2.1.1. Критерии эколого-экономической эффективности энергетических технологий

При оценке эколого-экономической эффективности деятельности предприятий любых отраслей народного хозяйства рассчитывается показатель рентабельности [30]:

где Р0$щ - общая рентабельность предприятия; 77Анализируя показатели, входящие в формулу (1), можно отметить следующее: 1) если сравнивать традиционные и нетрадиционные энерготехнологии, то для первых величина экологического ущерба У будет всегда со знаком «минус», а для вторых (нетрадиционных) в большинстве случаев, экологический ущерб предотвращается, т.е.

При сравнении различных энерготехнологий одного показателя рентабельности недостаточно. Как чисто материально можно оценить смертность или генетические последствия? Кроме того, в энергетике используется много специфических показателей. Поэтому эколого-экономическую эффективность как критерий выбора различных энерго-технологий, на наш взгляд, следует оценивать с использованием более широкого круга показателей.

Для определения «устойчивости» энерготехнологии можно использовать три показателя: 1) экологичность — отсутствие или минимизация вреда окружающей среде, биосфере; 2) экономичность — величину рентабельности, удельные стоимости мощности и энергии, экономический эффект от замещения (или сбережения) топлива; 3) эффективность -коэффициент полезного действия, надёжность, стабильность, доступность, технологичность, качество энергоснабжения, материалоёмкость.

Критерий эколого-экономической эффективности можно представить в виде [31 ]

Еэ — Э] Э2 Э

(2)

где Э{, Э2, Эз - показатели экологичности, экономичности и эффективности соответственно. Критерий и все показатели должны быть максимизированы.

Названные показатели, с той или иной точностью, необходимо определить количественно. Наиболее сложно это выполнить для показателя «экологичность».

А. Определение показателя «экологичность»

Экологичность можно представить в виде степени экологической безопасности исследуемой энерготехнологии:

(3)

где Эб, Эа6 — экологическая и абсолютная экологическая безопасность соответственно.

Абсолютная экологическая безопасность (практически недостижимая величина) может быть принята за единицу.

X =1/Эб = РНВ + АВ + ПНВ, (4)

где РНВ - регулярно наносимый вред окружающей среде; АВ - вред вследствие аварий; ПНВ - величина отдалённых последствий от наносимого вреда.

Величины экологического вреда можно представить на шкале (рис. 4) от 1 до со. Деление 1 на шкале означает «абсолютно безвредно», отметка «оо» соответствует опасности уничтожения всего живого на планете. Каждое деление на шкале определяет степень наносимого экологического вреда. Степень экологического вреда зависит от таких факторов, как 1) величина угрозы для здоровья человека: а) слабая; б)средняя; в) высокая; 2) угроза для жизни поколений - воздействие на генетический аппарат: а) слабое; б) среднее; в) сильное; 3) дистанция, территория вредного воздействия, численность населения, попадающего под воздействие одного объекта; 4) регулярность и длительность воздействия (время воздействия за год); 5) нанесение вреда экосистеме и др. Названные факторы (частично или полностью) могут быть определены из статистических данных или в виде экспертных оценок. Например, известно, что для ТЭС, работающих на газе, нормализованный выброс в атмосферу в -10 раз меньше, чем для ТЭС той же мощности, использующих уголь [17]. Следовательно, молено прогнозировать, что составляющие вреда от газовых ТЭС будут приблизительно в 10 раз меньше, чем от ТЭС угольных. Наибольшую опасность представляют

АЭС: как по регулярному вредному воздействию и потенциальной опасности аварий, так и по «отсроченному» вреду для будущих поколений. В результате только одной Чернобыльской аварии радиоактивное облако распространилось в радиусе до 1 500 км, т.е. накрыв территории с населением в несколько десятков миллионов человек. Все эти территории до сих пор загрязнены (в той или иной степени) цезием-137.

Для угольных ТЭС вероятностная численность заболеваемости — десятки тысяч человек на одну ЭС[9], для газовых ТЭС - тысячи человек. Материальный ущерб на одну ЭС: для угольных ТЭС - единицы миллионов долларов (~1 дол./кВт) [9] без учета величины экологического налога (около 10 дол./т выброса окислов углерода[18]). Если оценить экологический вред, наносимый нетрадиционными энерготехнологиями, то на первом месте среди них - ГеоТЭС с прямым сбросом термальной воды в водоёмы (при высокой минерализации сбрасываемой воды), а затем следуют ветровые электростанции (ВЭС), для которых степень и радиус воздействия увеличивается с мощностью: десятки и сотни метров - для малых ВЭС (единицы кВт), сотни и тысячи метров для ВЭС большей мощности. Шкалу вероятного экологического вреда, наносимого различными энерготехнологиями, можно представить в виде:

Рис. 4. Шкала вероятного экологического вреда, наносимого различными

энерготсхнологиями (шкала Эв)

Степень вероятного экологического вреда можно представить в виде матрицы экологической безопасности энерготехнологий (рис. 5), по-зволяющей отразить значительно большее число различных ЭС. На рис. 5 обозначено (см. описание каждой из приведённых ЭС в следующих разделах гл.2, а таюке в работах [15, 119]): МГЭС — малые ГЭС, ГеоТВЭС - геотермальные термовоздушные ЭС, СТВЭС - солнечные термовоздушные ЭС, ГеоЭС (БЦ) — геотермальные электростанции с бинарным циклом, ВВЭУ - вихревые ветроэнергетические установки (ВУ закрытого типа ~ в корпусе), СЭС - солнечные электростанции термодинамического типа, ФЭС - фотоэлектрические ЭС, ГЭС - гидроэлектростанции (равнинные), ВЭС - традиционные ветровые ЭС (гори-зонтально-осевые), ДЭС - дизельные ЭС, АБ - аккумуляторные источники энергии (батареи).

Из матрицы (как и из приведённой шкалы) следует, что особую опасность представляют АЭС и ТЭС, работающие на угле.

Ранее было определено, что экологическая безопасность, или эко-логичность (Э[), обратно пропорциональна экологическому вреду. Поэтому, пользуясь шкалой вероятного экологического вреда и матрицей экологической безопасности, можно ориентировочно определить величину (порядок) экологичности Э- для каждой энерготехнологии. Например, получим: АЭС - Э|<10~*; ТЭС (на угле) - Э-<10"^; ТЭС (на газе) -1СГ*< 3i<10"3; ВЭС (мегаваттного класса) - 3i~10~3; ВЭС (малой мощности) lO"2Oi<10_1; ГЭС - 3i~0,l. Экологичность нетрадиционных энерготехнологий (кроме ГеоТЭС со сбросом воды в окружающую среду, традиционных ВЭС, ФЭС (с АБ) и биогазовых установок) имеют экологичность выше 0,1.

где 3% — суммарные, приведенные во времени, затраты за срок службы ЭС, которые можно определить в виде

3Е = Зс + Зэ+ Зт+ Зтр + Зт + Зд + У * (6)

Здесь Зс, Зэ, Зт, Зтр, Зт, 3d — приведенные затраты на строительство ЭС, ее эксплуатацию в течение срока службы, топливо, транспорт, линии электропередачи и дополнительные затраты (на вспомогательные сооружения и мероприятия) соответственно; ys — приведенные суммарные затраты на компенсацию экологического ущерба; Цзт - цена замещаемого топлива (в р./т у .т. или дол./т у .т.); Q3IH - количество замещаемого топлива (в т у.т.).

Количество замещаемого топлива может быть определено не только при освоении альтернативных преобразователей энергии, но и при эксплуатации традиционных энергоустановок, если при этом топливо экономится за счет энергосбережения, более совершенной технологии и т.д. Величина Эт = Цзт • Q3M, определяющая экономический эффект от замещения (или сбережения) топлива, - важный показатель, который в отдельных случаях может выступать как самостоятельный параметр при сравнении разных технологий и определении экономического эффекта от использования потенциала НВИЭ.

При сравнении ЭС или энергоустановок (ЭУ) различных видов необходимо соблюдение условия сопоставимости, т.е. равенства установленных мощностей сравниваемых вариантов.

Для «идеальной» альтернативной ЭУ (ЭС) должны соблюдаться условия

Yz ~ 0, Зта ~ 0, Зтра ~ 0, Зса < Зет, Зэа < Зэт, Злпа < Злпт, Зда < Здт,

(7)

где индексы ант означают альтернативную и традиционную технологии соответственно.

Разница в затратах на альтернативную и традиционную энерготехнологии при нормируемых условиях определяется по формуле

[(3Ст — Зсц) + (Зэт - Зэа) + (Злпт — Зта) + (Здт ~ Зда)] ~ 0. (8)

Это условие можно также записать в виде

АЗт = 3Ет - 3ZA - Зт +Зтр +УГ. (9)

Условие (8) описывает возможность компенсации затрат, например, на строительство, путем снижения затрат эксплуатационных, дополнительных и на линии электропередачи. Из выражения (9) следует, что при прочих равных затратах, затраты на традиционную ЭУ больше, чем на альтернативную ЭУ, на величину суммы затрат на топливо, транспорт и экологический ущерб.

Повышение экономической эффективности альтернативной энерготехнологии связано прежде всего со снижением затрат на строительство ЭУ. Затраты на линии электропередачи для альтернативных электростанций, как правило, меньше, так как существует возможность максимального приближения их к потребителю. Эксплуатационные затраты для альтернативных ЭУ также снижены, благодаря существенному уменьшению требуемого штата персонала: отпадает необходимость в обслуживании топливно-загрузочных и прочих операций, связанных с использованием топлива, повышается уровень автоматизации управления технологическим процессом.

Что касается дополнительных затрат, то для ряда альтернативных энерготехнологий они могут превышать аналогичного рода затраты для традиционных. Величина этих затрат связана с; 1) временем работы альтернативной ЭС в году без аккумулирующих устройств; 2) необхо-димостью дополнительного преобразования или доведения до более высокого уровня качества энергии; 3) требованием защиты от воздействия факторов внешней среды и от вредных воздействий, создаваемых самой ЭС (например, от электромагнитных помех); 4) сроком службы аккумулирующих устройств; 5) необходимостью обслуживания аккумулирующих и преобразующих устройств; 6) географическим местом использования (для зависимых от погоды технологий) и др.

Именно дополнительные затраты чаще всего являются определяющими при анализе экономичности альтернативной ЭС. Следует отметить, что от времени работы альтернативной энергоустановки (АЭУ) в году напрямую зависит количество замещённого условного топлива. Идеальная АЭУ экономит в год около 1 т условного топлива на каждый киловатт установленной мощности. Если, к примеру, для традиционных ВЭС экономия топлива составляет ~0,5 т у.т./кВт в год, то условие экономичности для ВЭС по дополнительным затратам будет состоять в том, что эти затраты не должны превышать стоимость топлива, которое не удалось заместить (~0,5 т у.т,/кВт-ТЧу, где Ny - установленная мощность ВЭС в кВт), плюс затраты на транспорт этого топлива и связанные с ним эксплуатационные расходы.

Для некоторых видов АЭУ дополнительные затраты могут компен-сироваться за счет дополнительной прибыли, получаемой не от продажи электроэнергии, а от других видов использования территории и конструкции АЭУ (например, агротеплицы в СТВЭС и ВВЭУ; см. далее).

С учетом сказанного, выражение (9) следует записать в виде

где Ny ~ установленная мощность ЭУ (ЭС); Тэ — нормативный срок эксплуатации ЭУ (г) — в годах и часах (ч) соответственно; / — номер года; Тэ(ч) = 8 760 Тэ(г) Кэт\ К0 = Np/ Ny-~ коэффициент эффективности; Np - 1 рабочая мощность ЭУ; Кэт = 7^/8760 ; Тосг — время работы ЭУ в году.

Для идеальной альтернативной ЭС должно всегда соблюдаться ус- -ловие (индексы ант- альтернативная и традиционная ЭС соответст-

венно):

т.е. величины удельной стоимости мощности и энергии для альтернативной ЭС должны быть не выше, чем для традиционной ЭС. Величина С2 - более важный показатель экономичности ЭС, так как оценивает стоимость товара - энергии.

Как видно из условия (7), сравнение традиционных и альтернативных ЭС по критерию чистых затрат не является решающим. Поэтому вместо используемой в литературе величины стоимости «установленного киловатта», т.е. отношения Я/А^, может быть использована величина стоимости «эксплуатационного киловатта», т.е. величина, определённая с учётом всех затрат, связанных с выработкой мощности, в том числе с учётом наносимого экологического ущерба. Стоимость «эксплуатационного киловатта» традиционных ЭС с учетом срока службы ЭС ~30 лет будет в ~1,5 раза больше указанных в справочниках величин стоимости «установленного киловатта». В пределах нетрадиционных энерготехнологий сравнение по «установленному киловатту» также не совсем корректно: как было уже отмечено, при этом не учитываются дополнительные затраты, которые могут перекрыть все преимущества ЭС.

Те же замечания относятся и к оценке энерготехнологий по величине С2: реальная ее величина для традиционных технологий всегда на несколько процентов выше справочных величин и имеет тенденцию к росту (с учетом всех затрат за срок службы).

Здесь просматривается противоречие, возникающее в связи с тем, что, как правило, инвесторы проектов электростанций не являются впо-следствии эксплуатирующими организациями, и для них (инвесторов) при оценке проекта важен в первую очередь показатель капитальных вложений в строительство. В то же время, для эксплуатирующих орга-низаций (как и для отрасли в целом) более важна другая часть ежегодных затрат (см. формулу (6)), которая может даже превысить стоимость строительства.

Для отношения реальной удельной стоимости 1 кВт («эксплуатационной стоимости киловатта») С] и стоимости «установленного киловатта» Cic из формул (11) и (6) имеем затраты на компенсацию экологического ущерба, с затратами на строительство.

Средние годовые затраты можно выразить из (12):

Принимая во внимание, что Тэ(ч) = Тэ(г) * Тэсг, получим

ЗгсргСгМрТэсг- С16)

Отсюда величина С|Ср(Г) примет вид:

Cicp(s)- )~Сг'Тзсг- О7)

Np

Одним из важнейших показателей экономической эффективности служит срок окупаемости затрат (инвестиций) на строительство ЭС:

°к Щгус, ('-") "<Цт ~С2 )Ny К3 Тг(ч) (1-п) ",l

где Пфср - средняя годовая прибыль; Цт - тариф на энергию; п - величина налоговой ставки; Тн — период времени на НИОКР, подготовку и осуществление строительства.

j

Из (18) получаем величину С-с:

С!с= = Тг(ч)Кэ(Т0К-Ти)(Цт-С2)(1-п). (19)

Ny

Следует отметить, что для традиционной энергетики тариф на энергию растет непрерывно, а срок окупаемости при этом снижается, в связи с чем при определении Ток по формуле (18) необходимо это учитывать, интегрируя по годам.

Из формул (5) и (12) имеем величину экологичности 3z'.

Ц Q Ц Q

п _ " зт зт „ ^ -g-- (20)

2" CiNvK3 ~ С2Тэ(ч)ЫуКэ

В. Определение параметра «эффективность»

Под эффективностью ЭУ (ЭС) можно понимать совокупность параметров, влияющих на соотношение величин вырабатываемой энергии и необходимых затрат. При анализе эффективности энерготехнологий обычно рассматриваются величины: коэффициент полезного действия (к.п.д.); время работы за год (в зависимости от погодных условий, нагрузки и т.д.); территория, занимаемая ЭУ; материалоемкость (технологичность) ЭС; надежность ЭУ (по числу отказов в год); качество энергии (соответствие стандартам). Определим коэффициент интегральной эффективности ЭУ в виде

где п0 — Ny/N3amp - коэффициент полезного действия (к.п.д.) ЭУ; N3amp — затраченная мощность; Кэт = Тэф/Тг - коэффициент времени действия ЭУ в году; Тэф) - время работы ЭУ в году; Ка = Аопп/Аос - коэффициент оптимизации занимаемой ЭУ территории; Аопт Аэс - оптимальная и реальная площадь территория ЭУ соответственно; Км = Мопа/Мэс — коэффициент материалоемкости; Ма„т, Мэс — оптимальная и реальная мате-риалоемкость ЭС соответственно; К„ = потк опп/поткл ос — коэффициент надежности; поткопт, поткл эс - оптимальное и реальное число отказов в год ЭС; Кк = QJQ0»m - коэффициент качества энергии; Q3C, Qonm - реальное и оптимальное (нормируемое) качество энергии соответственно.

Абсолютную величину эффективности можно представить как количество энергии, отнесённое к затратам на её производство и умноженное на коэффициент интегральной эффективности:

Э3(а) -Кхэ^~ =- - — • (22)

Размерность Э3(а)- [кВт-ч/дол].

Относительная величина эффективности Э3 должна быть нормирована по отношению к идеальной. Эффективность «идеальной» энергоустановки

Э3(а) Кцэ ^2(ид)

Эз = о ¦ (23)

^з(ид) С2К2э(ид)

Величина Эфу может быть определена для каждого вида энергопреобразователей по лучшим реальным достижениям (или, исходя из расчетов). Например, определение используемых в формуле величин для «идеальной» геотермальной ЭС даёт значение: Kz(Ud) ~0,2; С2(г,д) -0,05 дол./кВт-ч. Тогда из (22) имеем: Эз(г) (ГеоЭС) = 4IQ/C2. Однако более целесообразно определить Эфд) для двух крупных групп преобразователей: 1) электрических - ЭффЛ и 2) тепловых - Эз(ид)тепл. При этом нормируется величина мощности 1 ООО кВт.

Для эталонной («идеальной») электростанции получим К^э -0,6; С2 = 0,02 дол./кВтч (на уровне современных лучших достижений) и Э3(гфД = 0,6/0,02=30 кВт -ч/дол. Для теплостанций имеем К%э -0,9, С2 = 0,004 дол./кВт-ч и Эфд)тепл = 0,9/0,004 = 225 кВт -ч/дол. Разумеется, величины Эфд) определены приблизительно, однако при оценках различных технологий главным образом важен порядок этих величин.

В итоге, подставляя в формулу (2) значения входящих в нее величин из формул (4), (17), (19) и (22), получим

? _ ^ ЦзтО-зт , -ТУЭХ _ Ц3mQ3mKoi: {2fy

3eCiNуКэ С2 ЭаС\C2NуКоЭз(ид)

Выражение (24) может служить критерием при определении эколо-го~экономической эффективности сравниваемых энерготехнологий, его можно представить в развёрнутом виде:

&эт К А Км Км Кк Цзт Q3m

Еэ^ п (25)

Э^Ь 1C2N'уКэЭз(ид)

где входящие величины определены ранее.

Величина показателя эколого-экономической эффективности Еэ -безразмерная, и в пределах определённой группы преобразователей энергии могут быть вычислены соответствующие её значения.

При анализе и выборе того или иного АПЭ, кроме эколого-экономической эффективности, необходимо учитывать географический, территориальный фактор преобладания потенциала конкретного вида возобновляемого источника энергии, доступность (экономичность, рентабельность) его использования на рассматриваемой территории. Так, например, несмотря на высокие показатели для малых ГЭС, удаленность большинства потенциальных источников (малых рек) от потребителей резко снижает их экономический потенциал. При анализе и выборе АПЭ следует руководствоваться известными картами, указывающими территориальное преобладание потенциала. Эко л о го-экономическая эффективность с учетом этого территориального фактора может быть определена из формулы:

Еэт — Е>з ' Коп, (26)

где Кэ„ = Рэп(г)/Р-м(1) - отношение экономического потенциала конкретного вида ресурса НВИЭ и суммарного экономического потенциала всех видов НВИЭ на данной территории.

Для каждого региона страны может быть рассчитана величина Еэт и определена эколого-экономическая целесообразность и приоритетность использования конкретного вида НВИЭ и конкретной энерготехнологии.