Управління енергозабезпеченням сталого регіонального розвитку із використанням гібридних систем альтернативних джерел енергії

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено дослідженню управління енергозабезпеченням сталого регіонального розвитку із використанням гібридних систем альтернативних джерел енергії та розвинено науково-методичні підходи, теоретичні основи й практичні рекомендації за тематикою дослідження. В дисертації представлено розроблений проект автономної й локальної гібридної електростанції "Одеська гібридна система альтернативних джерел енергії" в Білгород-Дністровському районі Одеської області України та змоделювано три бізнес-кейси електростанцій для впровадження у регіоні: у порівнянні зі споживанням електроенергії від мережі, отримано ефект економії коштів у розмірі 41,11% при споживанні енергії від гібридної електростанції за прогнозований період у 25 років, а також можливість отримання на 61,28% більше електроенергії, ніж від мережі; комбінована електростанція має термін окупності 10,3 років й при комбінуванні відновлюваних джерел має синергічний ефект збільшуючи коефіцієнт використання встановленої потужності електростанції до 44,45% (наприклад, одна змодельована вітрова електростанція має коефіцієнт використання встановленої потужності – 27,80%, а сонячна електростанція – 23,10%). Проведено регресійний аналіз темпів зростання частки виробництва електроенергії з відновлюваних джерел енергії в Україні, у відповідності до 3 якого наявні повільні темпи зростання частки виробництва електроенергії з альтернативних джерел, що унеможливлює досягнення проміжних цілей у сфері відновлюваної енергетики у визначені строки, які затверджені в офіційних документах нашої держави. Проаналізовано позиції вітчизняних і зарубіжних фахівців, концепції, підходи до розуміння сутності поняття "гібридна система альтернативних джерел енергії" за науковими джерелами, що дало змогу удосконалити визначення цього поняття (гібридна система альтернативних джерел енергії – це комбінація двох або більше відновлюваних джерел енергії із системою накопичення електроенергії, яка забезпечує стале виробництво електричної енергії та синергічний ефект від об’єднання різних елементів системи). Інновації та розширення використання відновлюваних джерел енергії – це ключ до підтримки розвитку сталої енергетики та захисту нашої планети від зміни клімату. Основними технологіями виробництва енергії з відновлюваних джерел є: сонячна, вітрова, гідро- та геотермальна енергетики, енергетика припливів і біоенергетика. В майбутньому очікується поява нових технологій виробництва енергії на основі відновлюваних джерел, кількість яких буде зростати, оскільки відбувається збільшення потреб та попиту на електроенергію у світі, а також у зв’язку з неминучим закінченням викопного палива. Виконано аналіз особливостей впровадження об’єктів на основі альтернативних джерел з урахуванням потенціалу регіонів України, у відповідності до чого зведений потенціал встановленої потужності сектору відновлюваної енергетики становить 874 033 МВт та має річний потенціал виробництва електроенергії у 2 717 019 млн кВт∙год/рік при використанні сучасних технологій (зокрема, у 2021 р. в Україні було вироблено 156 576 млн кВт∙год). Обґрунтовано необхідність переходу від традиційних (невідновлюваних) джерел енергії до альтернативних (відновлюваних) джерел енергії, адже природний потенціал відновлюваної енергії ніколи не вичерпається; 4 відновлювана енергетика захищає навколишнє середовище від негативних кліматичних змін; у 2021 р. майже 69% світових інвестицій було вкладено у впровадження нових відновлюваних джерел енергії та лише 31% припадає на газові, вугільні та атомні електростанції; наявна можливість продажу електроенергії державі та отримання за це прибутку; виробництво енергії з альтернативних джерел є дешевшим у світі за технології на викопному паливі. Описано необхідність впровадження саме гібридних систем альтернативних джерел енергії, оскільки при дослідженні одного об’єкту на основі відновлюваних джерел енергії наявні природні, технічні та економічні обмеження, які можливо подолати при введені в експлуатацію саме комбінованих систем (наприклад, вітрова електростанція + сонячна електростанція + система накопичення електроенергії). У дисертації зазначено, що при наявному темпі розвитку сектору відновлюваної енергетики без впровадження інноваційних технологій затверджені цілі у енергетичній сфері не будуть досягнуті у визначені строки. Проаналізовано соціально-еколого-економічні чинники, які значною мірою обумовлюють позитивний ефекту впливу від використання альтернативної енергетики на соціальні, екологічні та економічні сфери суспільства. Одночасно з декарбонізацією та реалізацією кліматичних цілей щодо захисту навколишнього середовища, країнам необхідно створювати та впроваджувати нові робочі місця з високим рівнем підготовки працівників задля стимулювання економічного розвитку. Це є особливо актуальним в сучасному кризовому стані економіки України та світу, спричиненому пандемією COVID-19 та повномасштабним російським вторгненням на територію нашої держави. Для відбудови та відновлення зруйнованої енергетичної інфраструктури необхідно впроваджувати інноваційні технології виробництва електроенергії на основі відновлювальних джерел енергії. Здійснено порівняльний аналіз показників інвестиційної привабливості галузі альтернативних джерел енергії. Проекти у сфері альтеративної енергетики мають найбільшу інвестиційну привабливість у секторі енергетики (у 2021 р. у відновлювану енергетику було інвестовано 366 млрд дол. США у світі), найменші ризики реалізації у зв’язку зі збільшенням попиту на електроенергію, високу економічну ефективність (швидкий термін окупності), державні механізми підтримки ("зелений" тариф, система аукціонів тощо), успішність європейського досвіду реалізації подібних проектів (впровадження інноваційних проектів на основі гібридних систем альтернативних джерел енергії, які мають стати драйвером розвитку енергетичного сектору України та стимулювати розвиток економіки держави). Мінімізація витрат на енергетичні потреби за рахунок інноваційних технологій, відновлюваної енергетики та енергозбереження є стрімко зростаючим глобальним трендом. Запропоновано удосконалити механізми управління розвитком альтернативної енергетики, а саме механізми регулювання цін, механізми регулювання державно-приватного партнерства та механізми фінансово-бюджетного (економічного) регулювання, для впровадження на законодавчому рівні в Україні, що стимулюватиме розвиток сектору відновлюваної енергетики. Розвиток сектору альтернативної енергетики сприятиме пришвидшенню економічного зростання нашої держави, сталому управлінню енергозабезпечення регіонів, залученню нових інвестицій, створенню нових робочих місць, забезпеченню регіональної децентралізації енергопостачання, а також захисту від негативних кліматичних змін та збереженню навколишнього середовища, на шляху до вуглецево-нейтрального майбутнього України.

The dissertation work is devoted to the study of energy supply management for sustainable regional development using hybrid renewable energy systems, and scientific and methodological approaches, theoretical foundations and practical recommendations on the subject of the study are developed. The thesis presents the developed project of an autonomous and local hybrid power plant "Odeska hybrid renewable energy systems" was developed in the Bilhorod-Dnistrovskii district of the Odessa region of Ukraine and three business cases of power plants were modeled for implementation in the region: compared to electricity consumption from the grid, a cost savings effect of 41,11% was obtained when energy was consumed from a hybrid power plant over a forecast period of 25 years, as well as the possibility of obtaining 61,28% more electricity than from the grid; the combined power plant has a payback period of 10.3 years and, when combining renewable sources, has a synergistic effect, increasing the installed capacity utilization factor of the power plant to 44.45% (for example, one simulated wind farm has an installed capacity utilization factor of 27,80%, and a solar power plant – 23,10%). A regression analysis of the growth rate of the share of electricity production from renewable energy sources in Ukraine was carried out, according to which there is a slow growth rate of the share of electricity production from alternative energy sources, which makes it impossible to achieve intermediate goals in the field of renewable energy within certain deadlines approved in the official documents of our state. The positions of domestic and foreign experts, concepts, approaches to understanding the essence of the concept of "hybrid renewable energy systems" according to scientific sources are analyzed, which made it possible to improve the definition of this concept (a hybrid renewable energy systems is a combination of two or more renewable energy sources with an electricity storage system), which ensures the sustainable production of electrical energy and the synergistic effect of combining different elements of the system). Innovation and expansion of the use of renewable energy sources is the key to supporting the development of sustainable energy and protecting our planet from climate change. The main technologies for energy production from renewable sources are solar, wind, hydro and geothermal energy, tidal energy and bioenergy. In the future, new energy generation technologies based on renewable sources are expected to emerge, and the number of which will increase as the world's demand for and demand for electricity increases, as well as due to the imminent end of fossil fuels. The analysis of the features of the implementation of objects based on alternative energy sources was carried out, taking into account the potential of the regions of Ukraine, in accordance with which the total installed capacity potential of the renewable energy sector of Ukraine is 874 033 MW and has an annual potential for electricity generation in 2 717 019 million kWh/year, using modern technologies (for example, in 2021 Ukraine produced 156 576 million kWh of electricity). The necessity of transition from traditional (non-renewable) energy sources to alternative (renewable) energy sources is substantiated, because the natural potential of renewable energy will never run out; renewable energy protects the environment from climate change; in 2021, almost 69% of global investments were invested in the introduction of new renewable energy sources and only 31% are in gas, coal and nuclear power plants; there is the possibility of selling electricity to the state and receiving profit for this; energy production from altered energy sources is cheaper than technology on fossil fuel in the world. The necessity of introducing hybrid renewable energy systems is described, since when studying one object based on renewable energy sources, there are natural, technical and economic limitations that can be overcome by putting into operation combined systems (for example, a wind power plant + solar power plant + electricity storage system). The dissertation noted that at the current pace of development of the renewable energy sector without the introduction of innovative technologies, the approved goals in the energy sector will not be achieved within a certain time frame. The socio-ecological and economic factors that largely determine the positive effect of the impact of the use of alternative energy on the social, environmental and economic spheres of society are analyzed. Simultaneously with decarbonization and the implementation of climate protection goals, countries need to create and implement new jobs with a high level of worker skills to stimulate economic development. This is especially true in the current crisis state of the economy of Ukraine and the world, caused by the COVID-19 pandemic and the full-scale Russian invasion of the territory of our state. To restore the destroyed energy infrastructure, it is necessary to introduce innovative technologies for the production of electricity based on renewable energy sources. To restore the destroyed energy infrastructure, it is necessary to introduce innovative technologies for the production of electricity based on renewable energy sources. A comparative analysis of indicators of investment attractiveness of the industry of alternative energy sources has been carried out. Projects in the field of alternative energy have the highest investment attractiveness in the energy sector (in 2021, 366 billion US dollars were invested in renewable energy worldwide), the lowest implementation risks due to increased demand for electricity, high economic efficiency (quick payback period) , state support mechanisms («green» tariff, auction system, etc.), the success of the European experience in implementing such projects (implementation of innovative projects based on hybrid renewable energy systems, which should become a driver for the development of the energy sector of Ukraine and stimulate the development of the state economy). It is proposed to improve the mechanisms of state regulation of the development of alternative energy, namely, price regulation mechanisms, mechanisms for regulating public-private partnerships and mechanisms for financial and budgetary (economic) regulation for implementation at the legislative level in Ukraine, which will stimulate the development of the renewable energy sector. The development of the alternative energy sector will help accelerate the economic growth of our state, constantly manage the energy supply of the regions, attract new investments, create new jobs, ensure regional decentralization of energy supply, as well as protect against negative climate change and preserve the environment on the way to a carbon-neutral future.