Стратегическое планирование городской инфраструктуры через призму энергоэкологического метаболизма

Увеличение численности населения городов и тенденция к образованию городских агломераций неизбежно приводят к усложнению транспортной, энергетической и коммунальной инфраструктуры. Что в свою очередь, повышает требования к управлению и упорядочиванию потоков энергоресурсов и отходов, образующихся на урбанизированных территориях. Актуальным становится вопрос способности города наиболее эффективно преобразовывать ресурсы. Термин «городской метаболизм» появляется в научно-технической литературе во второй половине ХХ столетия. Естественно, чтобы рассматривать город как единую систему, ее нужно сначала формализовать, а затем масштабировать опыт анализа отдельно взятых объектов. Такой подход легче реализовать с использованием информационных технологий. Современные подходы по повышению качества жизни в мегаполисах направлены, как правило, на цифровизацию и автоматизацию функционирования систем жизнеобеспечения города.

Наравне с концепцией Smart City или методикой оценки IQ городов Российской Федерации, возникает необходимость уделять большее внимание энергетической и технологической эффективности мегаполиса с сохранением требований к экологической безопасности инфраструктуры. Разработка практически обоснованного базиса для анализа энергетических потоков позволит задать вектор городского планирования в контексте увязки схем тепло-, электро- и топливоснабжения (в частности, газоснабжения) для повышения безопасности и автономности функционирования урбанизированных территорий. Данными для цифровой модели города могут стать результаты технологических и экологических аудитов, актуальные схемы тепло-, водо-, газо- и электроснабжения.

В то же время дефицит электрических и тепловых мощностей в ряде городов Российской Федерации, высокий износ коммунальных сетей, проблемы с вывозом и эффективной утилизацией отходов приводит к необходимости применения системного подхода для анализа энергетических потоков города и сопутствующего экологического ущерба. На сегодняшний день задача адекватного сравнения энергоэкологической эффективности крупных городов приобрело высокую актуальность. В частности, применение условно расчетных показателей выбросов парниковых газов в зонах охвата крупных агломераций не дает понимания сути происходящих в городах процессов, реальной энергоэкологической эффективности городского метаболизма, и соответственно, не способствует выработке действенных мер повышения эффективности.

Пилотным исследованием в области городского метаболизма принято считать работу Уолмана [1], который в 1965 году представил структуру города с учетом потоков энергии, отходов и водных ресурсов. С современной точки зрения такой подход может казаться упрощенным на фоне наличия практики составления топливно-энергетических балансов регионов и населенных пунктов, однако, работа Уолмана позволила, в первую очередь, акцентировать внимание на данной проблематике и создать базис для дальнейших исследований. Следующей важной вехой стала разработка специфичных количественных показателей для оценки особенностей функционирования городской инфраструктуры. В представленной в 1983 году работе Одума [2] предложена методика оценки энергетических потоков через эквиваленты солнечной энергии как универсальной метрики.

Очередной виток развития исследований в данной области пришелся на 2000-е годы, когда в научно-технической литературе и средствах массовой информации начали широко обсуждаться вопросы возобновляемых источников энергии, способов обращения с отходами и снижения выбросов парниковых газов [3].

Важно отметить, что подходы по оценке метаболизма города с акцентом на экономические факторы, такие как: ВВП на душу населения или ВВП на единицу потребленной энергии несут в себе риски спекулятивного характера. Переход на денежные эквиваленты при анализе проблем системного характера чреват выбором стратегически неверных решений в силу сильной волатильности стоимости широкого спектра товаров и услуг. Тем самым важно оперировать исключительно физическими величинами на базе материальных и энергетических балансов. В то же время, энергоэкологический метаболизм – это не балансовый метод в чистом виде, а методика поиска направлений стратегического планирования города, опирающаяся на топливно-энергетический баланс и иные документы, регламентирующие его энергетическое хозяйство [4]. Такой подход продиктован тем, что барьеры развития индивидуальны для каждой отдельно рассматриваемой урбанизированной территории.

К примеру, углеродный след крупных столиц (Токио, Париж) может быть выше, чем у городов в странах, которые принято относить к развивающимся (страны БРИКС). Это обусловлено тем, что подушевой углеродный след характеризует не только технологию генерации электрической энергии, но и численность населения с учетом общего уровня развития промышленности рассматриваемого объекта. По этой причине густонаселенные города Юго-Восточной Азии с доминирующей долей угля в энергобалансе могут оказаться «экологичнее» европейских столиц с современной энергосистемой.

Первым этапом при анализе энергоэкологического метаболизма города предлагается ранжирование городов по уровню метаболизма с точки зрения подушевого потребления энергии.

Второй этап – определение текущих ограничений развития и эволюционных ловушек с учетом уровня метаболизма городов. К примеру, Московская область имеет дефицит по располагаемой электрической мощности, а ряд крупных городов Подмосковья – по располагаемой тепловой мощности. Эти аспекты представляют собой текущие ограничения по развитию города с точки зрения повышения уровня его метаболизма. Другим ограничением, отнесенным скорее к будущему, а не к настоящему являются, так называемые, эволюционные ловушки, с которыми неминуемо столкнется город в ближайшей перспективе при сохранении нынешних социокультурных и экономических моделей развития.

Третий этап – анализ климатической уязвимости объектов энергетической инфраструктуры в контексте влияния динамики изменений температуры, влажности и иных погодных условий на режимы работы энергетического оборудования.

Четвертый этап – построение поточных диаграмм и прогнозирование тепло-, электро-, водо- и топливопотребления. Задача представляет собой визуализацию движения энергетических потоков городской среды.

Пятый этап – разработка мероприятий стратегического характера и направлений совершенствования энергоэкологического метаболизма города с учетом текущего уровня метаболизма. Заключительный этап методологии базируется на результатах работы по предыдущим четырем этапам и предназначен для разработки документа стратегического планирования энергетической инфраструктуры города.

Зачастую под стратегическим планированием городского развития подразумевается метод обеспечения конкурентоспособности города в условиях глобализации и с акцентом на социально-экономические показатели. Однако, с учетом современных климатических и инфраструктурных вызовов стратегическое планирование города является многомерной и многоуровневой задачей, охватывающей взаимоувязанные аспекты жизни человека и поэтому может быть решена исключительно в разрезе междисциплинарного научного подхода.

1. Wolman A. The metabolism of cities: Scientific American 213 (3), 179–190, 1965.

2. Odum H. T. Systems Ecology, an Introduction: Wiley-Interscience, New York, NY, 1983.

3. Kennedy, Christopher A. et al. «The study of urban metabolism and its applications to urban planning and design» Environmental pollution 159 8-9 (2011): 1965-73.

4. Федюхин А.В., Гашо Е.Г. Методические подходы к анализу энергоэкологического метаболизма городов // Глобальная энергия. 2024. Т. 30, № 1. С. 91–107.