По данным «Схемы и программы развития электроэнергетических систем России на 2025–2030 годы» [1], ввод в эксплуатацию генерирующего оборудования в Российской Федерации составит 17 ГВт, в том числе 3 ГВт. ВЭС. Одним из актуальных регионов для развития ветровой энергетики являются регионы Арктики, в том числе Кольский полуостров, имеющий большие ветроэнергетические ресурсы: технический — 44919 ТВт·ч, валовый — 112,3–138,0 ТВт·ч и экономический — 0,56–0,69 ТВт·ч [2]. Особенно высокий ветропотенциал наблюдается в прибрежной зоне Баренцева моря.

В соответствии с этим реализован проект Кольской ВЭС. Данный пилотный проект выполнен в экстремальных климатических условиях (низкие температуры и вечная мерзлота) и имеет особые проектные и эксплуатационные характеристики для работы в арктическом климате [3]. Опыт строительства Кольской ВЭС может быть распространён на другие ветроэнергетические объекты в Арктике.

Мурманская область расположена на Кольском полуострове, который омывается водами Баренцева и Белого морей, площадь региона составляет 144,9 тыс. к м². Бóльшая часть территории находится севернее полярного круга; Мурманская область полностью включена в Арктическую зону Российской Федерации.

Численность населения Мурманской области, по данным Мурманскстата [4], составляет 657 тыс. человек.

Административным центром Мурманской области является город Мурманск, который расположен на скалистом восточном побережье Кольского залива Баренцева моря. Он является крупнейшим в мире городом, который находится за северным полярным кругом, население города составляет 278 тыс. человек. Мурманск — один из крупнейших портов России.

В структуру энергетики региона входит Кольская АЭС, находящаяся в 200 км к югу от Мурманска на берегу озера Имандра, в составе которой имеется четыре энергоблока суммарной электрической мощностью 1760 МВт. А также 17 ГЭС, входящих в четыре каскада: Нивский, Туломский, Пазский и Серебрянский, суммарной установленной мощностью 1623,9 МВт. Мурманская ТЭЦ и Апатитская ТЭЦ, которые являются основными поставщиками тепловой энергии в городах Мурманск и Апатиты, обладают суммарной установленной мощностью 242 МВт. Также с декабря 2022 года введена в эксплуатацию Кольская ВЭС мощностью 202,4 МВт.

На первое января 2024 года установленная мощность электростанций энергосистемы Мурманской области составляла 3837,4 МВт. Доля видов генерации электростанций энергосистемы Мурманской области представлена в табл. 1 [1].

Мурманская область — энергопрофицитный регион, в котором часть мощности является невостребованной. До 2022 года часть выработанной электроэнергии экспортировалась в Норвегию и Финляндию, после мая 2022 года экспорт был остановлен, и переток осуществляется только в Республику Карелию по Кола-Карельскому транзиту. В табл. 2 представлен баланс по электроэнергии в Мурманской области за последние шесть лет.

Экспортируемая часть электроэнергии входила в структуру потребления Мурманской области, поскольку экспорт проводился через приграничную торговлю.

В 2022 году рост генерации на 10% и рост перетока в Карелию на 52% был обусловлен вводом в эксплуатацию второй линии Кола-Карельского транзита. Рост пропускной способности воздушной линии электропередачи 330 кВ позволил использовать часть невостребованной мощности, но не решил проблему полностью, и после ввода Кольской ВЭС в эксплуатацию данная проблема усугубилась.

В 2017 году проект Кольской ВЭС был отобран к реализации в Мурманской области при проведении отбора объектов ВИЭ-генерации по программе договоров предоставления мощности на ВИЭ-объекты (ДПМ ВИЭ), поскольку большая доля манёвренной генерации ГЭС позволяет балансировать нестабильную генерацию ВЭС, а также существовала возможность экспортировать избыток «зелёной» электроэнергии в соседние страны.

Кольская ВЭС — крупнейшая ветроэлектростанция в России, расположенная за полярным кругом, она находится в 70 км восточнее Мурманска и в 40 км от Баренцева моря. Мощность Кольской ВЭС составляет 202,35 МВт. Это местоположение характеризуется высокой скоростью ветра, что обусловлено плоским рельефом. Низкие температуры увеличивают плотность воздуха, что позволяет поддерживать высокую мощность даже при снижении скорости ветра. Используя данные метеостанции, расположенной в селе Териберка [7], был произведён пересчёт каждого значения скорости ветра на высоте флюгера на скорость на высоте оси ступицы ветроколеса по формуле [8]:

где vф — скорость ветра на высоте флюгера, м/с; hф — высота флюгера, hф = 10 м; h — высота оси ступицы ветроколеса, h = 84 м; α — коэффициент шероховатости поверхности, по первому классу (холмистая равнина) принимается α = 0,15.

Максимальная скорость ветра в Мурманской области приходится на зимний период. Среднегодовая скорость ветра на высоте оси ступицы ветроколеса составляет 9,6 м/с, что является довольно высоким показателем.

На рис. 1 представлены средняя по месяцам пересчитанная скорость ветра и средняя по месяцам температура (по данным метеостанции). Зима в регионе — продолжительная, с устойчивыми низкими температурами. Минимальная и максимальная температуры в Мурманской области могут достигать −21°C и +28°C, соответственно.


Рис. 1. Погодные характеристики в месте расположения Кольской ВЭС

На Кольской ВЭС установлены 57 ветроэнергетических установок (ВЭУ) Siemens Gamesa 3.4–132 мощностью 3,55 МВт (табл. 3). Генерация электроэнергии начинается при скорости ветра, равной 2,5 м/с, расчётная скорость ветра составляет 12 м/с, при достижении скорости ветра свыше 25 м/с лопасти ВЭУ останавливаются в целях безопасности.

Оборудование ВЭУ адаптировано для работы при низких температурах [3].

Электрическая схема ВЭС состоит из двух групп ветроустановок, напряжение вырабатываемого электротока сначала повышается через трансформаторы до 35 кВ, далее через автотрансформатор 35/150 повышается до 150 кВ и направляется на подстанцию «Мурманская» (330/150), где электроэнергия перераспределяется на нужды Мурманской области или передаётся в Республику Карелию по Кола-Карельскому транзиту.

Доля Кольской ВЭС в структуре выработки Кольской энергосистемы составляет 3%. Основную долю занимают АЭС (55–60% общей выработки) и ГЭС (от 35 до 41%). На рис. 2 приведена структура выработки в Кольской энергосистеме.


Рис. 2. Структура выработки Кольской энергосистемы в 2023–2024 годах

В Кольской энергосистеме существует невостребованная мощность, что делает Кольскую АЭС единственной атомной электростанцией в России с характерным сезонным графиком работы. Это также влияет и на выработку ВЭС, поскольку ограниченная пропускная способность Кола-Карельского транзита не позволяет станциям данной энергосистемы вырабатывать максимально возможное количество электроэнергии.

Проведя анализ объёмов выработки электроэнергии на Кольской ВЭС за 2023–2024 годы [1] и сопоставив их со скоростью ветра в данный период [3], как это показано на рис. 3, можно определить, что корреляция между этими величинами составляет всего 80%. Это объясняется сетевыми ограничениями, которые имеют различное влияние в разные месяцы года и зависят от ремонтных работ на воздушных линиях электропередач, полноводности рек в регионе и необходимости поддерживать стабильную генерация АЭС.


Рис. 3. Годовой график выработки и скорости ветра Кольской ВЭС

Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) Кольской ВЭС за 2023 год составляет 28%, что на 9% ниже величины, рассчитанной в работе [9], опубликованной в 2020 году во время возведения Кольской ВЭС.

График суточной мощности Кольской ВЭС по сезонам характеризуется сниженной выработкой в летний период, причём периоды роста и снижения выработки в летний и зимний период различны. В зимний период ВЭС вырабатывает больше электроэнергии в ночные и утренние часы и имеет более стабильный среднесуточный график выработки, в отличие от летнего периода, когда пик выработки приходится на пиковые часы потребления днём и вечером. В связи со сниженной выработкой ВЭС и АЭС в летний период сетевые ограничения в этот период имеют более слабое воздействие.

Поскольку Кольская энергосистема — энергоизбыточный регион, в данной энергосистеме много «дешёвой» генерации.

При вводе Кольской ВЭС в действие с декабря 2022 года по настоящее время произошло увеличение и так избыточной генерации, что вызвало частые «запирания» энергоканала «Кола — Карелия». Это привело к тому, что избыточная генерация остаётся в регионе и не может быть экспортирована в Карельскую энергосистему. Количество произошедших «запираний» можно оценить, используя значение «индекса балансирующего рынка» (ИБР). Значение ИБР — это цена, которая формируется на рынке электроэнергии в час поставки в зависимости от величины спроса и предложения. Нулевое значение данного индекса в Кольской энергосистеме означает, что количество произведённой электроэнергии превышает потребление и экспортные возможности энергосистемы, «запирая» избыточную мощность внутри энергосистемы. Рост данного индекса после ввода Кольской ВЭС продемонстрирован на рис. 4 [10].


Рис. 4. Количество нулевых значений ИБР по месяцам

С вводом первой очереди Кольской ВЭС (170 МВт) произошёл резкий рост нулевых значений ИБР, что объясняется нестабильной генерацией ВЭС и малым запасом экспортных мощностей региона.

В дальнейшем, с июня 2023 года, количество нулевых значений ИБР вернулось к состоянию до ввода ВЭС за счёт снижения выработки ВЭС в летний период, однако количество нулевых значений ИБР увеличилось с января 2024 года, что указывает на то, что проблема не была решена. Имеющийся большой объём избыточной генерации необходимо использовать, модернизировав сетевую инфраструктуру или подключив новых потребителей, либо выведя из эксплуатации невостребованную мощность, что приведёт к увеличению цены на электроэнергию.

Поскольку при «запирании» энергоканала в Карелию первоначально разгружается ВЭС и ГЭС, это приводит к снижению выработки ВЭС относительно плановых показателей. Фактическая генерация Кольской ВЭС с января 2023 года оказывается ниже планируемой на 17,6% [1, 5], что показано в табл. 4.

Данная ситуация могла быть одним из факторов внедрения нового подхода к территориальному размещению объектов ВИЭ-генерации, при котором Системный оператор ЕЭС получил функцию согласования площадок размещения объектов ВИЭ, отобранных с 2024 года [11].

Согласно Постановлению Правительства РФ №561 [11], срок окупаемости инвестиций по программе ДПМ ВИЭ [12] для Кольской ВЭС составляет 16 лет. В данный срок также включается первый год, в который отсутствует оплата за мощность и, следовательно, не производится возврат инвестиций.

Для оценки экономической эффективности программы ДПМ ВИЭ были рассчитаны дисконтированные сроки окупаемости проекта Кольской ВЭС при работе на оптовом и розничном рынках. При отсутствии программы поддержки дисконтированный срок окупаемости проекта Кольской ВЭС на оптовом и розничном рынках электроэнергии и мощности составит около 41 и 42 лет, соответственно. Расчёт был проведён по правилам оптового рынка электроэнергии и мощности (ОРЭМ) с использованием регламентов ОРЭМ [13].

Базовая предельная величина капитальных затрат на возведение 1 кВт установленной мощности генерирующего объекта, функционирующего на основе энергии ветра и введённого в эксплуатацию в 2021 году, была установлена равной 109342 руб/ кВт [12].

Дисконтированный срок окупаемости при работе на оптовом рынке электроэнергии рассчитывается по формуле:

Yo = minY, при котором

здесь CapEX (Capital EXpenditure) — капитальные затраты на ВЭС мощностью 202,35 МВт (рассчитывается перемножением установленной мощности и базовой предельной величиной затрат), CapEX = 22,125 млрд руб.; OpEX (Operating EXpense) — удельные эксплуатационные затраты, OpEX = 250 тыс. руб. за 1 МВт в месяц [12]; Nсн — потребление на собственные нужды ВЭС, Nсн = 0,5% [12]; Kсез — коэффициент сезонности [5]; ρком — цена мощности на оптовом рынке, ρком = 248 тыс. руб. за 1 МВт в месяц [14]; ρрозн — цена мощности на розничном рынке (ежемесячное значение принимается по данным гарантирующего поставщика электроэнергии в Мурманской области за 2023 год [5]); Nh — часовая выработка, МВт; ρh — цена на электроэнергию (почасовое значение принимается по данным [5]), руб/ МВт.

Определено, что Yo = 40,9 лет.

Дисконтированный срок окупаемости при работе на розничном рынке электроэнергии рассчитывается по формуле:

Yp = minY, при котором

отсюда Yр = 42,3 года.

Период окупаемости ВЭС при работе без поддержки по программе ДПМ ВИЭ гораздо выше сроков службы ВЭУ, что является препятствием для развития ветроэнергетики без рыночных программ поддержки. Данные значения периодов окупаемости равны сроку службы ВЭУ, что делает ВЭУ неконкурентоспособными в рыночных условиях без методов поддержки, таких как ДПМ ВИЭ.

Заключение

Проведённый энергоэкономический анализ работы Кольской ВЭС — крупнейшей арктической ветроэлектростанции России — позволил получить следующие результаты и выводы:

1. Доля выработки электроэнергии Кольской ВЭС в энергобалансе Мурманской области составляет до 3% от выработки всего региона. Годовая выработка достигает 500 ГВт·ч при КИУМ, равном 28%.

2. Высокая среднегодовая скорость ветра (9,6 м/с) в Мурманской области — благоприятный фактор для установки ВЭС, но слабая сетевая инфраструктура не позволяет использовать данный источник электроэнергии на полную мощность. Без данных ограничений производство электроэнергии увеличилось бы на 17,6%.

3. Срок окупаемости ВЭС при поддержке ДПМ ВИЭ составляет 16 лет, при пересчёте работы на условиях оптового и розничного рынка срок окупаемости составляет более 40 лет.