Данило Череватський
Мирослава Солдак
(Інститут економіки промисловості НАН України)
Ігор Вольчин
(Інститут теплоенергетичних технологій НАН України)
Володимир Палант (GreenCert Gmbh)
Українські електроенергетичні хаби континентального значення як можливість підвищення стійкості національної енергосистеми
Українська електроенергетика у передвоєнному 2021 р. виробила переважно атомними (54,4%) і тепловими (29,9%) електростанціями 158,4 ТВтˑгод продукції. Головними споживачами виявилися об’єкти промисловості (42%) і населення (31%). Внаслідок воєнних дій Україна лишилася 70% електрогенеруючого парку, саме його маневрової частини – великих теплових та гідроакумулюючих станцій. Незважаючи на зменшення попиту на електричні ресурси внаслідок руйнації багатьох об’єктів промисловості і комунально-побутового сектору, проблема забезпечення потреб в електриці зараз є як ніколи гострою.
Урядова стратегія розвитку розподіленої генерації на період до 2035 року (3,5-4 ГВт вже на начальному етапі) потребує великих інвестицій (понад 6 млрд дол.), часу (2-3 роки), обладнання, фахівців і містить високий ризик отримання фіаско.
Високі ризики кампанії обумовлює природа самої національної економіки, яка ще з радянських часів нагадує міфологічного Змія-Урабороса, ім’я якого означає «той, що пожирає свій хвіст» – електростанції потребували вугілля, вугільним шахтам було необхідно багато електрики, металу, який теж вироблявся з використанням вугілля… такий собі кругообіг вугілля в природі.
Закономірно, що за даними 2000-2021 рр. вироблення одиниці електрики в Україні із вірогідністю 0,95 супроводжувалося витратою 7,590±0,479 одиниць ПЕР[1] (рис. 1), тоді як, наприклад, в Італії (рис. 2) – 6,708±0,216, а у Франції – 5,218±0,141 одиниць.
Рисунок 1. Виробнича функція генерації електроенергії в енергетичному комплексі України
Рисунок 2. Виробнича функція генерації електроенергії в енергетичному комплексі Італії
Все сильно ускладнює зношеність виробничих фондів і низька якість палива/сировини. За даними того ж 2021 р. в розподільчих мережах було втрачено 29,3 ГВтˑгод, близько 19% всієї виробленої електрики.
Масовий розвиток сонячної та вітрової енергетики не здатен суттєво змінити картину, бо генерації на відновлювальних джерелах властивий ще менший показник EROI (Energy Return on Investment) – енергетичної рентабельності.
Отже, вітчизняний паливно-енергетичний комплекс за ефективністю кінцевого виробництва продукції суттєво програє енергетиці європейських країн. І це є виправданням корисності імпорту електричних ресурсів. Процес йде достатньо активно: за даними «Економічної правди» протягом червня-серпня 2024 р. було імпортовано понад 2,1 млн МВт.год електроенергії, що майже втричі більше від загального обсягу імпорту за весь 2023 р. Транскордонний трафік не стримує навіть дорожнеча зарубіжної електрики.
Так, станом на 1 жовтня 2024 р. біржове котирування 1 МВт.год у Франції склало 70,15 євро, у Німеччині – 78,93, в Іспанії – 97,90, в Італії – 110,90 євро. В Україні середньозважена ціна одиниці електроенергії для підприємств на ту ж дату становила 5174,21 грн або за курсом НБУ 46,154 – 112,11 євро.
Якщо розглядати електроенергетику як джерело ресурсу і репрезентативного (агрегованого) споживача цього ресурсу, то у час-пік власного енергетичного ресурсу недостатньо для задоволення потреб споживача, проте можна скористатися імпортним енергетичним ресурсом.
Отже, вітчизняна електроенергетична система формально складається з внутрішнього джерела енергетичного ресурсу, зовнішнього джерела енергетичного ресурсу, репрезентативного споживача і додаткового фінансового ресурсу для придбання енергетичного ресурсу із зовнішнього джерела.
ТП-1 (Технічне протиріччя № 1). Енергетичного ресурсу із внутрішнього джерела недостатньо для задоволення потреб споживача, але не потрібен додатковий фінансовий ресурс для придбання енергетичного ресурсу із зовнішнього джерела.
ТП-2. Енергетичного ресурсу із зовнішнього джерела достатньо для задоволення потреб споживача, але його придбання потребує додаткового фінансового ресурсу.
Завдання: необхідно при мінімальних змінах в системі забезпечити споживача достатньою кількістю енергетичного ресурсу без залучення додаткового фінансового ресурсу. Тобто, потрібен ікс-елемент, здатний зовсім не ускладнюючи систему і не викликаючи шкідливих явищ, протягом оперативного часу (час-пік) без витрат додаткового фінансового ресурсу залучити енергетичний ресурс із зовнішнього джерела для задоволення енергетичних потреб споживача.
Голова американської Albany Engineering Corp. Джеймс Беша (James A. Besha) надав алюзію на толінг, хоча і вживає термін «банк»: “Сьогодні кожен розуміє, що найважливішою частиною нашої енергетичної інфраструктури будуть сховища. Можна вважати, що це такий собі банк. Якщо у когось є надлишки сонячної енергії, він може заплатити і залишити її на зберігання“. Свідоцтво з практики: у серпні 2024 р. компанія BW ESS та її партнер, Penso Power, підписали першу у Великий Британії толінгову угоду із семирічним терміном про надання Shell Energy Europe Limited (Shell) послуг зі зберігання енергетичних ресурсів. Як передбачено, технологічною базою стане система зберігання енергії Bramley Battery Energy Storage System (BESS) потужністю 100 МВт/330 МВт.год у м. Гемпшир, Велика Британія. Попереднього місяця така ж угода, тільки з терміном 20 років, була укладена в США між Strata Clean Energy та Arizona Public Service (APS). Об’єкт Justice Energy Storage має потужність 150 MВт/600 МВт.год.
Схемі толінгу властива багатоплановість. Англійське toll означає мито, збір, данина. У номенклатурі толінгу знаходиться те ж давальницьтво: мірошники у давнину приймали у селян зерно, мололи його і віддавали вироблене борошно, залишивши собі певну частину продукції як плату, хоча інколи погоджувалися і на гроші; українські вуглевидобувні підприємства таким же чином налаштовували стосунки із збагачувальними фабриками.
Енергетичний ресурс, отриманий безкоштовно, – це з ідеології економіки кооптування. Економіка кооптування, поняття якої запропоновано в Інституті економіки промисловості НАН України, «є суспільною наукою про виробництво, розподіл, обмін і споживання благ та послуг із ненасильницьким, але некооперативним привласненням належних іншим благ для задоволення власних потреб». Необхідною частиною формули економіки кооптування є безкоштовно отриманий додатковий товар (благо), вироблений за допомогою активів, що належать іншим власникам. Основними суб’єктами економіки кооптування стають мьобіусні організації, сутність та особливості функціонування яких було вперше визначено американськими дослідниками Е. Воткінс, (E. Watkins) та Д. Старком (D. Stark). Мьобіусні організації, на відміну від звичайних бізнесових одиниць, необхідні їм активи «не створюють, не купують і не використовують кооперативно − вони їх кооптують (Co-opt)», тобто використовують неналежні їм активи для власної мети. Мьобіусною формою-символом американські дослідники вважають так звану «космічну прощу», за допомогою якої балістики NASA, кооптуючи сили тяжіння великої планети, без додаткових витрат ракетного палива виводять автоматичні зонди в далекий космос.
Саме давальницьтво дозволяє впровадити економіку кооптування в електроенергетику – суб’єкт-власник енергетичного ресурсу надає його до сховища, що належить іншому суб’єкту, в результаті чого він (другий суб’єкт) безкоштовно отримує у свою власність частину енергетичного ресурсу.
Зараз відносини між власниками енергосховищ і володарями енергетичних ресурсів, які прагнуть тимчасово залишити їх на зберігання, тільки налагоджуються і можуть приймати різні форми, головне, що є попит на такі послуги і він буде дедалі більшим. Але, щоб Україні стати впливовим актором економіки кооптування, вона має бути відомим гравцем на ринках енергетичних послуг, для чого їй потрібні потужні енергетичні хаби та транскордонними інтерконектори з прийому-передачі електрики. Настільки ж відомим гравцем, як завдяки своїм газовим хабам.
Гіпотеза ж про те, що електроенергетичні хаби у старопромислових регіонах України та Польщі можуть стати значущими для континентальної енергетики, у 2017 р. була висловлена фахівцями Інституту економіки промисловості НАН України та їх польським колегою на V Міжнародному науковому симпозіумі «Międzynarodowa Współpraca Synergetyczna», який відбувся у Варшаві. Доповідь було надруковано у приуроченому до симпозіуму випуску українського журналу. Автори наполягали на доцільності організації міжнародних консорціумів із проєктування, інвестування, побудови та експлуатації енергетичних хабів у старопромислових регіонах Європи, перш за все в Україні та Польщі.
Перспективність саме згаданих країн обумовлювала наявність в них великої кількості глибоких шахт: на той час набували розвитку проєкти зі створення гідроакумулюючих електростанцій (ГАЕС) на виведених з експлуатації вугільних шахтах Німеччини та Іспанії. Найвідомішим із таких є план будівництва електростанції потужністю 200 МВт на німецькій шахті Prosper-Haniel.
Шахтні енергосховища стали б надзвичайно важливими не тільки в аспекті вирішення енергетичних й економічних питань, але й широкого спектру соціальних та екологічних проблем, хоча й потребують великих інвестицій: калькуляційна вартість ГАЕС в Німеччині сягає 560 млн євро, проєкт потужністю 23 МВт в Іспанії – 40 млн євро. Більш дешевими є електростанції на стисненому повітрі, проте в світі існує лише дві пневмоакумулюючі газотурбінні системи, обладнані підземними високооборотними сховищами стисненого повітря, – у м. Макінтош (110 МВт), США та м. Хунторф (290 МВт), Німеччина.
Пошук більш дешевих варіантів сховищ приводить до гравітаційного проєкту Energy Vault. Власне Energy Vault – це «башта» висотою до 90 м (приблизно 29 поверхів) з 5 тис. поставлених один на одного блоків із бетону масою 35 т кожний (рис. 3). «Будівництво» башти здійснюється в періоди надлишку електроенергії в мережі, подолання ж дефіциту ресурсу передбачає розбір конструкцій зі спуском блоків на землю, що супроводжується роботою двигуну крану в генераторному режимі. Першу комерційну демонстраційну установку Energy Vault потужністю 5 МВт/35 МВт.год у липні 2020 р. підключено до національної комунальної мережі Швейцарії. Архітектура сховища є модульною і може масштабуватися з одиницею 10 МВт.год до ємності зберігання в декілька ГВт.год.
Рисунок 3. Зовнішній вигляд енергосховища за технологією Energy Vault
Сховища за технологією Energy Vault привертають увагу великих енергетичних та інвестиційних компаній. Відомо, що частку активів зазначеної швейцарської компанії придбав венчурний підрозділ найбільшої в світі нафтогазової компанії Saudi Aramco (Саудівська Аравія).
До кінця 2030 р. потужності накопичувачів енергії у всьому світі здатні досягти 358 ГВт/1028 ГВт.год, що у 20 разів більше, ніж на кінець 2020 р. Бум стаціонарного зберігання енергії потребуватиме інвестицій в обсязі 262 млрд дол. … великої кількості важких бетонних блоків і своєчасного захоплення ринкової ніши.
У контексті Energy Vault отримання вигоди в Україні передбачає застосування європейської давальницької електроенергії для реалізації циклів з побудови-розбирання веж-сховищ на великій кількості об’єктів з поверненням більшої частки виробленої в процесі електроенергії замовнику послуги. Створення комплексу зі зберігання електрики потребує від 9 до 12 місяців, причому основними є витрати часу на виготовлення блоків. Рис. 4 містить загальний вигляд запатентованого 35-тонного бетонного блоку Cutaway, елементу енергосховища за проєктом Energy Vault.
Рисунок 4. Загальний вигляд бетонного блоку Cutaway, елементу енергетичного сховища Energy Vault
У старопромислових районах України знаходяться десятиліттями накопичені відходи виробництва, які є придатними для побудови важких блоків на кшталт Cutaway. Тільки наслідків збагачення вугілля є понад 190 млн т, до того ж існують мільярди тонн металургійних шлаків та ін. Крім відходів виробництва зараз утворилося багато наслідків воєнної руйнації. За даними Міндовкілля на території України таких відходів вже понад 607 тис. т.
Налагодження за енергетичними мотивами масового виробництва бетонних блоків в Україні дозволило б не тільки побудувати в постраждалих від війни регіонах велику кількість енергосховищ і тим вирішити широкий спектр проблем. Як свідчать результати завершених у 2022 р. в Інституті економіки промисловості НАН України досліджень, створення в Україні індустрії з переробки поточних обсягів шлаків у важкі блоки для енергосховищ, навіть без урахування ефектів мультиплікації, здатне через податки та збори щорічно надавати 10 млрд грн і працевлаштувати 27 тис. людей. Така індустрія за масштабами є порівнянною з існуючою галуззю, що має класифікацію за КВЕД 23.61 «Виготовлення виробів із бетону для будівництва». Але з урахуванням кількості накопичених відходів, масштаби галузі можуть бути суттєво більшими. Виробництво блоків може перетворитися на предмет смарт-спеціалізації зазначених регіонів, стати джерелом експорту до Америки та Європи, де бракує запасів власних шлаків. І зберігання електроенергії на підґрунті побудованих енергосховищ теж може скласти предмет регіональної смарт-спеціалізації.
У 2023 р. Міністерство економіки України започаткувало наукову дискусійну платформу, одним із напрямів досліджень на якій було визначено «Створення спільних з іноземними партнерами підприємств з утилізації та переробки будівельних відходів». Інститут економіки промисловості НАН України бере активну участь в роботі дискусійної платформи. На підставі викладеного вище є сенс розширити поле дослідження: а) не підприємств, а комплексу електроенергетичних хабів; б) із галуззю з виробництва важких блоків для енергосховищ; в) будівельні відходи як складова сировинної бази разом з відходами іншого походження; г) з іноземним партнером, яким є компанія Energy Vault, а також іншими учасниками міжнародного консорціуму з проєктування, інвестування, побудови та експлуатації енергетичних хабів.
За першим законом Калдора (Nicholas Kaldor) лише розвиток переробного – другого – сектору може надати швидке економічне зростання. Не первинного сектору з вироблення сировини (агро- і добувна промисловість), і не третинного сектору, тобто сфери послуг. Нова промисловість з переробки бетону відноситься саме до другого сектору, нехай не дуже інноваційної (це середньонизькотехнологічний рівень), проте до переробної промисловості.
Разом із тим, процес створення в Україні багатьох потужних виробництв із виготовлення важких бетонних блоків потребуватиме достатньо великих витрат часу. Національній же енергетиці зазначені хаби необхідні негайно. Розв’язанням протиріччя може бути впровадження енергетичних сховищ на базі вже існуючих в Україні газових трубопроводів, що лишилися проєктного навантаження. За принципом дії такі сховища можна вважати аналогами описаних вище пневмоакумулюючих газотурбінних електростанцій, тільки з наземними високооборотними сховищами стисненого повітря. За матеріалами статті О. П’ятничка та С. Крушневича (Інститут газу НАН України), ефект розширення газу в турбодетандерній установці з 4 до 0,6 МПа становить 47 кВтˑгод електроенергії з кожної 1000 м3 газу. Використання на газопроводах детандер-генераторів перетворює ці агрегати на справжні установки розподіленої генерації.
Призначені переміщенню природного газу існуючі трубопроводи піддаються перетворенню на великі енергетичні сховища, що використовують стисле повітря. І це можна зробити достатньо швидко і відносно недорого.
Взагалі механізм перетворення України на континентальний депозитарій електроенергії може складатися з таких етапів:
по-перше, розробка та узгодження міжнародної стратегії з утворення й експлуатації енергетичних хабів в Україні;
по-друге, термінове освоєння енергосховищ на існуючих газопроводах;
по-третє, будівництво заводів із виготовлення важких бетонних блоків за технологією Energy Vault;
у-четвертих, розгортання в регіонах України по мірі освоєння випуску бетонних блоків енергетичних сховищ за технологією Energy Vault;
у-п’ятих, розробка та реалізація програми перетворення глибоких шахт на потужні гідроакумулюючі та пневмоакумулюючі енергосховища.
[1] ПЕР (первинні енергетичні ресурси) – вугілля, нафта, природний газ, гідроенергія, ядерне паливо і джерела відновлюваної енергетики. По національному господарству не весь річний обсяг ПЕР витрачається на електрогенерацію, суттєва частка первинних ресурсів задіяна на виробництві теплової енергії в комунальному секторі, як паливо на транспорті, як сировина у промисловості.
