Методические основы формирования рациональных систем энергоснабжения в сельских районах Севера тема диссертации по экономике, полный текст автореферата

Автореферат диссертации по теме "Методические основы формирования рациональных систем энергоснабжения в сельских районах Севера"

ф На правах рукописи

О

ЧАЙБСА Лариса Викторовна

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ В СЕЛЬСКИХ РАЙОНАХ СЕВЕРА

Специальность 08.00.05 — Экономика и управление народным хозяйством

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата экономических наук

Сыктывкар 2000

Диссертационная работа выполнена в Институте социально-экономических и энергетических проблем Севера Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель: кандидат экономических наук, старший научный

сотрудник Калинина Альбина Александровна

Официальные оппоненты: доктор экономических наук, профессор

Киселенко Анатолий Николаевич кандидат экономических наук Слабикое Владимир Сергеевич

Ведущая организация: Институт физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН.

Защита состоится « 3 » /-¿сЛг^г^ 2000 г. в /? на заседании диссертационного совета К.003.96.01 в Институте социально-экономических и энергетических проблем Севера Коми научного центра УрО РАН по адресу: 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 26.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Коми научного центра УрО РАН по адресу: г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 24.

Автореферат разослан « и » ^¿¿¿/¡¿¿я-Р 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат экономических наук п Ди&^^г Л.А.Кузивапова

уд(й>а0

2

-554,0

л £

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование систем энергоснабжения является необходимым условием экономического развития, повышения уровня жизни населения. Современное энергетическое хозяйство в сельских районах Севера характеризуется низким техническим уровнем и высокими эксплуатационными затратами. Годами формировавшийся дотационный характер и ведомственная разобщенность сельской энергетики не способствовали внедрению эффективных технологий. Организационные и экономические преобразования в управлении функционированием и развитием энергетического хозяйства определяют необходимость совершенствования научно-методических положений оптимального планирования энергоснабжения.

Проблемы энергоснабжения в сельских районах Севера связаны с трудностями объективного характера - малые энергетические нагрузки и рассредото-ченность потребителей на значительной территории, их удаленность от региональных топливно-энергетических центров, недостаточное развитие транспортных связей. В этих условиях перспективным направлением развития сельского энергоснабжения является внедрение современных технологий малой энергетики и формирование на их основе эффективных локальных энергокомплексов с использованием как традиционных видов органического топлива, так и местных, возобновляемых энергоресурсов. Объективные тенденции технологического развития сельской энергетики определили направленность исследований на решение методических вопросов выбора эффективных вариантов комплексного энергоснабжения потребителей, энергоэкономического обоснования применения установок малой и средней мощности, оценки возможностей освоения возобновляемых энергоресурсов.

Степень разработанности проблемы. Методические вопросы планирования развития сельского энергоснабжения рассматривались в работах Барабане-ра Х.З, Вейца В.И., Захарина А.Г., Канакина Н.С., Никитина В.М. и др. Технико-экономическому анализу и обоснованию использования малых автономных энергетических установок на Севере уделялось внимание в исследованиях Ануфриева А.Ф., Канакина Н.С., Степанова И.Р., Щеглова А.Г. и др. Теоретическим и прикладным аспектам использования возобновляемых источников энергии посвящены работы Безруких П.П., Васильева Ю.С., Зубарева В.В., Минина В.А., Прузнера С.Л., Синяка Ю.В и др. Обобщение опыта энергоэкономических исследований применительно к рассматриваемой проблеме показало необходимость совершенствования методических положений, разработки модельного и информационного обеспечения технико-экономического анализа и принятия решений по формированию рациональных систем энергоснабжения в сельских районах Севера.

Объектами исследования являются системы локального энергоснабжения потребителей в сельских районах, а так же возобновляемые ветро- и гидроэнергетические ресурсы Европейского Северо-Востока России.

Предметом исследования является планирование эффективного использования установок малой энергетики и возобновляемых энергоресурсов в системах энергоснабжения сельских потребителей.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью исследования является совершенствование методических положений планирования сельского энергоснабжения в районах, Севера, включающее разработку методического, модельного и информационного обеспечения для энергоэкономического обоснования и принятия решений по развитию систем локального энергоснабжения, внедрению эффективных технологий малой энергетики и использованию возобновляемых энсргоресурсов. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

• установить основные методические положения оптимального планирования развития сельского энергоснабжения в районах Севера;

• выявить особенности энергоэкономичесюого обоснования внедрения установок малой энергетики и использования возобновляемых энергоресурсов в системах энергоснабжения сельских потребителей;

• определить,' в. рамках комплексного подхода, потенциальную структуру, свойства, взаимосвязи подсистем и элементов, критерии оптимальности локальных систем энергоснабжения (ЛСЭ) сельских населенных пунктов;

• разработать методику и модели структурной оптимизации ЛСЭ для технико-экономического анализа и выбора эффективных вариантов комплексного энергоснабжения в условиях многовариантности технологических решений;

• определить степень и проблемы региональной изученности возобновляемых энергоресурсов в отношении планирования их использования в системах энергоснабжения сельских потребителей;

• оценить ресурсные возможности и определить условия эффективного использования малой гидроэнергетики и ветроэнергетики на территории Европейского Северо-Востока России.

Теоретическими основами исследования являются: методология системного анализа и оптимизационных исследований с использованием экономико-математических методов в энергетике, освещенные в трудах Мелентьева Л.А., Арзамасцева Д.А., Клима И., Макарова А.А., Некрасова А.С., и др.; методы технико-экономического анализа, оценки эффективности и обоснования решений по развитию энергетического хозяйства, изложенные в работах Артюгиной И.М., Денисова В.И, Долгова П.П., Зейлигера А.Н., Когана Ю.М., Кононова Ю.Д., Окорокова В.Р., Хабачева Л.Д. и др.

В работе использованы методы системного анализа, экономико-математического моделирования, линейного и целочисленного программирования, сравнительного технико-экономического аиализа и определения экономической эффективности технических решений.

Информационной базой диссертационного исследования послужили: законодательные акты, нормативные и программные документы в области энер-

гетической политики России; опубликованные аналитические материалы по анализу современного состояния и планам развития энергоснабжения в регионах Севера России; данные государственной статистической отчетности, Региональной энергетической комиссии Республики Коми, Министерства архитектуры, строительства и энергетики Республики Коми, АЭК «Комиэнерго» о производственной деятельности энергоснабжающих предприятий в сельской местности; обзорная научно-техническая информация по энерготехнологиям малой энергетики; данные региональной изученности гидро- и ветроэнергетических ресурсов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Впервые сформулированы основные методические положения оптимального планирования сельского энергоснабжения в районах Севера, которые заключаются: в проведении оптимизационных исследований на локальном уровне; в комплексном рассмотрении энергетических ресурсов, технологий и потребностей с определением общесистемных показателей эффективности; в оценке возможностей использования местных и возобновляемых энергоресурсов. Предложенный методический подход учитывает особенности энергоснабжения в сельских районах Севера, объективные тенденции технологического развития и перехода к децентрализованному управлению энергетическим хозяйством.

2. Разработана методика структурной оптимизации локальных систем энергоснабжения сельских населенных пунктов для выбора эффективных вариантов используемых ресурсов и технологий. Целью оптимизации является повышение энергетической и экономической эффективности комплексного энергоснабжения потребителей. Методика включает последовательность процедур двухэталного процесса оптимизационного поиска и вариантного анализа с использованием математических моделей. Универсальная постановка задачи, использование оптимизационных и оценочных моделей позволяет проводить исследования для различных локальных систем в конкретных условиях.

3. Разработаны методики оценки потенциала ветроэнергетики и оценки потенциала малой гидроэнергетики для анализа возможностей и планирования их развития в регионе. Возможности использования малой гидро- и ветроэнергетики в регионе определяются комплексной характеристикой природных, технологических и экономических условий: потенциалом располагаемых технических ресурсов, их территориальным распределением и локальной интенсивностью; основными технико-экономическими параметрами ветро- и гидроэнергетических установок и показателями экономической эффективности их использования в сравнении с альтернативными вариантами энергоснабжения.

Практическая значимость работы заключается в возможности повышения качественного уровня планирования развития систем сельского энергоснабжения, использования установок малой энергетики и освоения возобновляемых источников энергии в сельских районах северных территорий России. Результаты исследования могут использоваться при разработке региональных программ и районных схем перспективного развития систем энергоснабжения, применяться в практике технико-экономического анализа и предпроектного обоснования

локальных энергетических объектов. Выполненные исследования ресурсного потенциала и эффективности малой гидро- и ветроэнергетики для территории Европейского Северо-Востока России формируют необходимую информационную основу планирования их развития в регионе.

Полученные результаты исследований положены в основу конкретных рекомендаций по развитию малой энергетики, использованию ветро- и малых гидроэнергетических установок в системах энергоснабжения Республики Коми, Ненецкого автономного округа Архангельской области, основные из которых вошли в отчеты по плановой теме Отдела энергетики Коми научного центра УрО РАН 1.9.3.9. «Научная концепция энергообеспечения Европейского Северо-Востока России в новых условиях хозяйствования» (гос. per. № 0191.0054166) и научно-исследовательским работам, выполненным в ходе разработки энергетической стратегии и программы Республики Коми. Результаты исследований по проблемам изучения и освоения возобновляемых энергоресурсов использовались АЭК «Комиэнерго» на стадии предпроектных обоснований строительства ветроэнергетических установок и при разработке республиканской программы «Энергообеспечение Республики Коми за счет использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива» (1997 г.).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XI Коми республиканской молодежной научной конференции (Сыктывкар, 24-26 апреля 1990 г.); на научно-практическом совещании «Разработка и реализация региональных энергетических программ (Северный экономический район)» (Сыктывкар, 23-26 февраля 1993 г.); на научно-практическом семинаре «Внедрение нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в Республике Коми» (Сыктывкар, 20 апреля 1994 г.); на научно-аналитической конференции «Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция: стратегия освоения новых районов и месторождений в условиях рыночной экономики» (Усинск, 12-15 декабря 1994 г.); на научно-практической конференции «Энергетическая стратегия Республики Коми» (Сыктывкар, ; 23-24 апреля 1996 г.).

По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и 4-х приложений. Работа включает 8 рисунков и 40 таблиц. Общий объем - 153 страницы машинописного текста.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе «Методические положения оптимального планирования сельского энергоснабжения» приводится анализ проблем и перспектив развития, сельского энергоснабжения в Республике Коми; рассматриваются методологические основы энергоэкономических исследований и формулируются основные мето-

дическис положения оптимального планирования сельского энергоснабжения в районах Севера.

Во второй главе «Структурная оптимизация локальных систем энергоснабжения» приводится описание разработанной методики - алгоритмическая реализация, модельное и информационное обеспечение. Показаны структура и взаимосвязи основных элементов локальных систем комплексного энергоснабжения сельских населенных пунктов, определены критерии оптимальности. Дано содержание последовательности действий решения оптимизационной задачи. Представлены разработанные оптимизационные и оценочные модели.

Третья глава «Оценка возможностей использования ветро- и малой гидроэнергетики» включает методические положения и практические результаты исследований ресурсного потенциала и эффективности использования ветро- и малой гидроэнергетики в районах Европейского Северо-Востока России. Дана комплексная характеристика энергетического потенциала ресурсов, технологических возможностей и экономической эффективности их использования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Методические положения оптимального планирования энергоснабжения сельских потребителей.

Объектам оптимизационных исследований являются локальные системы энергоснабжения - комплекс энергетических установок и связей, функционально обеспечивающих местные энергетические нужды обособленных групп потребителей.

Локальные системы энергоснабжения (ЛСЭ) имеют свойства, достаточные для проведения оптимизационных исследований и являются тем разрешающим уровнем, на котором могут быть достоверно определены затраты и эффективность альтернативных вариантов энергообеспечения сельских потребителей. Выбор решений по совершенствованию систем сельского энергоснабжения и внедрению установок малой энергетики зависит от региональных и местных особенностей, требует конкретизации энергоэкономических условий и проведения оптимизационных исследований на локальном территориальном уровне. Системы энергоснабжения населенных пунктов в сельских районах характеризуются территориальной обособленностью, относительной самостоятельностью в управлении и производственной деятельности; немногочисленными внешними технологическими связями; возможностью формирования полностью автономных энергетических комплексов на базе установок малой и средней мощности. Эти свойства позволяют выделить ЛСЭ в качестве самостоятельных объектов оптимизации. При этом в иерархической структуре региональной энергетики рассматриваемые системы являются нижним уровнем - элементарными подсистемами территориальных и отраслевых систем энергоснабжения.

, Основным методическим принципом оптимизации ЛСЭ является комплексный подход, который заключается в оценке системной эффективности при совместном рассмотрении энергетических ресурсов и технологий для обеспечения всей совокупности энергетических нужд, с учетом основных технологических и 'экономических взаимосвязей производства и потребления энергоресурсов.

, .. В общем случае, ЛСЭ, обеспечивающая комплексные энергетические потребности (рис. 1), включает функциональные подсистемы: электроснабжения, централизованного и автономного теплоснабжения. Элементами системы могут быть различные энергоустановки, а в зависимости от, наличия внешних связей-ЛСЭ может быть изолированной или открытой. Технико-экономические взаимосвязи подсистем и элементов энергоснабжения определяются возможностями взаимозаменяемости энергоресурсов, преобразования видов энергии, комбинирования различных технологий на уровне производства и потребления. Учет объективных взаимосвязей энергоснабжения приводит к необходимости .оценки показателей, характеризующих систему в целом, наиболее значимые из которых должны рассматриваться в качестве целевых критериев оптимизации. Основными системными критериями являются показатели экономической и энергетической эффективности при условиях обеспечения нормативов надежности, экологической и социальной приемлемости. В современных условиях для обоснования решений необходим анализ критериев экономической эффективности с позиций различных заинтересованных сторон (производителей, потребителей, инвесторов, территориальных органов управления). Энергетическая эффективность характеризует степень полезного использования энергетического потенциала израсходованных ресурсов.

Эффективным инструментам проведения оптимизационных исследований ЛСЭ является использование методов экономико-математического моделирования.

Рациональным подходом в исследовании возможных вариантов технологических решений является последовательное использование оптимизационных и оценочных моделей. С помощью оптимизационных моделей методами математического программирования ведется поиск нескольких наиболее перспективных вариантов по всему множеству возможных решений. В оценочных моделях более точно и подробно рассматриваютсяте свойства и характеристики исследуемой системы, учет и определение которых в рамках оптимизационной модели усложнили бы ее, но при этом не оказали значительного корректирующего влияния на поиск и выбор решений. Для ЛСЭ оптимизационная модель должна быть универсальной по учету общих свойств систем данного класса (многовариантность по типам энергоустановок, видам топлива, условиям экспорта-импорта и т.д.) и относительной по отражению частных свойств конкретной системы (нагрузки, местные ресурсы, особенности топливоснабжения, цены и местное удорожание и т.д.). Разработка универсальных моделей позволяет проводить оптимизационные расчеты для множества подобных систем в различных условиях. ' -:

Распределительные сети региопишюЙ электроэнергетической системы

Скстска гооснгёжеши

Транспорт

Локальная система

Прикуют

топливо: г«,

дкгтошжво,

юзуг,

уголь,

топливо печное бытовое

ЕКЖЫ: эаергя» ветра, ГВДрОЭНерГвЯ, древесяое топливо, биомасса,

торф.

солнечна* эткр-ги*.

геотермальна* энергия

Прр^ртшвн?

?№?ргореуурсн: бяотаз, генераторный

ЭДСЯУУШПШ дизельные, гаэогнзешше, гюо-, паротурбинные, «ороше, гкдравлн-чесгис и др.

Хогеиджпиоияле

уттт;

теплофиюцжяшые дизельные, газодя-зелише; гюо-, паротурбинные; парогазовые,.

коыбиявроаашше

Кетмию

яаорганнчесгом топливе;

элеирокогелыше с «юсумуляромняем н без

Внешний источник тгшюстгаб-жаяяя

Зяситепдь р^йгеявс;

производст-мнаое, коммунально-битовое

Шгомд:

«НТО

тетшо-ПУПИФГС-

швл

Пар, отопление, горячее »одо-снабжение

5

Автономные источники тястхДабжеяия; яеч«г, индустриальные теплогенераторы и водопагро шатеот;

састеш! мектроотоплеяня с аккумулированием и без; прочие

ДШИПРШУ?:

ШЮФТЯСТЬ

ЛЛ2И!Ш$2:

шртФидге

отопление, горхчее водоснабжение, шпцепрнго-товление

Рис. 1. Структура, элементы и взаимосвязи локальной системы энергоснабжения.

Непременным компонентам множества рассматриваемых альтернативных вариантов развития систем энергоснабжения в зонах малого рассредоточенного энергопотребления должны быть технологии использования местных, возобновляемых источников энергии.

Развитие различных направлений нетрадиционной энергетики (гелио-, вет-ро-, малая гидроэнергетика, энергетические технологии использования биомассы и др.) успешно осуществляется и стимулируется во многих странах мира. При этом учитывается экологический эффект замещения традиционных топливных ресурсов и особая значимость местных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для децентрализованного энергоснабжения специфичных региональных потребителей. Наиболее эффективным использование ВИЭ может быть для удаленных от региональных топливно-энергетических центров сельских потребителей, с учетом таких факторов, как возможность замещения дорогостоящего завоза топлива, непосредственная близость источников потенциала и потребителей, соответствие невысокой интенсивности локальных ресурсов и местных энергетических нагрузок. Эффективность внедрения установок, использующих ВИЭ, зависит от местных энергоэкономических условий - характеристик источника потенциала, нагрузок и режимов энергопотребления, возможностей альтернативного энергоснабжения. Особенностью установок, использующих ВИЭ, является неравномерность во времени и случайный характер выработки, что делает необходимым рассмотрение мероприятий по дублированию необеспечен' ной мощности или рео'лиррванию нагрузок, т.е. учета взаимосвязей и оптимизации структуры ЛСЭ, включающих ВИЭ.

2. Методика структурной оптимизации локальных систем энергоснабжения

Использование методики структурной оптимизации ЛСЭ позволяет провести сравнительный технико-экономический анализ возможных вариантов комплексного энергоснабжения потребителей и выбрать оптимальное сочетание энергетических ресурсов и технологий, отвечающее местным условиям и системным критериям эффективности.

Этапы и реализация оптимизационных исследований. Основные этапы, элементы и последовательность структурной оптимизации ЛСЭ представлены на схеме (рис. 2).

Поиск решения проводится в два этапа - предварительной и конечной оптимизации. На первом этапе задача рассматривается в статической постановке при детерминированных условиях, проводятся расчеты на оптимизационных моделях для выбора из всевозможных вариантов нескольких наиболее перспективных (вблизи оптимума целевой функции), различающихся по структуре генерирующих мощностей. На следующем этапе оптимизации проводится подробный

База данных энерпотекнопогий

Анаят исходных условий задачи

Оценка месшых эиерго-ресурсоа (в том числе возобновляемых)

Расчспгае технико-эконокические тжюэтепи энергоустановок, систем распределения

/этап ракетной

ри

Назначение расчетных условий

Расчеты иа

моделях

¡¡этап процедуру

-ч г

Фтииеоао-эюююпесхж

услоим

коэффи- цеиынатол-

циенты якво, тарифы,

местного нормативы,

удорожа- неопределен-

ют ность

Ввод ограничений по структуре ЛСЭ

Энергетические нагрузки, возможности внешнего энергоснабжения и

отоуси энергия сторонтш потребителям

Вариантный анализ

Выбор расчет* ного вариант* условий при неопределенности

Критерии оптимальности

Выбор расчетного варадкга нагрузок: - по варианту расшире-нн* пентралиэов&тюго теплоснабжения; -ввод ограничения по внешним еммм

Выбор целевой функции при многокритериально«»

, г Модели выбора вариантов ЛСЭ

Оппшкзааяонныс линейные модели; -КомплексиоЯ системы -Подсистем раздельного и кокбинированногб производства энергии, иасис-теиы тещюенвбжени*

\

Оценочна» модель вариантов КПТЭ

Формирование ограниченного множества оптимальных, субоптималь-кых вариантов

Дополнительные успови» финансово-экономического анализа(варианты инвестиций, тарифов, прогноз динамики)

Оценка динамических критериев эффективности;

Формирование платежной матрицы, выбор критерия лркигги* решений в усло-ви« неопределенности н ыдагокрнгтерналыюстн

Выбор

рацио-

нального

варианта

структу-

ры ЛСЭ

Рис. 2. Структурная схема оптимизации ЛСЭ.

анализ предварительно отобранных вариантов с учетом прогноза на расчетный период динамики роста нагрузок, изменения финансово-экономических условий, конкретизации инвестиционных возможностей.

Для выбора модели и метода решения оптимизационной задачи были проанализированы особенности представления исходной информации, описания свойств и связей системы в постановке задач линейного и нелинейного программирования. Сравнение результативности показало преимущества решения задачи в постановке линейного, частично целочисленного программирования. Практическая реализация решения задачи выполнена в табличном процессоре MS Excel.

База данных по малым энергетическим установкам и системам распределения включает технико-экономические показатели различных типов энергоустановок в рациональных диапазонах мощностей. Данные структурированы по функциональным блокам: электростанции, установки комбинированного производства тепла и электроэнергии (КПТЭ), котельные, электрокотельные и автономные теплогенераторы, электрические и тепловые сети. Каждый элемент типового ряда ( по типу установок и виду используемого топлива) представлен размерным рядом по расчетным диапазонам мощности, таким образом, чтобы при обобщении для типоразмерных рядов нелинейные зависимости показателей могли быть аппроксимированы кусочно-линейными функциями.

Оптимизационные модели Л С Э. В общем виде оптимизационная модель локальной системы комплексного энергоснабжения формулируется следующим образом. Переменные определяют мощность и выработку установок (электростанции, когенерационные установки, котельные), мощность и энергию, покупаемую со стороны, отпуск энергии внешним потребителям, количество автономных теплогенераторов. Все оцениваемые технологические и стоимостные показатели для элементов системы выражаются функциональными зависимостями от переменных и коэффициентов модели. Устанавливаются технологические ограничения: по числу часов использования и величине установленной мощности; по коэффициенту мощности и удельному отпуску тепла когенерационных установок; по отпуску дополнительной энергии внешним потребителям и приобретению энергии и мощности от внешних источников; по свободной мощности для аккумуляционных систем электроотопления. Балансовыми соотношениями определяются взаимосвязи производства и потребления - по обеспечению пиковых нагрузок и объемам потребления электроэнергии, тепловой энергии централизованного и децентрализованного снабжения. С помощью логических условий определяются взаимосвязи переменных и вводятся ограничения на допустимое множество решений (для анализа вариантов с заранее предполагаемыми элементами и исключения заведомо неприемлемых элементов).

Для адекватного отражения в линейной модели дискретности изменения мощности вводятся целочисленные переменные, для учета нелинейности изменения технико-экономических показателей применяется кусочно-линейная аппроксимация зависимостей. Для установок одного типа, расчетный диапазон изменения мощности подразделяется на поддиапазоны, в пределах которых часть удельных технико-экономических показателей является постоянными, часть -

линейно зависимыми, и принимается постоянным дискретный шаг изменения мощности. Расчетная мощность каждого i-ro элемента типоразмерного ряда установок является функцией двух переменных: булевой - по нижней границе диапазона изменения мощности, целочисленной - на дискретные приращения. Формирование в модели остальных переменных (по выработке, мощности и выработке «уникальных» установок, по отпуску внешним потребителям и приобретению со стороны и др.), целевой функции и ограничений выполняется в общепринятом, для линейных задач виде.

В дополнении к основной (комплексной) оптимизационной модели ЛСЭ, рассматривающей все функциональные подсистемы в единстве, формируются отдельные модели подсистем, с целью упрощения поиска решений для частных задач оптимизации. ■ .

Оценочная модель вариантов К П Г Э. С использованием данной модели проводится подробный анализ возможных эксплуатационных режимов когенерационных установок в зависимости от особенностей хронологически совмещенных графиков электрической и тепловой нагрузок, характеризующих годовую и суточную неравномерность энергопотребления. В модели организованы циклы расчетов с перебором вариантов установок КПТЭ по типу, мощности и возможным (в зависимости от внешних связей) режимам эксплуатации. Для каждого варианта оценивается участие когенерационной установки в покрытии годовых графиков нагрузки (избыток или недостаток мощности и энергии), в соответствии со значениями которых определяется оптимальный вариант по дополнительным энергоустановкам (электрокотлы, пиковые электро- и теплогенерирующие установки) или отпуск излишков энергии внешним потребителям. По результатам расчета выбирается вариант комплексного энергоснабжения, обеспечивающий наилучшие показатели критерия системной эффективности.

Критерий предварительной оптимизации. Целевой функцией оптимизационной модели может быть назначен любой из оцениваемых системных показателей. В качестве основного целевого критерия для предварительной оптимизации принимается минимум функции суммы годовых полных (инвестиционных и производственных) затрат по всем элементам системы Sif( -> min. Этот критерий определяет необходимые годовые затраты для расчетного года эксплуатации (общую стоимость комплексного энергоснабжения), минимизация которых отвечает интересам производителей н потребителей. В общем случае, годовые издержки по каждому г'-тому элементу системы (установкам, сетям и внешним связям) включают суммы расходов, связанных с возмещением инвестиций Иг, условно-постоянных Яяосж и переменных Ипер издержек: И,~ И. Л И _ Л И ..В целом по системе, инвестиционная составляю-

I К / Wulf I ПСр /

щая Ик годовых затрат включает расходы связанные с выплатами кредита и дивидендов на акционерный капитал. Условно-постоянные годовые затраты Игюсп включают амортизационные отчисления И^, расходы на оплату труда, прочие постоянные издержки по всем элементам системы и константную составляющую оплаты покупной энергии. Переменные издержки Ит включают расходы

на техобслуживание, затраты на топливо и покупную энергию, а так же учитывается предполагаемый доход при отпуске энергии внешним потребителям.

Вариантный анализ предусматривает решение следующих задач:

• параметрического анализа при различных значениях одного из параметров (например, уровня централизации теплоснабжения, цены на топливо, тарифа внешнего энергоснабжения и др.);

• поиска решений в условиях неопределенности, для принятых различных расчетных сочетаний внешних условий (варианты нагрузок, варианты финансово-экономических условий);

• поиска решений по различным целевым функциям (при минимизации эксплуатационных или инвестиционных затрат, расходов топлива и пр.).

В целом вариантный анализ сводится к проведению цикла расчетов на моделях при различных исходных данных и оценке влияния тех или иных условий на оптимальное решение.

Конечная оптимизаци я. На данном этапе для предварительно отобранных вариантов решений выполняется уточнение показателей и оценка динамических (дисконтированных, интегральных) критериев экономической эффективности с учетом конкретизированных исходных данных о структуре и условиях инвестиций, прогнозируемых тенденций роста нагрузок, изменений составляющих затрат. По годам (расчетного периода Г уточняются значения полных затрат И1 и составляющих их издержек, связанных с оплатой кредита К1 (Ик11 - сумма выплат кредита и процентов за период погашения Г,), выплатой дивидендов на акционерный капитал К3 (И0), амортизационными отчислениями Иам1, эксплуатационными расходами на оплату труда, техобслуживание, топливо и покупную энергию и прочие затраты. Определяются суммы затрат, относимых на себестоимость, удельные показатели на отпуск электрической и тепловой энергии. По вариантам уточняются объемы расхода органического топлива и коэффициенты полезного использования топлива гь. Исходными данными устанавливаются расчетные значения отпускных тарифов, определяются выручка от реализации по годам расчетного периода Вг, налоги и отчисления от прибыли чистая прибыль. Приведение разновременных показателей выполняется с коэффициентом дисконтирования = 1/(1+е/, при норме дисконта ее задаваемой с учетом номинальной годовой процентной ставки по депозитам ед и коэффициента инфляции еи: е( - (ед - + г).

Основными критериями экономической эффективности являются:

1) сумма дисконтированных годовых затрат производства

1-1

2) приведенные суммарные капиталовложения

3) суммарные дисконтированные расходы (без амортизационных отчислений)

2 (Mt-Mcmtkf, t=I

4) интегральный экономический эффект

Э{МРУ) = -К2+ | (В,- Яг- Ня,)ф: 1=1

5) внутренняя норма доходности инвестиций е/ (IRR), определяется из условия Э & 0.

Критерии выбора решения: И" -> min; 3" —> min; Э -> max; <*° ~> max; т)е -> max. Для выбора окончательного решения однозначно не может быть рекомендован единственный показатель. Для потребителей уровень тарифов на энергетические нужды будет определяться полными годовыми затратами производства, для инвесторов и производителей наиболее существенными являются критерии коммерческой эффективности (интегральный эффект, норма доходности). Обоснованное принятие решений требует анализа конкретных условий, местных требований и приоритетов, возможностей регулирования и согласования интересов.

Предложенная в работе методика структурной оптимизации локальных сие. тем комплексного энергоснабжения апробирована на примере конкретной ЛСЭ.

3. Методики оценки потенциала ветро- и малой гидроэнергетики в регионе

Предложенные методики позволяют оценить возможности использования в регионе малой гидро- и ветроэнергетики в соответствии с современными данными климатологической изученности, уровнем развития технологического оборудования и экономическими условиями. Результаты исследования характеризуют располагаемый технический потенциал ресурсов, -энергетическую и экономическую эффективность использования малых гидро- и ветроэнергетических установок.

Оценка потенциала ветрознергетического использования включает определение статистических характеристик ветрового режима, оценку показателей производительности ветроэнергетических установок, анализ экономической эффективности их использования.

Оценка статистических распределений скоростей ветра. Исходными данными являются результаты аэрологических наблюдений за скоростями ветра на метеостанциях. Определение расчетных статистических характеристик ветрового режима включает: 1) аппроксимацию эмпирического распределения скоростей ветра по градациям теоретической функцией распределения Вейбулла; 2) приведение результатов данных наблюдений за скоростями ветра с высоты измере-

ний на уровни высот, заданные в соответствии с техническими характеристиками ветроэнергетических установок (ВЭУ). Из-за неопределенности вертикальной экстраполяции скоростей ветра разработан алгоритм вариантной оценки расчетных статистических распределений скоростей ветра на различных уровнях высот.

Оценка производительности ветроэнергетических установок выполняется для типоразмерного ряда перспективных ВЭУ. На основе заданной рабочей характеристики ВЭУ (зависимости выходной мощности от скорости ветра) и расчетных функций распределения скоростей ветра для соответствующего уровня расположения оси ветроколеса определяются основные расчетные эксплуатационные показатели ВЭУ за рассматриваемый период (среднемноголетние, годовые): продолжительность рабочих периодов; расчетная выработка электроэнергии; коэффициент использования установленной мощности ВЭУ (кр) - отношение расчетной выработки электроэнергии за период к теоретической производительности, оцениваемой как выработка за весь период с постоянной номинальной мощностью.

Анализ экономической эффективности использования ВЭУ. Экономическая эффективность ВЭУ определяется показателями, характеризующими производственную эффективность и коммерческую конкурентоспособность в сравнении с альтернативными вариантами.

Оценочная модель для автоматизированного расчета показателей эффективности в зависимости от основных технико-экономических условий (капиталовложения и эксплуатационные затраты ВЭУ, расчетные коэффициенты использования установленной мощности, цены и тарифы по замещаемым вариантам энергоснабжения) позволяет проводить экспресс-анализ эффективности различных типов ВЭУ в конкретном местоположении в соответствии с фактическими данными. Для укрупненной оценки экономической эффективности ВЭУ (табл. 1,2) приняты следующие исходные условия: срок строительства не превышает одного года; капиталовложения осуществляются полностью из собственных средств; соотношения тарифа на электроэнергию и цены на дизельное топливо устанавливают равноэкономичность использования ВЭУ в зоне централизованного электроснабжения и для автономного электроснабжения в комплексе с дизельной установкой.

Результаты исследования. В диссертационной работе представлены характеристики среднемноголетних распределений скоростей ветра и расчетные параметры приведения скоростей ветра по высоте по всем пунктам наблюдений на территории Республики Коми и Ненецкого АО Архангельской области. Проведена типизация многолетних распределений по условным подрайонам, принятым в зависимости от значений средних многолетних скоростей ветра на высоте 10 м : I - более 6 м/с; II - от 5 до 6 м/с; III - от 5 до 4 м/с ; IV - менее 4 м/с. Приведение фактических данных о повторяемости скоростей ветра выполнялось для уровней высоты в диапазоне 15-50 м, получены характеристики статистических распределений. Выполнена оценка показателей производительности типоразмерного ряда ветроэнергетических установок. Получены укрупненные зависимости показателей эффективности ВЭУ, анализ которых совмес-

Себестоимость энергии и срок окупаемости ВЭУ

Установленная мощность ВЭУ, кВт Удельные капиталовложения »ВЭУ, дшыЛсВт Себестоимость энергии ВЭУ, дали/ МВт.ч Расчетные паримы замещения ч Срок окупаемости инвестиций (год)".

при коэффициенте использования установленной мощиост (Ь,. о.£11 при коэффициенте исполь--да ванн* установленной мощное™ к,, о.е

0,40 0,35 0,30 0,25 0,40 035 0,30 0.25

1000 - . 1500 44 50 59 70 а б ■ 13 5ЙО 15 12 14 ;

1000 30 34 40 48 а > ; '9-И 7-9 . 5-? 12 9-1 а 45-8 14 11-12 ?М> ■ 14 10-11 ;

500 16 18 21 25 а 4-« « 5 3-4 45 3-4 6-7 }*6 7-9 ,,-6-7 44 \

250 1500 49 . 56 • 65 • 5 1 14 « 1щ 13 -

1000 35 40 4&, ,56 а 11-12 б 1 8-10 • ! ь-г 15 ia.iv 13-14 5-10 12-13

500 21 24 28 33 а ■ М 4»5 4 л .34 13 <5-7 4■$ 5-7 , _

100 1500 51 5» 67 81 а ■ 15 ИМ*

1000 36 42 49 58 а я 12-13 4 9-10 ; 11-12 и н ] : to.tr | и

500 22 25 30 36 а б к 3-744> 7-« ч 3-5 $¿-10 { 11 12 79 : ! 5? :

Примечания: 1) ка - определяется по полезному отпуску энергии, приближенно принято к =0.8 к;

о р

2) варианты «а» - цена дизельного топлива 130 долл./т у.т., тариф на электроэнергию- 0.04 долл./кВт.ч; «б» - 160 долл./т у.т. и 0.05 долл. /кВт.ч; «в» - 200 долл./т у.т., 0.06 долл./кВт.ч;

3) затенением выделен срок окупаемости менее 10 лет; прочерк означает, что срок окупаемости более 14 лет.

тно с представленными данными о значениях коэффициентов использования установленной мощности различных типов ВЭУ позволяет оценить сравнительную эффективность их использования в конкретном местоположении.

Оценка потенциала малой гидроэнергетики включает: формирование кадастра гидрографических и гидрологических характеристик, расчет гидроэнергетических ресурсов, определение технического потенциала, водноэнергстичес-

Внутренняя норма доходности

Мощ- Удельные Варианты цен я тдофов на заметаемое топлнао и энергию

ность капитало- Вариант «6» 1 Вариант «в»

ВЭУ, вложения. Коэффициенты использования устаноаленной мощности к. ,о.е.

кВт долд/кВт 0.40 | 0,35 030 | 0,25 | 0,40 | 0,35 | 0,30 | 0,25

1000 500 28/18 23/14 17/10 12/6 38/25 32/21 26/16 19/12

1000 6/2 3/0 13/7 9/4 5/1 0/-

1500 - - - - 2/- -

250 500 24/15 19/12 13/7 7/3 34/22 28/18 22/14 15/9

1000 3/0 - - 10/5 7/3 2/0

1500 - - - - 0/- -

100 500 22/14 17/10 12/6 6/2 33/22 27/17 19/12 14/8

1000 2/0 - 10/5 5/2 0/-

1500 - - - -

Примечание : расчетный период принят равным 10 годам ; в числителе - без налога на прибыль, в знаменателе - с учетом 35% налога на прибыль.

ких характеристик малых гидроэлектростанций (МГЭС) и укрупненный анализ экономической эффективности их использования.

Методические основы оценки гидроэнергетических ресурсов, как в случае расчета обобщенных показателей теоретического потенциала, так и водноэнер-гетических характеристик в конкретных створах гидроэлектростанций, достаточно подробно разработаны. На практике оценка ресурсов и анализ перспективности развития малой гидроэнергетики для конкретных регионов, связаны с трудностями, обусловленными недостаточной изученностью малых и средних рек. Исследованию ресурсов в полной мере отвечает создание гидроэнергетического кадастра рек изучаемого региона, первоосновой для разработки которого должен являться кадастр водных ресурсов региона - свод основных гидрографических и гидрологических характеристик бассейнов рек.

Гидрографические и гидрологические данные. Основной гидрографической характеристикой рек является водосборная площадь, её нарастание по протяженности и падению реки. Расчетные гидрологические характеристики стока -среднего, минимального, различной обеспеченности, внутригодового и сезонного распределения, определяются на основе методических рекомендаций по данным непосредственных гидрометрических наблюдений или с использованием результатов научных обобщений, публикуемых в справочных материалах по гидрологической изученности.

Обобщенные оценки ресурсов водной энергии. Расчет потенциальных ресурсов выполняется на основе известных методов линейного или обобщенного учета. Приближенная оценка технического потенциала выполняется по относительным коэффициентам, характеризующим степень использования теоретического потенциала.

Уточненная оценка технических ресурсов выполняется при изучении конкретного объекта, в процессе разработки кадастра данных и линейном учете ре-

сурсов. Для этого устанавливаются ограничения, связанные с техническими возможностями использования потенциальных ресурсов: исключается потенциал участков, неприемлемых к использованию; учитывается величина неизбежных технологических потерь преобразования энергии и степень возможного использования годового стока малыми ГЭС, определяемая на основе анализа и типизации условий в конкретных створах. .

Водноэнергетические характеристики МГЭС. Ориентировочные параметры малых ГЭС (расчетная установленная и обеспеченная мощности, годовая выработка й др.) для различных участков рек получены на основе определения средних условий в возможных створах малых ГЭС с учетом ограничений по площадям затоплений, длине напорного фронта и условий регулирования. Типизация условий по створам (в зависимости среднегодовых.расходов и напоров) позволяет конкретизировать ресурсные возможности и определить целесообразность более подробных исследований.

Выбор первоочередных объектов. В настоящее время значительная часть ресурсов приходится на неосвоенные территории. Перспективный потенциал использования ресурсов определяется наличием потребителей в непосредственной близости, в первую очередь, в зонах децентрализованного электроснабжения, на удаленных концевых участках протяженных, линий электропередачи в сельских районах.

Экономическая эффективность использования малых ГЭС определяется в сравнении с альтернативными вариантами энергоснабжения. Малые ГЭС могут эксплуатироваться либо в составе электроэнергетической системы, либо автономно, как правило, в комплексе с дизельной установкой для электроснабжения изолированных потребителей. При этом выработка МГЭС замещает покупаемую электроэнергию или обеспечивает экономию дизельного топлива. На рис. 3 показаны зависимости срока окупаемости капиталовложений в МГЭС для

1000 1500 2000 2500 3000

Рис. 3. Срок окупаемости МГЭС при тарифах: а) 0.04, б) 0.05, в) 0.06 долл./кВт.ч; при замещении дизельного топлива стоимостью: а) 130, б) 160, в) 200 долл./т у.т.

вариантов расчетных значений тарифов на электроэнергию и цен на дизельное топливо.

Для малых ГЭС, относительно более капиталоемких, чем прочие традиционные энерготехнологии, не следует ожидать быстрых темпов окупаемости инвестиций. Учитывая длительный срок службы гидроэнергетических сооружений и оборудования МГЭС (30-50 лет), вполне экономически приемлемым .может являться период окупаемости до 15 лет. Это условие обеспечивается при удельных капиталовложениях в МГЭС не более 1500-2500 долл./кВт и тарифах на отпускаемую электроэнергию 0.04-0.06 долл./кВт.ч.

Результаты исследования. В работе представлены результаты проведенных исследований потенциала малой гидроэнергетики в Республике Коми. Определен ресурсный потенциал малой гидроэнергетики, дано распределение технических ресурсов по основным бассейнам, категориям рек. Детальная оценка технического ресурсов проведена при линейном учете их потенциала (для рек бассейна Вычегды и Мезени). Получены ориентировочные параметры малых ГЭС для различных участков малых и средних рек бассейнов Вычегды и Мезени. Определен технически целесообразный потенциал малой гидроэнергетики по условию наличия потребителей в непосредственной близости. Представлены результаты оценки возможностей первоочередного, наиболее целесообразного строительства малых ГЭС в зонах децентрализованного электроснабжения и на наиболее удаленных концевых участках протяженных линий электропередачи в сельских районах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен новый методический подход предпроектных исследований и обоснования рациональных вариантов энергоснабжения сельских потребителей в зонах малого рассредоточенного энергопотребления. Основные методические положения предлагаемого подхода заключаются: в проведении оптимизационных исследований на локальном уровне; в оценке эффективности энергоснабжения при комплексном рассмотрении энергетических ресурсов, технологий и потребностей; в анализе возможностей использования местных и возобновляемых энергоресурсов.

2. Разработана методика структурной оптимизации локальных систем энергоснабжения сельских населенных пунктов, включающая последовательность процедур двухэтапного оптимизационного поиска и вариантного анализа. Новизна предлагаемой методики заключается в выборе оптимального варианта ресурсов и технологий для обеспечения местных энергетических потребностей на основе анализа эффективности комплексного электро-, тепло- и топливоснабжения с учетам взаимосвязей функциональных элементов ЛСЭ, возможностей взаимозаменяемости и комбинирования энергоресурсов, источников внешнего и автономного энергоснабжения.

3. Разработаны математические модели для оптимизационного поиска и анализа эффективности вариантов ЛСЭ. Особенностями модельной реализации исследований являются: учет системных взаимосвязей и многовариантности технологических решений комплексного энергоснабжения в оптимизационной модели ЛСЭ; технико-экономический анализ различных эксплуатационных режимов когенерационных установок в оценочной модели по вариантам КПТЭ; детальный анализ эффективности вариантов энергоснабжения в оценочной модели на этапе конечной оптимизации. Формализация процедуры многовариантного технико-экономического анализа с использованием оптимизационных и оценочных моделей позволяет осуществлять выбор оптимальных решений для различных систем рассматриваемого класса в зависимости от конкретных местных условий.

4. Разработаны методики оценки потенциала использования ветро- и малой » гидроэнергетики в регионе. Оценка потенциала ветроэнергетического исполь- • зования состоит в определении статистических распределений скоростей вет- • ра, показателей производительности и экономической эффективности типораз-мерного ряда ВЭУ. При оценке потенциала малой гидроэнергетики общепринятые методы определения валовых и технических ресурсов дополнены: уточняющими оценками технического потенциала, типизацией условий по категориям и участкам рек, определением ориентировочных водноэнергетических параметров малых ГЭС и характеристикой их сравнительной экономической эффективности. Предложенные методики позволяют получить характеристику пространственного распределения и интенсивности располагаемых ресурсов, технических возможностей и экономической эффективности использования ветро- и малой гидроэнергетики в регионе.

5. Проведены исследования потенциала ветроэнергетики Европейского Северо-Востока России и малой гидроэнергетики Республики Коми. Впервые по- • лучена наиболее полная и детализированная в территориальном разрезе оценка располагаемых ресурсов и практических возможностей их использования. Представленные результаты формируют необходимую информационную основу планирования рационального использования возобновляемых ветро- и гидроэнергетических ресурсов для энергоснабжения сельских потребителей региона.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Использование малой гидро- и ветроэнергетики в системе энергоснабжения Коми ССР. - Сыктывкар, 1992. - 20 е.- (Сер.препринтов «Науч. рек. - нар. хоз-ву»/УрО РАН, Коми научный центр; Вып.99) - 0,8 п.л.

2. Совершенствование управления региональными системами энергоснабжения при переходе к рыночной экономике. // Энергетик. -1993. -№ 2- С.4-6. - в соавторстве, авторских 0,1 п.л.

3. Повышение эффективности сельской энергетики Республики Коми при переходе к рыночной экономике // Проблемы энергоснабжения Европейского

Северо-Востока России,- Сыктывкар, 1993.-С.60-69. (Труды Коми научного центра УрО РАН; №128) - в соавторстве, авторских 0,2 п.л.

4. Эффективность использования электроэнергии для теплоснабжения потребителей сельских районов Республики Коми // Проблемы энергоснабжения Европейского Северо-Востока России,- Сыктывкар, 1993.-С.70-76 (Труды Коми научного центра УрО РАН; №128) - 0,3 п.л.

' 5. Направления развития энергетики заполярных районов Архангельской области и Республики Коми. //Научно-аналитической конференция «Тимано-Печорская нефтегазоностная провинция: стратегия освоения новых месторождений в условиях рыночной экономики» «Направления развития энергетики заполярных районов Архангельской области и Республики Коми» (12-15 дек. 1994г., г.Усинск). - Усинск, 1994. -18 с. - в соавторстве, авторских 0,5 п.л.

6. Проблемы развития малой энергетики в Республике Коми // Формирование рыночных отношений в энергетике. - Сыктывкар, 1994. -С.164-173. - 0,6 п.л.

7. Децентрализация производства энергии // Энергетическая стратегия Республики Коми (основные направления развития систем электро-, тепло- и топливоснабжения) - Сыктывкар, 1996,- раздел 3.3. - С. 68-96. - в соавторстве, авторских 0,8 п.л.

8. Методические основы планирования и направления развития систем локального энергоснабжения сельских потребителей // Новая региональная энергетическая политика. - Сыктывкар, 1997. - С. 146-154. - 0,5 п.л.

9. Методические положения и модельно-программное обеспечение для оптимизации структуры территориальных систем энергоснабжения // Региональные энергетические исследования: 1953-1998 годы. - Сыктывкар, 1999. - С.104-113. - в соавторстве, авторских 0,2 п.л.

Диссертация: содержание автор диссертационного исследования: кандидата экономических наук, Чайка, Лариса Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО

ПЛАНИРОВАНИЯ СЕЛЬСКОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Анализ проблем и направлений развития сельского энергоснабжения в Республике Коми

1 ^.Возобновляемые и нетрадиционные энергоресурсы в Республике Коми

1.3 Анализ методологических основ)панирования развития сельской энергетики

1.4 Методические положения оптимального планирования энергоснабжения сельских потребителей

Выводы

ГЛАВА 2. СТРУКТУРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЛОКАЛЬНЫХ

СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ.

2.1 Постановка задачи структуруюи оптимизации локальных систем энергоснабжения

2.2 Методика структурной оптимизации локальной системы энергоснабжения

Выводы

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАН! Ш МАЛОЙ

ГИДРО-И ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

3.1 Особенности оценки ветро- и гидроэнергетических ресурсов к 3.2. Оценка ресурсного потенциала и эффективности

Д ветроэнергетики

Оценка ресурсного потенциала и эффективности малой гидроэнергетики

Выводы

Диссертация: введение по экономике, на тему "Методические основы формирования рациональных систем энергоснабжения в сельских районах Севера"

Актуальность темы. Совершенствование систем энергоснабжения в сельских районах Севера является одним из необходимых условий экономического развития, повышения уровня жизни населения. Современное состояние энергоснабжения данной категории потребителей, в общем, характеризуется низким техническим уровнем, высокими эксплуатационными затратами, неудовлетворительным качеством и надежностью. Годами складывался затратный, дотационный характер сельской энергетики. Энергоснабжение потребителей в сельских районах осуществлялось различными предприятиями (региональной электроэнергетической системы, жилищно-коммунального и сельского хозяйства, лесной промышленности и проч.) с преимуществом отраслевых интересов. Практика разрозненного, обособленного планирования и управления сельским энергоснабжением приводила к значительным перерасходам затрат денежных средств и материальных ресурсов [55]. В современных условиях непрофильные предприятия уже не обязаны как раньше обеспечивать общественные энергетические потребности в сельской местности и нести все связанные с этим затраты, сокращаются возможности перекрестного субсидирования электроснабжения и бюджетных дотаций на завоз топлива и теплоснабжение сельских потребителей. В этих условиях становят-■ ся актуальными задачи технологического совершенствования и повышения эффективности сельского энергоснабжения. Для принятия управленческих решений необходим анализ экономической и энергетической эффективности не только отдельных элементов, но энергообеспечения в целом, согласование интересов всех участников процесса энергоснабжения. Современные широкие возможности диверсификации энергетических ресурсов и технологий, взаимосвязи функциональных элементов и подсистем электро -, тепло- и топливоснабжения определяют необходимость планирования их развития основе совместной, комплексной оптимизации.

Развитие систем энергоснабжения в сельских районах Севера связано с .трудностями объективного характера - рассредоточенное!ь потребителей на значительной территории, малые энергетические нагрузки. Этим особенностям энергопотребления в наибольшей степени отвечают возможности малой энергетики. Применение энергетических установок малой и средней мощности наиболее целесообразно в условиях, когда дополнительные затраты на распределение энергии на большой территории превышают эффект от концентрации источников энергии. Выбор эффективных вариантов децентрализованного производства энергии на базе малых энергоустановок зависит от местных энергоэкономических условий и требует анализа множества различных альтернативных технических решений, допускаемых возможностями взаимозаменяемости и комбинирования энергетических ресурсов и технологий. Такой подход предполагает разработку оптимизационных моделей локальных систем комплексного энергоснабжения. Понятие локальной системы энергоснабжения (ЛСЭ), в данном случае, определяет энергосистему местного значения, функционально обеспечивающую комплексное энергоснабжения ( электро -, тепло- и топливоснабжение) обособленной группы потребителей.

Развитие малой энергетики может осуществляться как в направлении совершенствования традиционных технологий на органическом топливе, так и освоения местных, возобновляемых энергоресурсов. Разработка и широкое применение оборудования и технологий с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) выделено как одно из важных направлений энергетической политики России [44,64]. Для сельских районов Севера, наиболее перспективными технологиями использования местных и возобновляемых энергоресурсов являются малая гидро- и ветроэнергетика, а так же энергетическое использование биомассы (древесины, органических отходов). Природные особенности данных возобновляемых энергоисточников - практически повсеместное распространение, при относительно невысокой интенсивности - определяют приоритетность исследования возможностей, их использования для целей энергоснабжения малых рассредоточенных потребителей. Для решения практических задач освоения ВИЭ необходимо проведение региональных исследований характеристик источников потенциала, включающих оценку природных и энергетических показателей ресурсов, анализ экономической эффективности их использования.

В целом, планирование развития энергоснабжения сельских потребителей в районах Севера тесно взаимосвязано с задачами оценки эффективности комплексного энергоснабжения, энергоэкономического обоснования внедрения малой энергетики и использования местных, возобновляемых энерго-'ресурсов.

Степень разработанности проблемы. Методические вопросы планирования развития сельского энергоснабжения рассматривались в работах Ба-рабанера Х.З, Вейца В.И., Захарнна А.Г., Канакина Н.С., Никитина В.М. и др. Задачам технико-экономического обоснования и анализа перспектив развития малой энергетики на Севере уделялось внимание в исследованиях Ануфриева А.Ф., Степанова И.Р., Щеглова А.Г. и др. Теоретическим и прикладным аспектам использования возобновляемых источников энергии посвящены работы Безруких П.П., Васильева Ю.С., Зубарева В.В., Минина В.А., Прузнера СЛ., Синяка Ю.В и др.

Обобщение опыта энергоэкономических исследований, применительно к рассматриваемой проблеме рационального развития энергоснабжения сельских потребителей в районах Севера, показало необходимость совершенствования научно-методических подходов к планированию с учетом современных преобразований в организации и экономике энергетического хозяйства; разработки методического, модельного и информационного обеспечения для анализа и принятия решений по внедрению эффективных технологий малой . энергетики и освоению возобновляемых энергоресурсов.

Диссертация выполнена в соответствии с планами научных исследований Отдела энергетики Коми научного центра УрО РАИ по темам: 1.9.3.9. «Разработка основных направлений развития энергетического хозяйства Европейского Северо-Востока СССР на долгосрочную перспективу с учетом энергосбережения и научно-технического прогресса» (гос.per.№ 0186.0059965), 1.9.3.9. «Научная концепция энергообеспечения Европейского Северо-Востока России в новых условиях хозяйствования» (гос.per.№ 0191.0054166), 4.1 «Разработка научных основ повышения эффективности развития регионального топливно-энергетического комплекса в новых соци-. ально-экономических условиях (на примере Северо-Востока европейской части России» (гос.рег.Х» 01.960.005931)

Объектами исследования являются системы локального энергоснабжения потребителей в сельских районах, а так же возобновляемые ветро- и гидроэнергетические ресурсы Европейского Северо-Востока России.

Предметом исследования является планирование эффективного использования установок малой энергетики и возобновляемых энергоресурсов в системах энергоснабжения сельских потребителей.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью исследования является совершенствование методических положений планирования сельского энергоснабжения в районах Севера, включающее разработку методического, модельного и информационного обеспечения для энергоэкономического обоснования и принятия решений относительно развития систем локального энергоснабжения, выбора эффективных технологий малой энергетики и использования возобновляемых энергоресурсов. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

• установить методические положения планирования развития сельского энергоснабжения в районах Севера;

• выявить особенности энергоэкономического обоснования внедрения установок малой энергетики и использования возобновляемых энергоресурсов в системах энергоснабжения сельских потребителей;

• определить, в рамках комплексного подхода, потенциальную структуру, свойства, взаимосвязи подсистем и элементов, критерии оптимальности локальных систем энергоснабжения сельских населенных пунктов;

• разработать методику и модели сфуктурной оптимизации ЛСЭ для технико-экономического анализа и выбора эффективных вариантов комплексного энергоснабжения в условиях многовариантности технологических решений;

• определить степень и проблемы региональной изученности возобновляемых энергоресурсов в отношении формирования информационной базы планирования их использования в системах энергоснабжения;

• оценить ресурсные возможности и определить условия эффективного использования малой гидроэнергетики и ветроэнергетики на территории Европейского Северо-Востока России.

Теоретическими основами исследования являются: методология системного анализа и оптимизационных исследований с использованием экономико-математических методов в энергетике, освещенные в трудах Мелен-тьева Л.А., Арзамасцева Д.А., Клима И., Макарова A.A., Некрасова A.C., и ' др.; методы технико-экономического анализа, оценки эффективности и обоснования решений по развитию энергетического хозяйства, изложенные в работах Артюгиной И.М., Денисова В.И. Долгова П.П., Зейлигера А.Н., Когана Ю.М., Кононова Ю.Д., Окорокова В.Р., Хабачева Л .Д. и др.

В работе использованы методы системного анализа, экономико-математического моделирования, линейного и целочисленного программирования, сравнительного технико-экономического анализа и определения экономической эффективности технических решений.

Информационной базой диссертационного исследования послужили: законодательные акты, нормативные и программные документы в области энергетической политики России; опубликованные аналитические материалы по анализу современного состояния и планам развития энергоснабжения в регионах Севера России; данные государственной статистической отчетности, Региональной энергетической комиссии Республики Коми, Министерства архитектуры, строительства и энергетики Республики Коми, АЭК «Комиэнерго» о производственной деятельности энергоснабжаюицих предприятий в сельской местности; обзорная научно-техническая информация по •энерготехнологиям малой энергетики; данные региональной изученности гидро- и ветроэнергетических ресурсов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Впервые сформулированы основные методические положения планирования развития сельского энергоснабжения в районах Севера, которые заключаются: в проведении оптимизационных исследований на локальном уровне; в комплексном рассмотрении энергетических ресурсов, технологий и потребностей с определением общесистемных показателей эффективности; в оценке возможностей использования местных и возобновляемых энергоресурсов. Предложенный методический подход учитывает особенности энергоснабжения в сельских районах Севера, объективные тенденции технологического развития и перехода к децентратзованному управлению энергетическим хозяйством.

2. Разработана методика структурной оптимизации локальных систем энергоснабжения сельских населенных пунктов для выбора эффективных вариантов используемых ресурсов и технологий. Целью оптимизации является повышение энергетической и экономической эффективности комплексного энергоснабжения потребителей. Методика включает последовательность процедур двухэтапного процесса оптимизационного поиска и вариантного анализа с использованием математических моделей. Универсальная постановка задачи, использование оптимизационных и оценочных моделей позволяет проводить исследования для различных локальных систем в конкретных условиях.

3. Разработаны методики оценки потенциала малой гидро- и ветроэнергетики для планирования их развития в регионе. Возможности использования малой гидро- и ветроэнергетики в регионе определяются комплексной характеристикой природных, технологических и экономических условий: потенциалом располагаемых .технических ресурсов, их территориальным распределением и локальной интенсивностью, основными, технико-экономическими параметрами энергетических установок и экономической эффективностью их использования в сравнении с альтернативными вариантами энергоснабжения.

Практическая значимость работы заключается в возможности повышения качественного уровня планирования развития систем сельского энергоснабжения, использования установок малой энергетики и освоения возобновляемых источников энергии в сельских районах северных территорий России. Результаты исследования могут использоваться для технико-экономического анализа и принятия управленческих решений государственными органами регионального и муниципального управления, энергоснабжаю щи ми предприятиями. Выполненные исследования ресурсного потенциала и эффективности малой гидро- и ветроэнергетики для территории Европейского Северо-Востока России формируют необходимую информационную основу планирования их развития в регионе.

Полученные результаты исследований положены в основу конкретных рекомендаций по развитию малой энергетики, использованию ветроэнергетических установок и малых ГЭС в системах энергоснабжения Республики Коми и Ненецкого автономного округа Архангельской области. Основные положения и результаты исследований вошли в отчеты по плановым темам 'Отдела энергетики Коми научного центра УрО РАМ и научно-исследовательским работам, выполненным в ходе разработки энергетической стратегии и программы Республики Коми. Результаты исследований по проблемам изучения и освоения возобновляемых энергоресурсов использовались: АЭК «Комиэнерго» при изучении перспектив ветроэнергетики в Республике Коми и обосновании сооружения Заполярной ВЭС; при разработке республиканской программы «Энергообеспечение Республики Коми за счет использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XI Коми республиканской молодежной научной конференции (Сыктывкар, 24-26 апреля 1990 г. ); на научно-практическом совещании «Разработка и реализация региональных энергетических программ (Северный экономический район)» (Сыктывкар, 23-26 февраля 1993 г.); на научно-практическом семинаре «Внедрение нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в Республике Коми» (Сыктывкар, 20 апреля 1994 г.); на научно-аналитической конференции ' «Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция: стратегия освоения новых районов и месторождений в условиях рыночной экономики» (Усинск, 12-15 декабря 1994 г.); на научно-практической конференции «Энергетическая стратегия Республики Коми» (Сыктывкар, 23-24 апреля 1996 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ и выполнено 9 отчетов о НИР

Содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и 4 приложений. Работа включает 8 рисунков и 40 таблиц. Общий объем - 153 страницы машинописного текста.

Диссертация: заключение по теме "Экономика и управление народным хозяйством: теория управления экономическими системами; макроэкономика; экономика, организация и управление предприятиями, отраслями, комплексами; управление инновациями; региональная экономика; логистика; экономика труда", Чайка, Лариса Викторовна

Выводы.

Анализ региональных исследований потенциала возобновляемых ветроэнергетических и гидроэнергетических ресурсов показал недостаточный уровень их изученности в отношении планирования их использования для энергоснабжения потребителей и необходимость формирования кадастровых данных для решения практических задач освоения.

2. Разработана методика оценки ветроэнергетических показателей, которая позволяет получить комплексную характеристику потенциала ветроэнергетики в регионе. Возможности освоения ветроэнергетического потенциала определяются на основе оценки статистических характеристик ветрового режима в исследуемом районе, технических показателей перспективного типоразмерного ряда ветроэнергетических установок и сравнительной экономической эффективности их использования.

3. Разработан алгоритм оценки параметров расчетных статистических распределений скоростей ветра на различных уровнях высоты расположения оси ветроколеса по данным о повторяемости скоростей ветра на уровне измерений. Рассмотренный вариантный подход позволяет оценить возможную методическую погрешность, связанную с неопределенностью изменений скоростей ветра по высоте.

4. Проведена оценка ветроэнергетического потенциала Европейского Северо-Востока России: получены кадастровые характеристики расчетных среднемноголетних распределений скоростей ветра по всем метеостанциям на рассматриваемой территории; проведена оценка расчетных показателей производительности для типоразмерного ряда перспективных ВЭУ и определены условия экономической эффективности их применения. Результаты исследований позволяют оценить практические возможности и эффективность использования ветроэнергетических установок в предполагаемом районе размещения.

5. Разработана методика оценки ресурсов малой гидроэнергетики, в которой известные методические положения по определению теоретического потенциала гидроэнергетических ресурсов и укрупненной оценки их технически реализуемой части дополнены уточняющими ио-объектпыми оценками технических ресурсов, применительно к малой гидроэнергетике, определением ориентировочных водноэнергетических показателей МГЭС, выбором первоочередных объектов и анализом эффективности.

6. Проведена оценка ресурсов малой гидроэнергетики Республики Коми: определен технический потенциал, его территориальное распределение •по бассейнам и в градации по категориям рек; проведена типизация условий и водноэнергетических характеристики МГЭС по определенным створам на участках рек в зависимости от среднегодовых расходов; рассмотрены возможности первоочередного освоения; получена характеристика экономической эффективности МГЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным итогом исследований является разработка методических основ формирования рациональных систем локального энергоснабжения сельских потребителей на базе малых энергоустановок, в том числе с использованием возобновляемых источников энергии. В работе получены следующие результаты:

1. Предложен новый методический подход предпроектных исследований и обоснования рациональных вариантов энергоснабжения сельских потребителей в зонах малого рассредоточенного энергопотребления. Основные методические положения предлагаемого подхода заключаются: в проведении оптимизационных исследований на локальном уровне; в оценке эффективности энергоснабжения при комтексном рассмотрении энергетических ресурсов, технологий и потребностей; в анализе возможностей ис пользования местных и возобновляемых энергоресурсов.

2. Разработана методика структурной оптимизации локальных систем энергоснабжения сельских населенных пунктов, включающая последовательность процедур двухэтапного оптимизационного поиска и вариантного анализа. Новизна предлагаемой методики заключается в выборе оптимального варианта ресурсов и технологий для обеспечения местных энергетических потребностей на основе анализа эффективности ко.\тлексного электро-, тепло- и топливоснабжения с учетом взаимосвязей функционачьных элементов ЛСЭ, возможностей взаимозаменяемости и комбинирования энергоресурсов, источников внешнего и автономного энергоснабжения.

3. Разработаны математические модели для оптимизационного поиска и анализа эффективности вариантов ЛСЭ. Особенностями модельной реализации исследований являются: учет системных взаимосвязей и многовариантности технологических решений комплексного энергоснабжения в линейной частично-целочисленной оптимизационной модели ЛСЭ; анализ различных эксплуатационных режимов когенерационных установок в оценочной модели по вариантам КПТЭ; уточнение системных показателей и финансово-экономический анализ с учетом прогноза динамики нагрузки, внешних уеловий, вариантов инвестиционных возможностей в оценочной модели на этапе конечной оптимизации. Формализация процедуры многовариантного технико-экономического анализа с использованием оптимизационных и оценочных моделей позволяет осуществлять выбор оптимальных решении для различных систем рассматриваемого класса в зависимости конкретных местных условий.

4. Разработаны методики оценки потенциала использования ветро- и малой гидроэнергетики в регионе. Оценка потенциала ветроэнергетического использования состоит в определении статистических распределений скоростей ветра, показателей производительности и экономической эффективности типоразмерного ряда ВЭУ. При оценке потенциала малой гидроэнергетики общепринятые методы определения валовых и технических ресурсов дополнены уточняющими оценками технического потенциала, типизацией условий по категориям и участкам рек, определением ориентировочных водноэнерге-тических параметров малых ГЭС и характеристикой их сравнительной экономической эффективности. Предложенные методики позволяют получить характеристику пространственного распределения и интенсивности располагаемых ресурсов, технических возможностей и экономической эффективности использования ветро- и малой гидроэнергетики в регионе.

5. Проведены исследования потенциала ветроэнергетики Европейского Северо-Востока (Республики Коми и Ненецкого АО Архангельской области) и малой гидроэнергетики Республики Коми, в рамках которых впервые получена наиболее полная и детализированная в территориальном разрезе оценка располагаемых ресурсов и практических возможностей их использования. Представленные результаты формируют необходимую информационную основу планирования рационального использования возобновляемых • ветро- и гидроэнергетических ресурсов Оля энергоснабжения сельских потребителей региона.

Основные публикации по теме диссертации'.

1. Чайка JI.В. Использование малой гидро- и ветроэнергетики в системе энергоснабжения Коми ССР. - Сыктывкар, 1992. - 20 е.- (Сер.препринтов «Науч. рек. - нар. хоз-ву»/УрО РАН, Коми научный центр; Вып.99) - 0,8 п.л.

2. Калинина A.A., Колобов Ю.Я., Чайка Л.В. Совершенствование управления региональными системами энергоснабжения при переходе к рыночной экономике. // Энергетик. -1993. -№ 2- С.4-6. - авторских 0,1 гг.л.

3. Калинина A.A., Чайка Л.В. Повышение эффективности сельской энергетики Республики Коми при переходе к рыночной экономике // Проблемы энергоснабжения Европейского Северо-Востока России,- Сыктывкар, 1993.-С.60-69. (Труды Коми научного центра УрО РАН; №128) - авторских 0,2 п.л.

4. Чайка Л.В. Эффективность использования электроэнергии для теплоснабжения потребителей сельских районов Республики Коми // Проблемы энергоснабжения Европейского Северо-Востока России.- Сыктывкар, 1993.-С.70-76 (Труды Коми научного центра УрО РАН; №128) - 0,3 п.л.

5. Манов H.A., Калинина A.A., Чайка Л.В. Направления развития энерге-'тики заполярных районов Архангельской области и Республики Коми.

Научно-аналитической конференция «Тимано-Печорская нефтегазоностная провинция: стратегия освоения новых месторождений в условиях рыночной экономики» «Направления развития энергетики заполярных районов Архангельской области и Республики Коми» (12-15 дек. 1994г., г.Усинск). -Усинск,1994. -18 с. - авторских 0,5 п.л.

6. Чайка Л.В. Проблемы развития малой энергетики в Республике Коми //Формирование рыночных отношений в энергетике. - Сыктывкар, 1994. -С.164-173. -0,6 п.л.

7. Децентрализация производства энергии / Калинина A.A., Колобов Ю.И., Кукреш Л.Я. и др.// Энергетическая стратегия Республики Коми (основные направления развития систем электро-, тепло- и топливоснабжения) - Сыктывкар, 1996,- раздел 3.3. - С. 68-96. - авторских 0,8 п.л.

8. Чайка Л.В. Методические основы планирования и направления развития систем локального энергоснабжения сельских потребителей // Новая региональпая энергетическая политика. - Сыктывкар, 1997. - С. 146-154. - 0,5 п.л.

9. Кулагина Е.Л., Успенская И.Г., Чайка Л.В. Методические положения и модельно-программное обеспечение для оптимизации структуры территориальных систем энергоснабжения //Региональные энергетические исследования: 1953-1998 годы. - Сыктывкар, 1999 - С.104-113. - авторских 0,2 п.л.