Основные направления инновационного развития ТЭК за рубежом и в России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные направления инновационного развития ТЭК за рубежом и в России

М.В. Афанасьева

В статье рассматривается значение технологических инноваций в развитии мировой энергетики как ключевого фактора обеспечения конкурентных преимуществ, а также на основе анализа текущей ситуации и мировых тенденций выделяются критические направления развития по отраслям мировой энергетики до 2050 года.

Ключевые слова: мировая энергетика, топливная энергетика, научно-техническое развитие, инновации, инновационные технологические направления, критические технологические направления.

В настоящее время происходит выход мировой энергетики из фазы гиперболического роста с соответствующим изменением ее качественных характеристик. Такой процесс требует перехода от неравновесной топливной энергетики к равновесной многоукладной, предполагающей диверсификацию и изменение структуры энергетического баланса в направлении низкоуглеродной энергетики, а также повышение эффективности использования энергетических ресурсов.

В долгосрочной перспективе технологические ограничения развития будут неразрывно связаны с комплексным влиянием различных факторов глобального развития (табл. 1).

Таблица 1 Факторы глобального развития и их влияние на НТР в энергетике

Сегодня технологическое лидерство становится ключевым аспектом геополитического влияния и конкурентного преимущества. Данная тенденция означает необходимость постановки долгосрочных задач не только обеспечения энергетического комплекса высокоэффективными отечественными научно-техническими решениями в объемах, необходимых для поддержания энергетической и технологической безопасности, но и развитие разработок и направлений, обеспечивающих ее конкурентные преимущества и возможность экспорта технологических решений.

В области технологического развития сегодня ставится задача эффективного управления, что предполагает наличие качественной системы градации технологических решений (ТР) в зависимости от их характеристик и факторов среды применения. В связи с этим предполагается целесообразным выделить и проанализировать следующие групп инноваций: перспективные, ключевые, критические и прорывные технологические направления.

Под перспективным технологическим направлением понимается направление, существующее или планируемое к внедрению, рассчитанное на будущие возможности их эффективного использования с какой-либо точки зрения (экономической, технической, экологической и др.). Технологические направления, имеющие стратегическое значение для развития какого-либо экономического субъекта могут быть ключевыми и критическими в зависимости от уровня значимости (приоритетности).

Ключевое направление НТР характеризуется высокой приоритетностью для достижения желаемых целевых показателей (уровня развития) рассматриваемого объекта в тот или иной временной период (отрезок времени). Понятие ключевых ТР шире, чем критических ТР.

Критическое направление НТР обладает максимальной приоритетностью, без которых достичь желаемых целевых показателей (уровня развития) рассматриваемого объекта в тот или иной временной период (отрезок времени) считается невозможным или неполным. Критические направления могут быть определены на основе следующих критериев: технологический инновация энергетика конкурентный

- взаимосвязь с другими направлениями (влияние на них, угроза эффективности их развития в его отсутствии);

- отделенность (невозможность замещения критического направления);

- высокая вероятность технологического прорыва и/или качественного перехода в рамках данного направления (или посредством его развития) в долгосрочной перспективе;

- высокий уровень возможного влияния на структуру энергетических рынков в будущем.

Под прорывным технологическим направлением понимается направление ранее нереализуемое или реализуемое на недостаточном уровне, обладающее уникальными характеристиками, которые при их реализации способны качественно улучшить условия производства, тем самым обеспечивая наиболее выгодные конкурентные преимущества. Примером таких технологий служат технологии ССS, обеспечивающие уникальную эффективность с экологической точки зрения, или же технологии, позволяющие получить доступ к крупным запасам ресурсов (углеводородным (арктические шельфы) или возобновляемым (оффшорная энергетика)).

На основании перечня существующих трендов технологического развития в различных областях энергетики, которые, предположительно, будут доминировать в рамках нового технологического уклада, целесообразно выделять ключевые направления технологического развития мировой энергетики и уже на следующем этапе проводить определение критических технологических направлений (табл. 2) развития мировой энергетики.

На рис. 1 представлена общая схема определения и соотношения ключевых и критических технологических направлений развития мировой энергетики.

Рис. 1. Определение критических направлений развития мировой энергетики до 2050 года

Таблица 2 Критические технологические направления развития мировой энергетики до 2050 года

Представленные направления являются критическими для дальнейшего развития мировой энергетики, которая в будущем, как ожидается, будет базироваться на комплексном подходе к развитию и использованию энергоресурсов, их диверсификации, что, несомненно, повлечет изменение мирового энергобаланса. Рассмотрим их более подробно.

Биотопливо. Сегодня биоэнергетика обеспечивает 10% мировых поставок электроэнергии. Лидерами в производстве и потреблении биотоплива являются Германия, Франция, Италия и США. По данным МЭА, к 2018 г. мировое производство биотоплива увеличится на 25% - до 2,4 млн баррелей/сутки.

Биотопливные технологии в настоящее время конкурентоспособны только в регионах с тропическим и субтропическим климатом (сбор растительного сырья несколько раз в год) при цене нефти 100-110 долл./баррель. В других регионах их себестоимость доходит до 120-140 долл./баррель, что при ценах на нефть не выше 110 долл./баррель к концу 2040 г. потребует специального стимулирования производителей биоэтанола и биодизеля. Основные перспективы развития данного направления связывают с технологиями производства биотоплив третьего поколения (что, в совокупности с развитием существующих технологий, позволит вывести данное технологическое направление на мировой уровень потребления).

Комплекс технологий для добычи угольного метана. Угольный метан является важным технологическим направлением. Сегодня выделяют два базовых направления его добычи. Шахтный способ является неотъемлемой частью технологии подземной добычи угля - дегазации. Объемы получаемого метана при этом невелики, и газ используется в основном для собственных нужд угледобывающих предприятий. Скважинный способ добычи является промышленным. Он основан на применении технологии интенсификации газоотдачи пластов (самые распространенные варианты - гидроразрыв пласта, закачка через скважину воздуха или воздухо-воздушной смеси, воздействие на пласт током). Промышленно значимыми ресурсами угля, и соответственно потенциалом для добычи угольного метана (метана угольных пластов - МУП), обладают более 70 стран мира (Китай, США, Индия, Австралия, ЮАР, Россия, Индонезия и др.), на долю которых приходится около 90% его общемировой добычи. Пока наиболее изучены ресурсы угольного метана в США, Канаде и Австралии.

Добыча угольного метана, по мнению экспертов, будет неуклонно развиваться, и к 2020 г. мировая добыча метана из угольных пластов достигнет 100-150 млрд м³/год, а в перспективе промышленная добыча шахтного метана в мире может достигнуть до 470-600 млрд м³/год, что составит 15-20% мировой добычи природного газа.

Развитие технологий добычи угля. Кроме технологий чистой добычи и использования угля (ЧТУ), в которых основной акцент был сделан на сокращение выбросов твердых частиц в отработанных газах (сернистого ангидрида, окисей азота и ртути), активно решаются задачи увеличения производительности пластов за счет разработки и внедрения селективных технологий, роботизированных механизмов, а также технологий разработки мощных угольных пластов. Кроме того, до 2025 г. должны быть освоены скважинные технологии извлечения угля, включая его газификацию и гидролизацию. Потребление угля может значительно снизиться при условии проведения активной экологической политики, поэтому потенциально очень важно на коммерческой основе оснащать современные угольные станции системами улавливания и захоронения . Если это будет сделано, уголь продолжит играть важную роль в энергетике до 2050 г., причем затраты на создание устойчивой энергетики можно будет существенно сократить.

Сжижение газообразных углеводородов. В рамках данного направления предполагается развитие GTL-технологии, технологий синтетического газа (биогаз), интегрированных технологий газификации угля, технологий производства жидких продуктов из угля, мультитопливных и др. технологий. Отмечающееся расширение производства сжиженных углеводородных газов и стабильный рост спроса на производимые на их основе продукты связаны с ужесточением экологических требований к производству чистых транспортных топлив и химических веществ. Крупнейшими потребителями, вносящими наиболее весомый вклад в формирование общей картины мирового потребления СУГ, являются США и страны Азиатско-Тихоокеанского региона. Россия, с ее крупнейшими в мире запасами газа и значительным потенциалом газоконденсатных месторождений, имеет возможность для входа на рынок СУГ в качестве одного из ведущих поставщиков. Наиболее перспективная сфера использования СУГ - автотранспорт, так как проблема перехода на альтернативные виды моторных топлив приобретает все большую актуальность.

Совершенствование аэродинамических механизмов ветровой энергетики и оффшорная ветроэнергетика. Этот вид энергии является одним из самых экономически конкурентоспособных источников возобновляемой энергии и может конкурировать без специальной поддержки на рынках электроэнергии (например, Новой Зеландии и Бразилии). Оффшорная ветроэнергетика остается одной из самых перспективных отраслей среди ВИЭ, благодаря которой создается большое количество новых рабочих мест и сокращается импорт ископаемого топлива.

Большую часть новых мощностей ветровой энергетики построили Китай, США, Германия и Испания. В 2013 г. на территории 10 стран Европы было установлено 277 оффшорных ветряных турбин, суммарная мощность которых составляет 1045 МВт.

Критические направления НТР по добыче нетрадиционных углеводородов. Среди них представлены: комплекс технологий для добычи битуминозных песков и сверхтяжелой нефти, комплекс технологий для глубоководной добычи, комплекс технологий для добычи сланцевого газа и нефти, а также комплекс технологий для добычи газовых гидратов. Развитие данных направлений скажется на структуре мирового энергобаланса и, следовательно, окажет высокую степень влияния на энергетические рынки. Требуются достаточно высокие инвестиции, развитие инфраструктуры (построение дорогостоящих и масштабных технологических комплексов) и значительное количество НИОКР, что говорит о высоких барьерах для внедрения данных технологий. Однако ввиду большого количества нетрадиционных ресурсов УВ, данные направления являются крайне перспективными.

Критические направления НТР направленные на развитие существующих технологий и повышения их эффективности

Технологии CCS. Применение этих технологий может привести к сокращению выбросов CO₂, связанных с использованием угля и газа в указанных секторах, почти до нулевых объемов, что может продлить эпоху применения традиционных энергоресурсов.

Нефтехимия. Развитие данного критического направления НТР преследует следующие цели: снижение энергоемкости, повышение экологичности, повышение качества продуктов первичной и вторичной переработки, расширение продуктовой линейки.

По направлению нефтепереработки - разработка высокоэффективного оборудования и технологий первичной переработки попутных и природных углеводородных газов, увеличение объема первичной переработки нефти, повышение глубины переработки нефти и качества светлых продуктов.

По направлению нефтехимии - разработка высокоэффективных технологий и оборудования нефтехимического комплекса, повышение качества продуктов.

Основные направления инновационного развития в средне- и долгосрочной перспективе будут связаны с совершенствованием каталитических процессов (совершенствование катализаторов и условий процессов), развитием мембранных технологий, расширением линейки биосырья и биополимеров, развитием водородных технологий (в том числе технологии получения водорода с помощью ВИЭ). Данное критическое направление характеризуется высокой перспективностью и доступностью развития.

Технологии когенерации и тригенерации. Данное направление характеризуется высокой перспективностью и доступностью развития. На сегодняшний день оно получило широкое развитие в Европе и США. Благодаря использованию новейших технологий когенерация примерно в 2 раза эффективнее традиционных методов раздельного производства пара и электроэнергии, а также дает основной вклад в решение глобальных экологических проблем. Бурное развитие информационных технологий способствует формированию децентрализованной электроэнергетики на основе малых когенерационных станций, что является одной из составляющих направления «умный дом».

Развитие малой распределенной генерации (Micro Grid) на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Микросети являются быстро развивающейся областью энергетики, существенно повышают надежность всей сети, поскольку выработка электроэнергии с помощью таких систем гораздо более предсказуема. Создание в децентрализованных районах локальных микросетей представляется перспективным и зачастую единственно возможным вариантом надежного электроснабжения, поскольку в этом случае создаются благоприятные условия производителям и потребителям энергии для широкого использования ВИЭ, а также предоставляется возможность влиять на процесс оптимизации работы микросети с целью снижения себестоимости электроэнергии.

Гибриды и электромобили при развитии могут оказать значительное влияние на структуру мировой энергетики, однако по-прежнему требует высоких инвестиций в новые разработки и создание необходимой инфраструктуры, отличающейся на текущем этапе низкой доступностью развития.

Технологические направления по развитию солнечной энергетики - фотоэлементы и концентрированная солнечная энергия (CSP-технологии). Данные технологии требуют проведения активных НИОКР, и не окажут существенного влияния на структуру мирового энергетического баланса в долгосрочной перспективе.

Технологии с определенными в рамках консенсус-прогнозов базовыми тенденциями развития

Smart Grid и технологии оперативно-диспетчерского управления, накопители электроэнергии уже получили широкое распространение и будут востребованы в долгосрочной перспективе.

Развитие проводников нового поколения отличается высокими барьерами развития, так как требует проведения большого количества НИОКР по разработке новых материалов.

Комплекс технологий для добычи нефти и газа в Арктике может оказать значительное влияние на развитие энергетических рынков в будущем ввиду обилия минерально-сырьевых запасов в данном регионе, однако отличается повышенными барьерами (экономическими, экологическими, технологическими) для внедрения относительно других углеводородов.

Повышение нефтеотдачи - главным образом за счет развития третичных методов увеличения нефтеотдачи (МУН), а именно новых тепловых, газовых, химических и микробиологических технологий. Конечно, это направление не окажет решающего влияния на энергетические рынки в будущем, однако отличается высокой перспективностью для расширения запасов добываемых.

Сверхкритическое сжигание угля. Цель технологий усовершенствованного цикла - повысить эффективность до 50-55% (то есть на 20% выше средней эффективности, равной сейчас 35%) благодаря более высокой рабочей температуре и показателям давления, чем у обычных паровых станций. Такие усовершенствования могут иметь важнейшее значение для снижения выбросов СО₂, так как технологии сверхкритического парового цикла представляют собой основу для применения технологии CCS на угольных электростанциях.

Направления развития бытовой инфраструктуры - «Пассивные и активные дома» (получили широкое распространение в Европе, Китае, Японии) и более перспективное, но отличающее меньшей доступностью ввиду масштабности требуемой и неразвитостью современной инфраструктуры - «Умные города».

К этой же группе можно отнести критическое направление НТР «Интегрированные системы хранения энергии для ВИЭ». Направление является перспективным, но характеризуется высокими барьерами для развития и широкого распространения (НИОКР, большие инвестиции в развитие инфраструктуры).

В мире доля возобновляемой энергетики увеличится до 15% к 2035 г. с нынешних 3%, и половина введенных мощностей придется на Китай и ЕС, а субсидирование этой сферы увеличится в 5 раз, достигнув уровня 180 млрд долларов. По мнению некоторых экспертов, электроэнергия, получаемая сегодня с помощью ВИЭ вкупе с гибкими электрическими системами, составит к 2050 г. более 80% от общего объема всей электроэнергии. Менее оптимистичные прогнозы говорят о том, что эта цифра не достигнет и уровня 50%. Ряд стран уже показал возможность интеграции большого объема электрической энергии из децентрализованных источников, однако на сегодняшний день в некоторых странах ВИЭ не выдерживают конкуренции с другими энергоносителями.

Технологии, характеризующиеся высокой степенью неопределенности в развитии и относительно низким уровнем текущей освоенности

Комплекс водородных технологий. Направление характеризуется высокой стоимостью разработок, которые могут быть широко развиты после 2040 года. Водородные технологии для мировой энергетики, и России в частности, получат свое развитие только в долгосрочной перспективе (однако работы над ними ведутся уже достаточно долгое время в различных регионах мира). Ведется работа над созданием эффективных технологий получения водорода (из природного газа и тяжелых нефтяных остатков, на основе реакции термолиза, солнечной энергетики и др.), безопасных технологий хранения водорода, технологий получения электроэнергии в топливных элементах на основе водорода, используемой для приведения в движение транспортного средства.

Термоядерные реакторы. Самой серьезной альтернативой современным источникам энергии считается управляемый термоядерный синтез. Основными преимуществами ядерного синтеза состоят в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространенных в природе веществ, а также отсутствие выбросов CO₂ и загрязнения атмосферы. Основная проблема в реализации данного направления сегодня связана с недоверием общественности в отношении обеспечения безопасной работы ядерной энергетики и всевозможных последствий нарушения работы реакторов, а также существует целый ряд сложностей технологического характера, требующих большого количества НИОКР. По прогнозам, уровень распространения ядерных технологий к 2025 г. составит только 100 ГВт, то есть будет ниже уровня необходимого для достижения целей 2DS - сценария МЭА. Это представляет собой падение около 15% мощности всей отрасли. В этой отрасли ожидается также ужесточение требований стандартов безопасности и, следовательно, рост необходимого количества инвестиций в эту сферу.

Топливные элементы. Высокая эффективность и возможность использования топливных элементов для отопления и местного производства - их ключевое преимущество. Отмечается высокий потенциал применения топливных элементов в транспортном секторе в долгосрочной перспективе, однако топливные элементы и другие новые технологии децентрализованного производства электроэнергии требуют дальнейших НИОКР. К 2050 г. топливные элементы могут составить 3% мировых генерирующих мощностей, то есть примерно 180-300 ГВт.

Повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Прогнозируется рост конкурентоспособности традиционных ДВС на фоне роста цен топлива для электроэнергетики и снижения цен нефти (из-за снижения спроса). Новые технологии активно привлекаются производителями АТС и энергетических установок традиционных конструкций с целью удержать объемы существующих производств, принимая во внимания растущую конкуренцию со стороны новых энергетических установок. Для этого разрабатываются и модернизируются ДВС, способные работать на различных традиционных и альтернативных видах жидких и газообразных топлив (энергоносителях).

Модификации технологии кипящего слоя. Технология сжигания топлива в псевдоожиженном слое является достаточно освоенной, и поэтому может внести свой вклад в кратко- и среднесрочной перспективе. Если другие более новые технологии сжигания ископаемого топлива будут достаточно развиты, то она может быть вытеснена после 2020 года. Тем не менее данная технология может сыграть свою роль для определенных видов низкокачественного топлива.

К перспективным межотраслевым направлениям, развитие и внедрение которых предполагается на всем горизонте до 2050 г. и за его пределами, относятся разработки материалов, используемых в энергетике. В этой области перспективы связаны с различного рода наноматериалами, а также с развитием возможностей инжиниринга для создания соединений с необходимым набором заданных параметров.

В табл. 3 представлены сводные оценки по значимости критических направлений, степени, вероятности и периоду их воздействия на мировую энергетику до 2050 года. Как видно из результатов оценки, большинство критических направлений будут фигурировать в долгосрочной перспективе, воздействие многих из них по существующим прогнозам простирается за горизонт 2050 года. Наибольшее влияние на структуру мировой энергетики будет оказано в случае ухода от современного энергобаланса и глобального развития альтернативных направлений, чем обусловлено возможное угасание «углеродных» направлений после 2025 и 2035 гг. (см. табл. 3). Многовариантность существующих прогнозов и сценариев НТР не позволяет дать точную оценку, однако на базе широко спектра различных источников мы можем говорить о ключевых тенденциях, консенсус-прогнозах уже сегодня и получить возможность «предугадывания» технологической картины будущего.

Таблица 3 Сравнительный анализ критических направлений НТР

Литература

1. Руководство Осло. Рекомендации по сбору и анализу данных по инновациям. 3-е изд., пер. с англ. М., 2010. 107 с.

2. Яковец Ю.В. Анализ факторов научно-технологического развития в контексте цивилизационных циклов / под ред. Ю.В. Яковца, В.Л. Абрамова. М.: МИСК, 2012. 456 с.

3. Соколов А.В. Метод критических технологий // Форсайт № 4 (4), 2007.

4. Материалы Института энергетической стратегии (ГУ ИЭС).

5. Материалы проекта «Банк энергетических технологий» ЭКЦ «Мировая Энегретика», 2012.

6. Energy Technology Initiatives / International Energy Agency, 2010.

7. Energy Technology Perspectives - Scenarios & Strategies to 2050 / International Energy Agency, 2006.

8. Energy Technology Perspectives (ETP) / International Energy Agency, 2012.

9. Invention and Transfer of Environmental Technologies. OECD. 2011.

10. OECD Science, Technology and Industry Outlook 2012, OECD Publishing

11. Power Research / Branan, 2011.

12. Scanning & Bibliometrics: Technical Report / The University of Manchester, 2012.

13. Synthesis Report / Manchester Energy Foresight, 2012.

14. Международное энергетическое агентство (IEA). URL: http://www.iea.org/

Размещено на Allbest.ru