концевые участки сети в циклы; 13 - границы сопредельных административных районов; 14 - современные циклы распределительной сети.

Рис. 9. Зонирование Рыбновского района Рязанской области по плотности сельского расселения и электроснабжения

Южная зона (6-14 чел./км²) охватывает 36 % площади и 21 % сельского населения района. Значительная часть территории -- это зона социально-экономической депрессии: газификация поселений минимальна, а растянутые и изношенные сети обрекают ареал на обострение энергетических проблем. Возможный вариант решения проблемы -- возрождение Ливадийской мини-ГЭС (р. Осетр, 0,5 МВт), что позволит смягчить ситуацию не только в Рыбновском районе, но и в смежных периферийных сельских округах Серебряно-Прудского и Зарайского районов Московской области. Прилегающие к столичному региону малозаселенные земли являются объектом массовой скупки под дачи, коттеджи и т.д., что приводит к инверсии энергетических потребностей по сезонам «до наоборот» (пик нагрузки летом, а не зимой), что является следующей универсальной пространственной закономерностью староосвоенных регионов Центральной России. Эта закономерность позволяет рассмотреть эволюцию локальных энергосистем как следствие адаптации социально-экономического пространства к «энергетическому порогу» эпохи в ходе цикличной смены функции места территории.

4. Эволюция территориальной организации энергосистем шла синхронно с эволюцией территориальной организации общества, повторяя циклические волны централизации и децентрализации: автономные энергосистемы, сопряженное развитие децентрализации и централизации, полная централизация и в перспективе возврат к стратегии комбинированного развития разномасштабных энергосистем.

Становление электроэнергетики ЦЭР приурочено к первому витку массового строительства объектов малой гидроэнергетики (1886-1920 гг.). За этот период произошел быстрый переход от «домовых» станций (дом, здание) и блок-станций (квартал, завод) к начальной фазе централизации в форме образования локальных энергосистем (радиус 1-3 км) и к превращению разомкнутой, радиальной сети в замкнутую, циклическую сеть.

Новый период развития электроэнергетики (1921-1950 гг.) стал вторым витком масштабного строительства малых гидростанций. Начальная фаза связана с реализацией плана ГОЭЛРО и объединением в перспективе фокусов энергосистем, а на периферии -- с развитием локальных систем (в каждом регионе ЦЭР было построено от 40 до 100 МГЭС). Усиление централизации в 1960-1980 гг. привело к поляризации региональных энергосистем. На селе был реализован план массовой электрификации центральных усадеб, создаваемых вблизи транспортных и энергетических коммуникаций. Ломка естественной самоорганизации сельской местности, столетиями воспроизводившей видовое многообразие локальных территорий, сопровождалась концентрацией и поляризацией населения, изменением содержания локалитета, дисбалансом между централизацией и децентрализацией энергоснабжения.

Это хорошо видно на примере Костромской области (рис. 10-11). В 1960-е гг. предпосылки для сплошной сельской электрификации существовали только в ее Приволжской части с перспективой развития разномасштабных систем. В пределах Лесного Заволжья такие возможности возникли значительно позже, нужды населения обеспечивали малые тепловые и гидростанции локальных систем. В целом по области централизованная система была представлена только типом ветвящихся дендритов, не образующих замкнутых циклов питающей электрической сети.

Рис. 10. Зоны централизованного и децентрализованного электроснабжения Костромской области (1961-1965 гг.)

Тепловые электростанции: 1 Ї мощностью до 100 МВт; 2 Ї малые-ТЭС мощностью 1?30 МВт. Объекты малой гидроэнергетики: 3 Ї мини-ГЭС от 0,1 до 1 МВт; 4 Ї микро-ГЭС до 0,1 МВт. Электрические подстанции: 5 Ї 220 кВ; 6 Ї 110 кВ; 7 Ї 35 кВ. Зона распространения централизованного электроснабжения: 8 Ї по состоянию на 1 января 1961 г.; 9 Ї по состоянию на 01.01.1965 г. Гидроэлектростанции: 10 Ї Нерехтинская мини-ГЭС; 11 Ї Ивакинская микро-ГЭС; 12 Ї Апраксинская микро-ГЭС; 13 Ї Царевская микро-ГЭС; 14 Ї Пустыньская микро-ГЭС; 15 Ї Фоминская микро-ГЭС; 16 Ї Чернышевская микро-ГЭС; 17 Ї Слепцовская микро-ГЭС.

Рис. 11. Эволюция каркаса электросети Костромской области (1961-2006 гг.)

Электрические подстанции (ПС): 1 -- 500 кВ; 2 -- 220 кВ; 3 -- 35?110 кВ. Этапы ввода в эксплуатацию ПС: 4 -- до 1 января 1961 г.; 5 -- 1 января 1965 г.; 6 -- 1970?1980 гг. Исключение составляет ПС 500 кВ «Звезда» на юго-востоке региона. Этапы ввода в эксплуатацию ЛЭП: 7 -- до 1 января 1961 г.; 8 -- 1 января 1965 г.; 9 -- 1970?1980 гг.; 10 -- 1990?2005 гг.

Последующая централизация электроэнергетики в 1970-1980 гг. шла по пути наращивания вставок ЛЭП и кольцевания в сетевые циклы с одновременной ликвидацией децентрализованных систем в рамках огромных по площади циклов сети, занимающих 70 % территории региона с очень низкой плотностью населения (от менее 1,5 и до 5 чел. / км²). В результате произошло игнорирование значимости частичной децентрализации в специфичных условиях локальных «месторазвитий», что является одной из причин роста энергетических проблем сельской глубинки староосвоенных регионов.

Отсюда можно сделать вывод, позволяющий сформулировать следующую универсальную пространственную закономерность: жесткая вертикаль централизации энергоснабжения в условиях крайне растянутых коммуникаций социально-экономического «моря периферии» объективно требует дополнения своим антиподом -- пространственно обоснованной децентрализации на локальном уровне староосвоенных регионов России.

Энергетическая стратегия Центрального района должна быть связана с развитием разномасштабных систем, поскольку такой морфологический симбиоз учитывает географические предпосылки для устойчивого функционирования энергетического пространства. Данная позиция особенно актуальна в условиях смены пространственной парадигмы в энергетике.

5. Смена пространственной парадигмы построения отечественной электроэнергетики позволяет запустить механизм «революции цен», что приводит к доминированию коммерческих интересов энергетических компаний над принципами надежности энергоснабжения, и является главной причиной современных и будущих энергетических кризисов.

После распада СССР централизованная энергетика оказалась в условиях управленческого «вакуума», когда новый механизм экономических отношений не был создан, а старый быстро деградировал. Ситуация привела к ценовому «давлению» энергоизбыточных регионов на дефицитные. Возрастала опасность утверждения крайней формы «регионализации» отрасли, что в условиях спада добычи топливных ресурсов переросло в системный энергетический кризис. Для ликвидации негативных тенденций за основу была принята концепция «регионального регулирования» энергетики с одновременным поспешным акционированием и приватизацией предприятий (1992 г.). Электроэнергетика в хозяйственно-экономическом плане была раздроблена.

Реформа образца 1992 г. не решила проблему экономического диктата энергоизбыточных регионов. Конкурентный рынок энергоносителей с правом выбора потребителем поставщика не был создан. Монополия Министерства энергетики СССР сменилась монополией РАО «ЕЭС России» с той разницей, что доминирование узковедомственных интересов государственно-коммерческих компаний над макроэкономическими интересами страны явно усилилось. Помимо федерального уровня ЕЭС, возникла возможность «местной» монополии региональных компаний вследствие концентрации питающих и распределительных сетей на их балансе. Все это лишило отрасль экономических стимулов для конкуренции и модернизации производства: реформа была проведена в ущерб макроэкономическим интересам страны. Конкретным подтверждением такого вывода служат географические противоречия в топливном снабжении электроэнергетики Центрального района, что связано с большими расстояниями (3-4 тыс. км) массовой транспортировки первичных энергоносителей с ориентацией топливного баланса электростанций преимущественно на газ (90 %).

В ближайшие годы ожидается значительный рост цен на газ, что снизит экономическая эффективность газовых технологий. Развитие традиционных баз углеснабжения ограничено по причине износа производственных фондов, выработки пластов, нарастания социально-экономических и экологических проблем. Собственные энергетические ресурсы ЦЭР представлены залежами торфа и бурого угля, доля которых в котельном балансе станций не превышает 8 %. Для ликвидации топливного дисбаланса новая энергетическая стратегия России (2001 г.) намечает рост угольных, атомных и гидростанций.