Методология и практика исследования проблем энергетической безопасности России с выделением роли газовой отрасли (стр. 2 )

На основании знаний о современных и перспективных потребностях в энергоресурсах, о существующем состоянии и перспективах развития ТЭК, а также о имеющейся сегодня и возможной в перспективе степени реализации угроз ЭБ, в главе формулируется постановка исследований: разработать методологию выбора направленности мер, инвариантных к различным возможным возмущениям (в экономике и энергетике), для достижения и поддержания требуемого уровня энергетической безопасности страны (региона). Для этого необходимо создать научно-методическую базу позволяющую исследовать варианты развития ТЭК страны и регионов с позиций обеспечения требований энергетической безопасности и на этой основе формировать направления повышения уровня энергетической безопасности.

Вопросам систематизации и идентификации существующих и формирующихся угроз энергетической безопасности и анализу возможных масштабов их проявления посвящена вторая глава. При этом внимание уделено выделенным в более ранних работах с непосредственным участием автора текущим угрозам энергетической безопасности (экономическим, социально-политическим, внешнеполитическим и внешнеэкономическим, техногенным, природным, управленческо - правовым), но особо выделены стратегические угрозы системного характера, чреватые долговременным и масштабным сдерживанием темпов развития национальной экономики в силу возможного проявления значительных дефицитов ТЭР у потребителей страны в период до 2020 – 2030 гг. (рис. 2).

Суть стратегических угроз ЭБ приведена ниже.

Дефицит инвестиций. В последние 10-15 лет инвестиции использовались преимущественно для простого воспроизводства в отраслях ТЭК, поддержания достигнутого уровня добычи топлива и производства преобразованных ТЭР.

Результат – накопление доли изношенного оборудования, некомпенсируемое выбытие производственных фондов, снижение технического уровня и экономической эффективности энергетики.

Согласно ЭС-2020 для умеренного варианта развития ТЭК России в 2011–2020 гг. необходимо инвестиций около 40 млрд. долл./год, в последние годы капиталовложения в ТЭК не превышали $20-25 млрд/год, при этом, половина из них вкладывалась в нефтяную отрасль.

Низкие темпы снижения удельной энергоемкости экономики – фактор напряжения энергетического баланса.

На основании комплексного анализа ситуации можно предположить пределы снижения энергоемкости до 2020 г. на 30-35 % (1,75–2,15 % в среднем за год).

Рис. 2. Стратегические угрозы энергетической безопасности России
и их взаимосвязи

Низкие темпы преодоления ценовых перекосов между газом и углем. Доля газа в балансе КПТ европейских районов России чрезвычайно велика. Трудности замены газа углем усугубляются существующим перекосом в ценовых соотношениях на ТЭР в России в последние годы. Результат - "деформация структуры спроса с чрезмерной ориентацией на газ и снижением конкурентоспособности угля" [ЭС - 2020].

Основные препятствия для устранения перекоса:

-  слабая конкурентоспособность отечественной продукции даже при нынешних сравнительно низких ценах на газ;

-  низкая платежеспособность населения, бюджетной сферы и значительной части бизнеса.

Трудности с широкомасштабной переброской избыточных ТЭР из Сибири в европейскую часть России. Прежде всего эти трудности касаются угля и электроэнергии.

Низкие темпы обновления ОПФ в отраслях ТЭК. ОПФ ТЭК России значительно изношены. Для замены изношенного электрогенерирующего оборудования необходим ежегодный ввод 5-6 ГВт, фактически же в последние годы вводится в среднем по 1,2 ГВт. Согласно ЭС-2020 в гг. коэффициент обновления в электроэнергетике должен составить 3-5 % в год. Сегодняшняя ситуация с инвестициями в ТЭК в целом, в особенности с вложениями в электроэнергетику, заставляет усомниться в реальности столь резкого перехода. Та же ситуация в газовой отрасли.

Отставание освоения сырьевой базы углеводородов. Основное требование: прирост запасов должен быть выше уровня годовой добычи на величину потенциально неизвлекаемого ресурса (т. е. необходимо учитывать коэффициент извлечения). В то же время основные приросты запасов углеводородов получены на открытых ранее месторождениях. В новых районах и на шельфе геологоразведочные работы проводятся в недостаточном объеме. Ситуация в газовой отрасли представлена на рис. 3.

Рис. 3. Добыча и прирост промышленных запасов газа

Важнейшая составляющая рассматриваемой угрозы – несвоевременный выход на газовые ресурсы Ямала и шельфа северных морей. Следствие этого – неминуемый дефицит по первичным ТЭР в стране. Чем позже будет выход в новые районы газодобычи, тем больше будут дефициты.

Доминирующая роль природного газа в топливно-энергетических балансах регионов европейской части России, определяющая высокую зависимость экономики и населения указанных регионов от надежности поставок газа, добываемого на значительном удалении от потребителей.

Систематизация угроз ЭБ – лишь исходный пункт их выявления и анализа. Следующая важнейшая задача - идентификация фактических и ожидаемых угроз, то есть установление, где, когда, каким образом и в каком масштабе проявляются или будут проявляться эти угрозы. Количественно эта информация может отображаться системой индикаторов важнейших с позиций ЭБ моментов развития и функционирования систем энергоснабжения и энергопотребления, то есть системой индикаторов ЭБ. Сравнение фактических или ожидаемых значений этих индикаторов с предельно допустимыми (пороговыми) значениями представляет в совокупности, информационную базу для обоснования решений по обеспечению ЭБ. В этом состоят смысл и суть мониторинга и индикативного анализа ЭБ.

С тем, чтобы на рассматриваемую перспективу оценивать последствия возможной реализации угроз ЭБ необходимо уметь моделировать работу, как отдельных систем энергетики, так и ТЭК в целом с позиций анализа возможностей топливо - и энергоснабжения потребителей в различных условиях функционирования энергетики.

В третьей главе рассмотрены особенности моделирования ТЭК и отраслевых систем энергетики при исследовании проблем обеспечения энергетической безопасности страны и регионов и вопросы разработки специальной двухуровневой технологии исследований. При этом, верхний уровень представляет модель оптимизации территориально-производственной структуры ТЭК с позиций требований ЭБ, которая включает блок оценки текущего состояния ТЭК в нормальных и критических ситуациях. Данная модель представляет собой классическую задачу линейного программирования и базируется на территориально-производственной модели ТЭК с блоками электроэнергетики, тепло-, газо - и углеснабжения, а также нефтепереработки – мазутоснабжения.

Формализованно ограничения указанной выше оптимизационной задачи записываются в виде системы линейных уравнений и неравенств:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

где t - категории потребителей; h - категории запасов; х - искомый вектор, компоненты которого характеризуют интенсивность использования технологических способов функционирования энергетических объектов (добычи, переработки, преобразования и транспорта энергоресурсов); Yt - искомый вектор, компоненты которого характеризуют объемы потребления отдельных видов топлива и энергии отдельными категориями потребителей (t); Shk - искомый вектор, компоненты которого характеризуют объемы запасов топлива выделенной категории (h) на конец рассматриваемого периода; Sн - заданный вектор, компоненты которого равны исходным уровням запасов энергоресурсов; А - матрица технологических коэффициентов производства (добычи, переработки, преобразования) и транспорта отдельных видов топлива и энергии (затраты - выпуск); D - вектор, определяющий технически возможные интенсивности использования отдельных технологических и производственных способов; Rt - вектор с компонентами, равными объемам заданного потребления отдельных видов топлива и энергии отдельными категориями потребителей; Sh - вектор, компоненты которого отражают нормативный объем запасов категории h; S - вектор с компонентами, равными объемам хранилищ (складов) данного энергоресурса.

Целевая функция при этом имеет следующий вид:

(6)

Первая составляющая целевой функции отражает издержки, связанные с функционированием отраслей ТЭК. Здесь С - вектор удельных затрат по отдельным технологическим способам функционирования действующих, реконструируемых или модернизируемых, а также вновь сооружаемых энергетических объектов. Вторая составляющая - ущербы от дефицита по каждому виду топлива и энергии у каждой из выделенных категорий потребителей. Величины дефицита энергоресурсов () у потребителей категории t соответствуют разности (Rt - Уt). Величина ненакопления запасов энергоресурсов соответствует разности . Вектора rt и qh состоят из компонент, названных с определенной условностью “удельными ущербами”. Третья составляющая аналогична второй и соответствует ущербам от ненакопления запасов.

Нижний уровень иерархии представляют отраслевые потоковые модели для оценки возможностей систем энергетики по удовлетворению потребителей соответствующими энергоресурсами, как в нормальных условиях функционирования, так и в условиях чрезвычайных ситуаций в тех объемах, что определены на верхнем уровне иерархии. В работе эти модели представлены на примере моделей больших трубопроводных систем – Единой системы газоснабжения (ЕСГ) Единой системы нефтеснабжения (ЕСН). Обе модели представлены в виде сетей, в узлах которых находятся предприятия по добыче, преобразованию и потреблению материальных потоков, реализующих материальные связи между предприятиями.

При решении задачи оценки состояния системы после возмущения критерием оптимальности распределения потоков служит минимум дефицита энергоресурса у потребителя при минимальных затратах на доставку энергоносителя потребителям, т. е. модель можно формализовать как задачу о максимальном потоке. Схема-граф, имитирующий систему дополняется двумя фиктивными узлами: O - суммарный источник, S - суммарный сток и соответствующими дугами. Математическая запись поставленной задачи имеет следующий вид:

max (7)

при условиях, что

(8)

, для всех (i, j) (9)

Здесь - подмножество «входящих» в узел j дуг; - подмножество «выходящих» дуг из узла j; - величина суммарного потока по сети; - поток по дуге (i, j); - ограничения на поток по дуге (i, j).

Задача (7)-(9) имеет не единственное решение, поэтому следующим шагом решается задача о максимальном потоке минимальной стоимости:

(10)

где Сij - цена или удельные затраты на транспорт энергоресурса.

В условиях негативного возмущения на работу системы и дефицита энергоресурса у потребителя максимальный поток f из задачи (7)-(10) должен быть увеличен на величину суммарного дефицита ресурса у потребителей. В определенных рамках это позволяют сделать технологические особенности системы. Задача о поиске «узких» мест системы и величине необходимого увеличения их производственных возможностей записана ниже:

(11)

при условиях

(12)

(13)

(14)

(15)

где -величина суммарного дефицита ресурса у потребителя; - ограничение на поток по дуге (i, j);. - приращение потока по дуге (i, j); - приращение потока по дуге (i, j) до ; - приращение пропускной способности (i, j) свыше ; – ограничение на приращение пропускной способности по дуге (i, j) свыше ; - цена или удельные затраты на транспорт энергоресурса по дуге (i, j) в пределах ; - цена или удельные затраты на транспорт энергоресурса по приращению; - подмножество "входящих" в узел j дуг; - подмножество "выходящих" дуг из узла j; O - суммарный источник; S - суммарный сток; - значение потока по дуге (i, j), полученное при решении задачи нахождения максимального потока минимальной стоимости.

Разработанная двухуровневая технология создает базу для исследования проблем энергетической безопасности при различных вариантах развития энергетики. Для оценки состояния энергетической безопасности страны и регионов на различных временных срезах были выделены конкретные индикаторы по основным группам объектов возможного и необходимого мониторинга ЭБ, как на уровне регионов, так и по стране в целом, среди которых экспертно выделены важнейшие.

Четвертая глава посвящена вопросам выделения индикаторов ЭБ, обоснованию их пороговых значений и качественной оценке состояния.

Состояние того или иного индикатора в зависимости от расположения его фактического или ожидаемого значения на шкале состояний, можно оценить следующим образом:

(17)

где, n – количество оцениваемых индикаторов; Si – фактическое (ожидаемое) значение i-го индикатора; - значения предкризисного и кризисного пороговых значений i-го индикатора; - качественная оценка состояния индикатора: нормальное, предкризисное и кризисное соответственно.

Для получения комплексной оценки уровня ЭБ при том или ином состоянии или сценарии развития экономики и энергетики разработан механизм свертки значений индикаторов напрямую или косвенно определяющих указанный уровень. При этом важным шагом является определение значимости конкретного (i-го) индикатора в общей шкале индикаторов или выяснение его «удельного веса» в общей системе ценности индикаторов. Удельный вес конкретного индикатора в общей сумме «весов» может быть определен следующим образом:

(18)

где Vi – удельный вес i-го индикатора в системе оцениваемых индикаторов; - условная значимость i-го индикатора в сравнении с j-м индикатором.

При этом, условная значимость есть усредненное значение мнений экспертов по поводу относительной значимости i-го индикатора перед j-м.

Качественная интегральная оценка общего состояния ЭБ в стране или в регионе по индикаторам может быть получена следующим образом:

(19)

где – интегральная оценка качественного состояния энергетической безопасности по индикативной оценке; - удельный вес i-го индикатора, находящегося в области нормальных и кризисных значений, соответственно; - коэффициенты, характеризующие уровень достижения нормального или кризисного состояния, соответственно.

При применении двухуровневой технологии исследований очень важно уметь формировать перспективный уровень ЭБ страны или региона на основе модельных исследований. Уровень кризисности модельного решения (состояние энергетической безопасности на основе исследований на моделях) можно оценивать в зависимости от отношения стоимости выхода из дефицитного решения к стоимости первоначального решения при данном варианте развития энергетики. Принцип оценки этого состояния следующий:

(20)

где Qm – интегральная оценка качественного состояния энергетической безопасности на основе модельно оцениваемых значений индикаторов и их взаимосвязей; – соответственно стоимость первоначального решения с возможными дефицитами энергоресурсов у потребителей (при учете существующих или предполагаемых тенденций изменения во времени численных значений основных индикаторов ЭБ) и стоимость "бездефицитного" решения (с реализацией мероприятий по выходу из дефицитного состояния); – соответственно предкризисное и кризисное пороговые значения отношения стоимости преодоления дефицита энергоресурсов к стоимости первоначального (дефицитного) решения.

В целом, интегральная оценка уровня энергетической безопасности по обеим составляющим должна определяться согласно следующей логике. Когда состояние одной из двух составляющих интегральной оценки ЭБ попадает в предкризисную область, а состояние другой составляющей пребывает в области нормальных значений, налицо – переход в предкризисную область состояния ЭБ; в случае же, когда состояние хотя бы одной составляющей становится кризисным, можно говорить о кризисности интегральной оценки ЭБ в целом.

В результате можно говорить о состоянии энергетической безопасности при том или ином состоянии энергетики страны или отдельного региона и направленности действий по нормализации ситуации в этой области. В то же время имеется значительное количество потенциальных вариантов, по которым может развиваться энергетика государства. В процессе реализации эти варианты могут корректироваться и изменяться иногда существенным образом. Учесть требования ЭБ во множестве таких вариантов на рассматриваемую перспективу возможно при выполнении следующих шагов:

-  формирование и анализ всех логически возможных вариантов развития энергетики государства;

-  оценка и выбор вариантов удовлетворяющих требованиям ЭБ;

-  определение наиболее рациональной с позиций ЭБ траектории развития ТЭК и формирование направленности действий по корректировке вариантов развития ТЭК с позиций ЭБ.

Решению этих вопросов посвящена пятая глава работы.

Формирование множества всех логически возможных сценариев развития энергетики государства возможно благодаря применению методов комбинаторного моделирования. При этом, структура ТЭК разбивается на несколько составляющих частей, например, по территориальному признаку. Для каждой части экспертами строится свой граф развития энергетики по опорным годам. Затем путем комбинирования различных состояний частей ТЭК, принадлежащих одному временному разрезу, получается набор состояний ТЭК для определенного момента времени. Полученные состояния ТЭК соответствуют узлам графа развития ТЭК, которые затем связываются между собой дугами-переходами. Это позволяет сопоставлять отдельные варианты по различным критериям с целью выбора из них наиболее подходящих и на этой базе выявлять рациональные с позиций обеспечения ЭБ траектории развития ТЭК.

Результат – возможность формирования направлений корректировки предлагаемых различными институтами решений по развитию энергетики страны, с позиций обеспечения требований энергетической безопасности.

В результате комбинирования различных состояний энергетики в каждой из территориальных зон может быть получен граф развития ТЭК страны в целом.

Оценивая стоимость каждого из возможных вариантов развития энергетики страны, из полного графа можно выделить рациональную (с точки зрения минимизации затрат и возможного дефицита энергоресурсов у потребителей) траекторию. Необязательно, что полученная "рациональная" с позиций энергетической безопасности траектория будет по настоящему рациональной для развития энергетики государства. Просто для всех просмотренных условий остальные пути развития будут либо дороже, либо хуже с позиций обеспечения энергетической безопасности в отдельных аспектах. Возможно, что лежащие рядом с "рациональной" траектории развития интересней с позиций государства и его будущей экономики. Но в том и суть (и в этом состоит заключительный этап предложенного выше алгоритма) – выработать как можно больше субрациональных с позиций энергетической безопасности траекторий развития ТЭК и на этой базе сформировать общие для всех выбранных стратегий направления корректировки предлагаемых решений по развитию энергетики страны, с позиций обеспечения требований энергетической безопасности.

Для того чтобы на практике применить наработанные методические подходы в работе сформирована информационная база по каждой из энергетических отраслей. При этом, численные характеристики развития энергетических отраслей до 2020 г. базируются как на ориентирах Энергетической стратегии России до 2020 г. и ее научного обоснования, так и на результатах исследований с участием автора в области обеспечения перспективной ЭБ страны и регионов.

Характеристики внутреннего производства и потребления ТЭР данной информационной базы представлены в табл. 2, 3. Кроме того, в информационной базе работе присутствуют характеристики фактического и ожидаемого экспорта и импорта ТЭР.

Таблица 2

Фактическое (2005 г.) и возможное в перспективе до 2020 г.
производство отдельных видов ТЭР в стране

Источник	Год
2005	2010	2015	2020
1	2	3	4	5
Электроэнергия, млрд кВтч
Всего, в т. ч.	948,1	980 – 1070	1040 – 1200	1120 – 1370
АЭС	149,1	170 – 190	190 – 260	220 – 300
ГЭС	174,6	175 – 190	190 – 200	200 – 220
ТЭЦ	344,4	350 – 367	360 – 390	375 – 435
КЭС	280,0	290 – 325	300 – 350	325 – 415
Уголь, млн т
Всего	298,3	340 – 360	380 – 430	400 – 500
Газ, млрд м3
Всего	635,9	575 – 640	580 – 660	500 – 680
Топочный мазут, млн т
Всего	55	45	35	30
Централизованное тепло, млн Гкал
Всего, в т. ч.	1422	1	1	1
ТЭЦ	665
Котельные	679

Окончание табл. 2