Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,798

ASSESSMENT OF CHANGES IN THE ECOLOGICAL AND ECONOMIC SITUATION IN THE CHELYABINSK REGION DURING THE DEVELOPMENT OF RENEWABLE ENERGY SOURCES

1

• Authors
• Files
• Abstract
• Keywords
• References

Введение

Противодействие климатическим изменениям привело в последние годы к стремительному развитию в мире возобновляемых источников энергии. В 2023 г. их совокупная энергомощность составила 4,014 ТВт из 8,517 ТВт, достигнув 47,1 %, а общая годовая выработка в 8,44 трлн кВт·ч из 28,32 трлн кВт·ч составила 29,8 %1. Подобные результаты были достигнуты, поскольку во многих странах мира приняты стратегии по долгосрочному развитию возобновляемой энергетики [1]. Крупнейшие экономики мира к настоящему времени объявили о перспективе достижения углеродной нейтральности: Европейский союз к 2050 г., США и Китай – к 2060 г. Согласно Указу Президента Российской Федерации (2020 г.) «О сокращении выбросов парниковых газов», их эмиссия должна снизиться на 70 % от уровня 1990 г. [2]. Предполагается, что реализация указанных стратегий позволит в течение XXI в. существенно снизить выбросы парниковых газов и достигнуть цели установленной в 2015 г. Парижским климатическим соглашением по удержанию роста средней глобальной температуры ниже 2 °C [3].

Особо следует отметить, что развитие возобновляемых источников энергии приведет не только к уменьшению эмиссии парниковых газов, но и позволит в целом снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду. Традиционная энергетика, использующая ископаемое топливо, характеризуется значительными выбросами в атмосферу и высокой ресурсоемкостью, что непосредственно влияет на состояние природных комплексов и социально-экономическую ситуацию в регионах. При этом сами выбросы и сбросы загрязняющих веществ являются лишь следствием изменения существующих биосферных материально-энергетических потоков в процессе хозяйственной деятельности. В результате природные комплексы начинают терять возможность генерировать экосистемные функции, в конечном счете это оказывает существенное влияние на эколого-экономическую ситуацию в регионах [4]. Поэтому необходимо заранее оценить и спрогнозировать изменение региональной эколого-экономической ситуации при развитии различных источников возобновляемой энергетики, это позволит выбрать наиболее оптимальный сценарий их внедрения.

Челябинская область является регионом с развитой промышленной базой, обуславливающей высокий уровень экологического воздействия, в связи с чем сразу два крупнейших города региона, Челябинск и Магнитогорск, с 2018 г. участвуют в федеральной программе «Чистый воздух» [5]. Одним из мощнейших источников антропогенного загрязнения в области является тепловая энергетика. Поэтому была выдвинута гипотеза, что развитие возобновляемой энергетики позволит значительно изменить экологическую ситуацию в благоприятную сторону.

Цель исследования – оценить изменение эколого-экономической ситуации в Челябинской области при различных сценариях развития возобновляемых источников энергии.

Материалы и методы исследования

Исследование основано на использовании трех методик, позволяющих комплексно оценить изменение эколого-экономических условий по мере увеличения доли возобновляемой энергетики в региональном энергобалансе: методики по оценке региональной социо-эколого-экономической среды с использованием эколого-энергетических характеристик территорий, методики по выявлению изменений в материально-энергетических потоках выраженных в суммарных MI (Material Input) – числах и методики по оценке изменения уровня эмиссии парниковых газов при развитии возобновляемой источников энергии основанной на методологии МГЭИК (Международной группы экспертов по изменению климата).

Сбалансированность социо-эколого-экономической среды региона определяется соотношением величины ассимиляционного потенциала региональных экосистем с мощностью техносферы региона выраженной в энергетических показателях. Это позволяет получить специальный показатель сбалансированного состояния, он оценивает величину возможного превышения техносферой уровня восстановительных возможностей природных комплексов [6]. При оценке изменения эколого-экономической ситуации в регионе в результате развития возобновляемой энергетики следует учесть следующий момент: энергетика, использующая ископаемое топливо, существенно меняет биосферные материально-энергетические потоки, переключая их в техносферу. При этом возобновляемые источники энергетики опираются на использование потоков, уже циркулирующих в экосистемах и преимущественно связанных с трансформацией солнечной энергии [7]. Исходя из этого, за основу исследования взято положение, что их использование практически не оказывает влияния на действующие процессы в природе. Поэтому в методике по оценке изменения уровня региональной сбалансированности предварительно из мощности техносферы (хозяйства) региона, выраженной в энергетических величинах и фактически характеризующей уровень потребления энергии регионом, предварительно вычиталась доля, приходящаяся на возобновляемые источники энергии в различных сценариях развития региона. Расчеты осуществлялись по данной формуле:

(1)

где Srx – показатель сбалансированного/не сбалансированного состояния региона при различных сценариях развития возобновляемой энергетики в регионе, если он меньше или равен единице, социо-эколого-экономическая среда региона сбалансирована, в ином случае возникают дисбалансы приводящие в последствии к деградации региональных экосистем.; Tr – мощность техносферы (хозяйства) региона выраженная в энергетических величинах; Tr – доля из энергомощности техносферы (хозяйства) региона приходящаяся на возобновляемые источники энергии; Lr – ассимиляционный потенциал региональных ландшафтов выраженный в энергетических величинах.

Сама величина Lr рассчитывается по следующей формуле [8]:

, (2)

где B – ассимиляционная емкость биосферы способная нейтрализовать последствия деятельности техносферы (1,5 ТВт = 1,5·1012 Вт [9]); S1-6 – земные площади, занимаемые соответственно хвойными, лиственными лесами, аграрными, прочими лесными и нелесными территориями, акваториями внутренних водоемов; Sir – площади занимаемые данными природными комплексами в изучаемом регионе; ki – коэффициент характеризующий уровень вклада природного комплекса в ассимиляционный потенциал.

Изменение уровня влияния энергетики, по мере развития возобновляемых источников, на биосферные материально-энергетические потоки осуществлялось с помощью методики основанной на суммарных MI (Material Input) – числах. Они позволяют оценить общий материальный вход на производство единицы продукции, фактически выявить ее материальную интенсивность. В дальнейшем это дает возможность соотнести материальную интенсивность с негативным антропогенным влиянием на природные комплексы. Удельная материальная интенсивность для различных энергоисточников представлена в отчете Wuppertal Institut (Германия) [10] а также установлена в более ранних исследованиях авторов [9]. Удельная величина материальной интенсивности возобновляемых и невозобновляемых источников энергии оценивалась в кг/кВт·ч, далее, на основании данных о совокупном региональном энергопотреблении, переводилась в общую величину сокращения материального потребления в регионе в миллионах тонн.

Оценка уменьшения уровня эмиссии парниковых газов осуществлялась на основе методики МГЭИК (Межправительственной группы экспертов по изменению климата)2. Дополнительно использовались собственные расчетные данные. Указанная методика позволяет оценить выбросы парниковых газов, если есть информационные данные об объемах сжигания углеродосодержащего топлива при производстве электроэнергии. Все установленные парниковые газы для удобства сопоставления в дальнейшем переводятся в эквивалентную величину СО2, для этой цели используются коэффициенты уровня парникового эффекта. Удельная величина эмиссии от различных энергоисточников в основном зависит от уровня содержания углерода в применяемом топливе. Некоторое влияние оказывают используемые технологии получения энергии.

Расчет удельной величины (кг/кВт·ч) осуществляется по следующей формуле:

, (3)

где ЕСО2 – удельная величина эмиссии СО2; Тi – коэффициент из методики МГЭИК, учитывающий используемую технологию получения энергии; KCO2 – коэффициент, учитывающий содержание углерода в применяемом топливе.

После получения удельных величин рассчитывался общий уровень изменения эмиссии углекислого газа (млн т) при различных сценариях развития возобновляемых источников энергии в регионе.

Результаты исследования и их обсуждение

Челябинская область является развитым промышленным регионом, где доминирует черная металлургия, составляя 56 % в отраслевой структуре3. Также в регионе широко представлены машиностроительные предприятия, цветной металлургии и горнорудные. Энергетика представлена тепловыми электростанциями, в топливном балансе которых доля природного газа составляет 74 %, а доля угля 26 %4. Низкоуглеродная энергетика в Челябинской области в настоящее время не имеет значимой доли в общем энергобалансе (0,006 %), единственная энергоустановка которая может быть к ней отнесена – малая и устаревшая Верхнеуральская гидроэлектростанция мощностью 1МВт сооруженная в 1960-х гг. Указанная ситуация обуславливает и наличие экологических проблем в регионе. Общая эмиссия углекислого газа достигает величины в 129 млн т5, что достигает почти 6 % из совокупной эмиссии страны в 2165 млн т.6 В последние годы в крупнейших городах региона, Челябинске и Магнитогорске, реализуются комплексные планы по снижению уровня выбросов в атмосферу. Тем не менее валовый выброс загрязняющих веществ в атмосферу Челябинска составляет 95 тыс. т, а в Магнитогорске – 163 тыс. т. Несмотря на снижение в последние годы количества загрязняющих веществ поступающих в атмосферный воздух, уровень загрязнения атмосферы Челябинска и Магнитогорска в 2025 г. продолжал характеризоваться как высокий, то есть реализуемые программы пока не достигли своих целей в полной мере. Изменение ситуации может произойти при условии развития в регионе возобновляемой энергетики. Однако данный процесс требует предварительной оценки сделанной на основе возможных сценариев ее развития.

Существующие в настоящее время прогнозы развития возобновляемых источников энергии в России представлены различными источниками и не учитывают крупные ГЭС (гидроэлектростанции). Прогноз сделан о развитии СЭС (солнечных электростанций), ВЭС (ветряных электростанций), малых ГЭС и объектов биоэнергетики. Полученная информация приведена в табл. 1.

Как видно из таблицы, большинство прогнозных сценариев предполагает увеличение доли выработки возобновляемой энергии до 3 % к 2035 г., а к 2050 – в диапазоне 9–13 % (в среднем 11,5 %). Данные величины были взяты за основу при проведении расчетов, поскольку предварительно проведенные расчеты по солнечному и ветровому потенциалу Челябинской области показывают возможность их реализации в полной мере [14]. В схеме перспективного развития электроэнергетики региона предусматривается развитие возобновляемых источников энергии, это потребует привлечения к деятельности Минэнерго и АРВЭ, имеющие указанные целевые ориентиры.

В Челябинской области присутствуют следующие крупные тепловые электростанции: Челябинские ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ТЭЦ-4, Аргаяшская ТЭЦ, Южноуральская ГРЭС-1, Южноуральская ГРЭС-2, Троицкая ГРЭС, с ежегодной общей выработкой электроэнергии 27367,5 млн кВт·ч.7 На основе данных схемы и программы развития электроэнергетических систем в Челябинской области было выявлено, что среднегодовой прирост выработки электроэнергии составляет 1,1 %8, указанная величина учитывалась в дальнейших расчетах. Следует особо отметить, что за последние 20 лет в структуре их топливного баланса произошли существенные изменения, доминирующим топливом стал природный газ, а доля угля значительно снизилась. В результате проведенных расчетов установлено, что удельная эмиссия CO2 уменьшилась с 0,87 кг/кВт·ч в 2007 г. [9] до 0,51 кг/кВт·ч в настоящее время. Поскольку при функционировании объектов возобновляемой энергетики эмиссия CO2 отсутствует, при условии замещения ими традиционной энергии эмиссия на кВт·ч уменьшится на последнюю величину. Изменение топливного баланса оказало влияние и на динамику удельной материальной интенсивности электроэнергетики Челябинской области выраженной в суммарных MI-числах. Проведенные расчеты выявили, что она снизилась с 1,81 кг/кВт·ч в 2007 г. [12] до 1,49 кг/кВт·ч.

Таблица 1

Прогнозные данные о развитии возобновляемой энергии в Российской Федерации, доля в энергобалансе от общего производства электроэнергии, %

Год	Ассоциация АРВЭ (Агентство развития возобновляемой энергетики ) [11]	Российское энергетическое агентство (РЭА) Минэнерго России [12]	Системный оператор Единой энергетической системы (СО ЕЭС) [13]
2035	3	3	–
2050	13	9	12,5

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Таблица 2

Прогнозирование изменения эколого-экономической ситуации в Челябинской области при развитии возобновляемых источников энергии

Год	Доля возобновляемой энергетики в энергобалансе, %	Уменьшение прямой эмиссии CO2, млн т	Уменьшение материальной интенсивности в суммарных MI-числах, млн т	Изменение индикатора социо-эколого- экономической сбалансированности
2035	3	0,47	1,36	14,62
2050	11,5	2,11	6,16	12,54
Долгосрочный ориентир	93	17,06	49,85	1

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Осуществленные ранее исследования позволили установить, что социо-эколого-экономическая среда Челябинской области в настоящее время находится в крайне неустойчивом состоянии [7]. Энергетическая мощность хозяйства региона составляет 14,17 ГВт, в то время как ассимиляционная емкость региональных экосистем всего 0,94 ГВт, таким образом индикатор сбалансированности равен 15,02. В норме его величина не должна быть больше единицы. При указанном превышении многие экосистемные функции оказываются нарушенными [15]. Установлено, что исправить ситуацию возможно за счет увеличения доли возобновляемой энергетики в региональном энергобалансе до 93 %. Поэтому при осуществлении расчетов данная величина также была рассмотрена в качестве прогнозной в качестве ориентира на долгосрочный период времени. Полученные результаты представлены в табл. 2.

Таким образом, развитие возобновляемых источников энергии будет иметь некоторое влияние на изменение эколого-экономической ситуации в регионе, однако существенное сокращение эмиссии углекислого газа и материальной интенсивности произойдет только при условии значительного повышения ее доли в энергобалансе.

Заключение

В результате проведенного исследования было установлено, что электроэнергетика Челябинской области за последние десятилетия устойчиво повышает свою углеродную эффективность и уровень материальной интенсивности. С 2007 г. удельная эмиссия CO2 в пересчете на киловатт в час выработанной электроэнергии уменьшилась на 41 %, а материальная интенсивность выраженная в суммарных MI-числах – на 20 %. Однако результат был достигнут не за счет развития возобновляемых источников энергии, а благодаря изменению топливного баланса тепловых электростанций, где значительно уменьшилась доля угля и увеличилась природного газа. Научная новизна исследования заключается в том, что в ходе проведенного исследования выявлено, что положительный эколого-экономический эффект для Челябинской области в данном случае практически исчерпан. Дальнейшее повышение эколого-экономической эффективности может идти за счет развития возобновляемых источников энергии. Практическая значимость исследования заключается в том, что предложенный подход позволяет прогнозировать изменение эколого-экономической ситуации в Челябинской области по мере увеличения доли возобновляемых источников энергии в региональном энергобалансе.

---

Conflict of interest

---

Financing

---

Библиографическая ссылка

Двинин Д.Ю., Плаксина А.Л., Шейко Н.С. ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ В ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ ПРИ РАЗВИТИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ // Фундаментальные исследования. 2026. № 5. С. 122-127;
URL: https://fundamental-research.ru/en/article/view?id=44030 (дата обращения: 07.06.2026).
DOI: https://doi.org/10.17513/fr.44030