Науково-технологічні прогнози розвитку енергетики Росії.. Загальні питання.

27.07.2015

Наука і технології // Загальні питання
Науково-технологічні прогнози розвитку енергетики Росії

Розглянуті базові умови науково-технологічного прогресу в енергетиці, очікувані його проривні напрями, зміст процесу і способи вибору пріоритетів НТП, а також можливі результати інноваційного розвитку енергетики найближчим двадцятиріччя з перспективою до 2050 року.

Прискорюватися глобалізація економіки і суспільства настійно вимагає вивчення можливостей і стратегічних пріоритетів інноваційного розвитку антропогенної енергетики — охоплює всю населену територію планети механізму перетворення енергії, створеного людиною для своєї життєдіяльності. Сьогодні антропогенне енергетика в 15 разів перевищує сукупну енергію живуть на Землі людей і в 60 разів — їх потужність; вже помітна у біосфері планети, досягаючи 5% енергії процесів фотосинтезу, що забезпечують життя на Землі; поки неможливо розрізнити на космічному рівні, складаючи менше двох десятитисячних надходить на Землю енергії Сонця.

В [1] на основі аналізу сучасних тенденцій і прогнозів розвитку антропогенної енергетики та кон’юнктури світових ринків палива були розглянуті кращі сценарії розвитку паливно-енергетичного комплексу світу і Росії на період до 2030 року. В рамках цих прогнозів тут показані світові тенденції технологічного прогресу в енергетиці, їх обумовленість досягненнями інших галузей знань і особливості прояву в енергетиці Росії. При цьому горизонт прогнозування розширено до 2050 року, бачення якого потрібно в енергетиці (як однієї з найбільш інерційних сфер людської діяльності) для своєчасної підготовки фундаментального наукового заділу по всьому фронту нарощування знань.

Інновації в енергетиці мають яскраво виражений інтернаціональний характер і глобальні тренди. Розглянемо їх на основі останнього технологічного прогнозу Міжнародного енергетичного агентства (МЕА) (Центр прогнозування розвитку світової енергетики та забезпечення енергетичної безпеки 29 розвинених країн Організації економічного співробітництва і розвитку — ОЕСР) [2], а потім обговоримо особливості інноваційного розвитку енергетики Росії, завдання їх обліку і способи відображення в енергетичній політиці країни. Науково-технологічний прогрес в енергетиці асимілює досягнення і є одним з найважливіших каналів практичної реалізації результатів практично всіх наук, які і створюють базові умови (передумови) для інноваційного розвитку енергетичної основи людства.

На рис. 1 різноманіття областей людських знань умовно представлено прийнятим в РАН складом відділень наук. Результати одних наук (передусім про економіку і екосфері) впливають на вимоги суспільства до розвитку енергетики, інші (геологія, біологія, фізика) визначають доступні енер-горесурсы, треті (фізика, хімія, механіка) створюють передумови для енергетичних інновацій, четверті (математика, інформаційні технології, процеси управління) забезпечують керованість створюваних енергетичних технологій і енергосистем. Пройдемо коротко по цьому колу.

Вимогу зростання добробуту суспільства багато в чому визначає динаміку енергетики. Як показано на рис. 2, в базовому сценарії МЕА [2] попит на енергію зросте з 2005 р. більш ніж у півтора рази до 2030 р. і майже подвоїться до 2050 р. І хоча світова фінансово-економічна криза явно знизить ці прогнози, такий тренд зростання енергоспоживання є завідомо тупиковим.

Справді, за перші три чверті ХХ століття середнє по світу споживання енергії на душу населення збільшилося у 2,5 рази, а після нафтової кризи кінця 1970-их років виникла обнадійлива тенденція стабілізації душового споживання [3, 4]. Але буквально за останні роки душове енергоспоживання по світу в цілому знову швидко виросло і висхідна тенденція триває в базовому прогноз МЕА (див. вставку на рис. 2). Збереження душового споживання на середньому рівні кінця ХХ століття (гіпотетичний сценарій рис. 2) зменшило б приріст попиту на енергію втричі, що, напевно, утопічно. Але є досить реалістичним (з урахуванням необхідного підвищення добробуту і энергообеспеченности населення країн) показаний на рис. 2 цільовий сценарій з подвійним уповільненням зростання душового енергоспоживання. Це зажадає зниження споживчих устремлінь так званого «золотого мільярда» в розвинених країнах і уповільнення їх зростання в країнах, що розвиваються.

Від суспільних наук хотілося б отримати економічні і соціальні заходи відходу від споживацької парадигми розвитку суспільства, але без істотної втрати напруженості і продуктивності діяльності людей, які сьогодні всіляко заохочуються в розвинених країнах доступністю споживчих кредитів і караються жорсткими заходами по їх поверненню. З рис. 2 видно, що це дозволило б уповільнити зростання енергоспоживання приблизно в півтора рази, полегшуючи навантаження на енергетику і навколишнє середовище.

Вимогу екологічної безпеки людства на планеті визначає не тільки динаміку, але і структуру енергетики. Як показано на побудованому за даними [2] рис. 3, в базовому сценарії МЕА породжувана енергетикою емісія парникових газів зросте з 28 млрд. тонн СО2 у 2005 р. до 62 млрд. тонн у 2050 р. (що підвищить температури Землі на 6°С від сьогоднішнього рівня) і на розвиток світової енергетики потрібно 65 трлн. доларів. Для зменшення емісії в 2050 році більш ніж удвічі з поверненням до рівня 2005 р. (зелена лінія на вставці рис. 3) потрібно додатково 17 трлн. доларів капіталовкладень, а для її скорочення ще наполовину (до 14 млрд. тонн СО2, що за існуючими оцінками забезпечить стабілізацію клімату планети) потрібні майже вдвічі більші капіталовкладення.

Дуже важливо, щоб науки про Землю в частині кліматології і екосфери визначилися з реальністю загрози клімату від емісії парникових газів і при необхідності виробили ефективні протидії, включаючи наукові основи і методи геоинженерии. В іншому випадку збереження клімату шляхом зниження емісії парникових газів майже подвоїть капіталовкладення в енергетику — з 65 до 115 трлн. доларів.

Енергоресурси: кількість і якість. Людство забезпечено технологічно доступними ресурсами енергії на століття і Росія — тим більше. Як показано на рис. 4 (добре узгоджується з даними [1] табл. 1), сучасний щорічний витрата природних енергоресурсів людством становить 5 десятитисячних від ресурсів органічного палива (нафти, газу і вугілля, разом узятих) або 3 десятитисячних від ресурсів урану. Однак ці вичерпні енергоресурси в сумі не становлять і п’ятої частини річного потоку сонячної енергії на Землю, який породжує енергію вітру, води і енергію фотосинтезу. А адже є ще й величезна геотермальна енергія Землі, великомасштабне освоєння якої тільки починається.

Раніше чи пізніше технологічний прогрес в енергетиці зробить ці ресурси доступними, а поки реальна проблема полягає в вичерпання економічно прийнятних запасів нафти і газу. За 150 років статистичних спостережень з надр вилучено 33% економічно доступною частини розвіданих запасів нафти, 14% газу і 9% урану, але тільки 4% вугілля. Доступність ефективних ресурсів вуглеводнів дійсно стане визначати розвиток антропогенного енергетики в найближчі десятиліття..

Від наук про Землю в частині геології потрібні нові методи розвідки і освоєння родовищ вуглеводнів на суші і шельфі (включаючи підлідну видобуток), які дозволили б за 20 років збільшити їх економічно прийнятні запаси в 1,7 рази до 2030 року і втричі до 2050 року. Без цього зростання видобутку нафти зупиниться і перейде в падіння через 10-15 років і газу через 20-25 років, що різко підвищить вимоги до технологічної перебудови енергетики і ймовірно сповільнить розвиток світової економіки.

Хороші перспективи має використання геотермальної енергії. Особливу проблему становить створення методів промислового освоєння газогідратів, ресурси яких в зонах вічної мерзлоти і на морському глибоководді на порядок більше ресурсів природного газу.

Біологічні науки можуть в майбутній період також сприяти розширенню ресурсної бази енергетики створенням способів отримання дешевої біомаси.

Нові енергетичні технології на період до 2050 року докладно описані та систематизовані в [2] за результатами дворічних досліджень майже 2000 фахівців з країн OECD (інших не запрошували). По цілям, масштабом і методології вони близькі до енергетичного розділу розробленої в 1980-ті роки під керівництвом спочатку академіка Ст. А. Котельникова і потім академіка А. В. Анчишкіна «Комплексної програми науково-технічного прогресу СРСР».ru/images/iren/%3ED0%B7%D0%B0%D1%82%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%8B.gif» /%

Таким чином, «парникова загроза» обіцяє світовому науковому співтовариству 15 трлн. доларів, що майже вдвічі більше витрат на дослідження і розробки у військових цілях (у випадку збереження їх поточних річних обсягів). Не дивно, такі приманки зустрічають гарячий відгук у певних колах.

У прогнозі МЕА зроблено висновок, що технології, які вже доведені до стадії дослідно-промислової перевірки, здатні вирішити поставлені перед енергетикою завдання як мінімум до 2030 року. Здавалося б, проблема інноваційного розвитку енергетики на даному етапі вирішена.

Але слід підкреслити, що цей технологічний пакет МЕА цілком орієнтований на кон’юнктуру західних енергетичних ринків, причому дві третини цих технологій (за вартістю) спрямовані на агресивне зниження емісії парникових газів. Як буде показано нижче, пріоритети і, головне, техніко-економічні характеристики цих технологій значною мірою нераціональні для енергетики Росії.

У цьому зв’язку необхідно хоча б коротко розглянути критерії і методи визначення пріоритетних напрямів науково-технологічного прогресу в енергетиці.

Енергетика являє собою яскраво виражену міждисциплінарну науку. Вона формує нові знання про методи перетворення енергії, створює кошти таких перетворення інтеграцією досягнень практично всіх інших галузей знань, що досліджує закономірності розвитку антропогенної енергетики в цілому.

Об’єктами та результатами енергетичних досліджень є:

1) Наростаючий потік можливих енергетичних технологій. Вони створюються на базі фундаментальних заділів фізики, хімії, а тепер і біології такими фізико-технічними дисциплінами, як електрофізика і електротехніка, теплофізика і теплотехніка, гідравліка і гідротехніка, атомна фізика і техніка. У цьому істота досліджень і основа технологічного прогресу в енергетиці та за приблизними оцінками на них припадає до 70% наукових зусиль у цій галузі.

Назвемо аж ніяк не повний склад перспективних технологічних можливо-стей. З області фізики: фотоелементи третього покоління з к. п. д. до 40-60%, кото-рие забезпечать широке використання сонячної енергії; суперконденсатори високої ємності і освоєння надпровідності обіцяють революцію в накопиченні та передачі електроенергії з масовою електрифікацією транспорту і заміною нефтетоплива; швидкі реактори з замкнутим паливним циклом зроблять атомну енергетику відтвореної по ядерному пальному навіть при високих темпах розвитку. Дослідно-промислове освоєння термоядерної енергії особливо з прямим перетворенням радіаційної енергії в електричну дає надію вирішити проблему обмеженості енергоресурсів.

На досягненнях хімії та наук про матеріали розробляються технології отримання рідкого палива з газу, вугілля, сланців і особливо з біомаси, а також методи і засоби прямого перетворення хімічної енергії в електричну. Використання електроенергії, як відомо, почалося з гальванічних елементів, зараз потужність хімічних акумуляторів перевищує потужність всіх електростанцій Землі, а попереду — розвиток паливних елементів для транспорту і розподіленої енергетики.

Зрозуміло, що матеріалізувати фізичні явища та хімічні процеси неможливо без матеріалознавства і машинобудування.

Досягнення біології та хімії дають наукову основу для конверсії біомаси різних видів високоякісне рідке та газове паливо з допомогою ферментації, для створення нових видів целлюлозосодержащіе культур підвищеної продуктивності, не конкурують з харчовими культурами, та інших технологій біоенергетики.

2) З числа можливих технологій енергетична наука відбирає ефективні енергетичні технології. Це робиться за критеріями економічної ефективності (внесок суспільних наук) та екологічної прийнятності (формується науками про Землю) з урахуванням усіх аспектів надійності і керованості технологій — їх забезпечують досягнення математики, інформаційних технологій і процесів управління. Цьому присвячено 10-15% енергетичних досліджень. Здавалося б, вони і визначають пріоритети НТП в енергетиці.

Але, по-перше, названі критерії вибору ефективних технологій вельми неоднозначні і дуже суперечливі: зрозуміло, чим надійніше і «екологічніше» технології, тим вони дорожче. По-друге, енергетичні технології зазвичай не працюють ізольовано, а в комплексах або системах, де сума локальних оптимумов за визначенням не відповідає глобальному.

3) Тому важливим напрямом енергетичної науки є дослідження і конструювання енер-тичних систем, на що доводиться ще 10-15% її зусиль. Системні дослідження в енергетиці на базі математичного моделювання та ЕОМ широко розгорнулися з 60-их років [5] і радянська школа засновника нашого інституту академіка Л.А. Мелентьєва (У грудні 2008 року ми відзначили сторіччя його народження) займала лідируючі позиції у світі. Але невизначеність майбутнього так велика, а науково-технологічний процес настільки спонтанний, що і ця методологія не забезпечує достатньо надійного передбачення інновацій.

4) Тому для визначення ефективних напрямків і пріоритетів науково-технологічного прогресу до всього сказаного доводиться залучати дослідження тенденцій еволюції просторового і виробничої розвитку енергетики, тобто квінтесенцію того, «як це було насправді» в минулому. На це спрямовано до 5% енергетичних досліджень.

Просторовий розвиток енергетики слід тенденції створення міждержавних, трансконтинентальних та глобальних систем. Вони мають потужну фізико-технічну основу у вигляді трубопровідних та електричних мереж і одночасно виступають як все більш складні виробничі системи, а тепер і як енергетичні ринки. Сформовану в 1980-90-ті роки глобальну нафтову систему в найближчі 10-15 років доповнить (і інтегрується з нею) глобальна система газопостачання (на рис. 5 показані результати наших досліджень [6, 7] можливої конфігурації її ядра — Євразійської газопостачальної системи в період до 2030 року). Пізніше, ймовірно після 2030 року для широкого використання космічної та термоядерної енергетики потрібна глобальна інтеграція регіональних електроенергетичних систем.

Ефективна технологічна і виробнича структура енергетики гармонізує всі стадії і технології перетворення енергії від її джерел у природному середовищі (первинна енергія) до використання у споживачів (кінцева енергія). На рис. 6 показані тільки основні потоки перетворення енергії (і виникаючі при цьому втрати), в дійсності вони на порядки більше різноманітні і швидко ускладнюються в часі.

З середини ХХ століття в більшості індустріальних країн і світу в цілому кінцева енергія становить 37-39% від первинної, що навіть менше коефіцієнта використання енергії первісного багаття в печері. Цей парадокс отримав пояснення як результат дії різно спрямованих тенденцій, головна з яких — швидке зростання різноманітності кінцевого споживання і перебудова його структури на користь енергії все більш високої цінності.

Цінність енергії можна виміряти як добуток щільності потоку енергії на керованість — величину, зворотну середньоквадратичне відхилення фактичного режиму енергетичного процесу від цільового. Табл. 2 і рис. 7 [8] показують, що за ХХ століття цінність використовуваної людиною енергії збільшилася на 15 порядків — з 105-107 Вт/м 2 на його початку (упряжка коней, водяне колесо, сталеплавильна піч) до 1020-1024 Вт/м 2 у кінці століття (ядерна бомба, лазер, транзистор в інтегральній схемі).

Між тим, чим вище цінність енергії, тим нижче ККД її отримання. Знання цих тенденцій дозволяє ставити за мету досягнення до середини століття не менше 50% для основного індикатора НТП в енергетиці — загального коефіцієнта використання енергії — і відповідно будувати технологічну політику і засоби досягнення цієї мети. Але для цього потрібно бачити можливі напрями зміни структури кінцевого енергоспоживання.

На рис. 8 показано, що при прогнозованому МЕА подвійному зростанні світової енергетики з 2005 по 2050 роки частка електроенергії в забезпеченні кінцевої енергії збільшиться за існуючих тенденцій з 25 до 33% при зменшенні частки прямого спалювання палива (в сумі пічного і моторного) з 69 до 63% і тепла (пар, гаряча вода) з 6 до 4%.

Від цієї традиційної траєкторії відповідно до «водневої ініціативою Буша» США, Євросоюз, Японія намічають піти на сценарій водневої енергетики. Навіть за оптимістичними оцінками водень забезпечить не більше 10% кінцевого споживання, що потребує створення інфраструктури з виробництва, транспортування, зберігання та розподілу (до автозаправок) до 3 трлн. кубометрів цього сверхлетучего і вибухонебезпечного газу (для порівняння: нині у світі видобувається майже в півтора рази менше природного газу). Це майже не змінить частки електроенергії в кінцевому енергоспоживанні, а частку палива (в основному рідкого) зменшить до 55% і тепла до 3%. Але навіть при широкому заміщення нинішнього електролізу води термохімічними технологіями отримання водню його використання вимагає великої витрати електроенергії. Між тим, нефтетопливо він буде заміщати на паливних елементах з отриманням знову ж електроенергії — автомобіль на водні це по суті електромобіль. В результаті отримаємо як би особливий накопичувач електроенергії, але з ККД циклу менше 20%.

Альтернативою служить сценарій електричного світу, коли більше половини кінцевого споживання забезпечить електроенергія. На якісно нових акумуляторах вона зменшить пряме спалювання палива до 47%, насамперед, на транспорті і в розподіленої енергетики, а при освоєнні надпровідності полегшить до того ж використання відновлюваної енергії, особливо сонячної і приливної.

Це одна з найважливіших розвилок інновацій в енергетиці. Від того, хто виграє перегони ідей і технологій в області ефективного акумулювання електроенергії, сильно залежить затребуваність інших напрямків НТП і взагалі конфігурація енергетики майбутнього. У прогнозах МЕА ясність з цієї проблеми поки відсутня.

Перейдемо до енергетики Росії, яка має важливі особливості. Насамперед, це висока забезпеченість порівняно дешевими енергоресурсами — ми маємо 15% світових розвіданих запасів при менш 3% населення. Це важлива особливість всіх энергоэкспортирующих країн.

А тепер про специфічні особливості. Насамперед, Росія сама холодна і протяжна (11 часових поясів) країна з дуже низькою щільністю населення і енергетичної інфраструктури — відповідно в 4 і 7 разів менше, ніж у США. Далі, енергетична ефективність російської економіки в 5 разів гірше середньосвітовий, а навантаження енергетики на економіку в 4 рази вище: капіталовкладення в нашу енергетику становлять 6% від ВВП при 1,5% по світу в цілому. Нарешті, Росія щонайменше нейтральна до потепління клімату, а можливо і виграє від цього.

Вплив цих особливостей на пріоритети НТП проілюструємо на прикладі енергопостачання умовного селища з 100 будинків (або сельхозфермы, рибозаводу тощо) в Німеччині (номер 1), на півдні (2) і в центрі (3) Росії. Для цього на рис. 9 показані витрати на отримання на ці цілі енергії від енергосистеми, за рахунок використання біомаси, вітру і сонця.

У Німеччині витрати на біоенергетику вже стали менше, а витрати на вітрову енергетику практично зрівнялися з витратами на енергію від енергосистеми (якщо в ній врахувати плату за викиди парникових газів), хоча сонячна енергетика і там поки вимагає 100-відсоткових дотацій. На півдні Росії энергоклиматические характеристики практично ідентичні німецьким і всі поновлювані енергоресурси коштують майже стільки ж. Але енергія від енергосистеми через дешевого палива навіть з урахуванням втричі великих витрат на її доставку коштує в півтора рази менше. Це відкладає застосування нових джерел, поки ціни палива не досягнуть сучасних європейських. У центральній же Росії сдвіжка в часі буде ще більше: з-за гірших кліматичних умов поновлювані енергоресурси тут на 20-40% дорожче, ніж на півдні.

Названі особливості енергетики змінюють пріоритети НТП. Для Росії це насамперед енергозбереження та технологічний пакет МЕА в цій частині для нас цілком цікавий. Далі, при відносно дешевому паливі нам потрібні менш капіталомісткі технології навіть з дещо гіршими ККД. Особливо важливі для нас технології далекого транспорту енергії і розподілена (децентралізована) енергетика. Крім того, у своїй технологічній політиці Росії доцільно проявляти помірність у стримуванні емісії парникових газів.

До цих пір мова йшла про напрямках НТП в енергетиці. Але ще важливіше масштаби його застосування, які визначаються прогнозом розвитку енергетики. В цьому відношенні в останні півтора року зроблений гарний заділ при розробці Енергетичної Стратегії Росії на період до 2030 року. Розгорнувся світова криза змусила істотно скорегувати наведені в [1, 9] її основні сценарії і тепер згідно з розрахунками нашого інституту очікується зростання відносно 2005 року:

— споживання енергії в залежності від сценарію на 37-55% до 2030 р. та в 1,6–2 рази до 2050 р. (рис. 10),

— виробництва енергоресурсів відповідно на 25-35% і 33-50% при істотному заміщення нафти і газу атомною енергією, відновлюваними ресурсами і вугіллям (рис. 11),

— експорту палива на 18-20% в період до 2020 року з подальшим зниженням до 2050 р. до 85-98% від величини експорту у 2005 р. (рис. 12).

Перед нашою енергетичної наукою стоїть завдання визначити з урахуванням світових тенденцій свої пріоритети НТП і створити технології з параметрами, що відповідають російським умовам. Відповідні роботи вже ведуться, але головне ще належить зробити. Важливо визначити і закріпити документами Енергетичної стратегії склад, параметри, терміни та розміри застосування пріоритетних енергетичних технологій з необхідним фінансуванням.

Література

Макаров А. А. Перспективи розвитку енергетики Росії // Вісник РАН. 2009 №3.

Energy Technology Perspectives. Scenarios & Strategies to 2050. International Energy Agency. Paris. 2008.

Energy Balances of Non-OECD Countries 2004-2005. International Energy Agency. Paris. 2006.

Макаров А. А. Фортів Ст. Е. Тенденції розвитку світової енергетики та енергетична стратегія Росії // Вісник РАН. 2004 № 3.

Мелентьев Л. А. Системні дослідження в енергетиці. М. Наука, 1983

Мітрова Т. А. З’явиться євразійський газовий ринок? // Нафта Росії. 2008 №2.

Макаров А. А. Енергетика майбутнього: економічні проблеми // Наукові праці Між-народного союзу економістів. М.-З. П. те 94 (23) 2008.

Макаров А. А. Світова енергетика та Євразійський енергетичний простір. М. Вища Школа, 1998.

Макаров А. А. Можливості стримування емісії парникових газів в енергетиці Росії. // Академія енергетики. 2008 № 5.

Короткий опис статті: енергетика росії Пошукова система по нафтогазового комплексу: Новини, Аналітика, Інтерв’ю, Рейтинги, Продукція, Підприємства нтп, енергетика, прогноз

Джерело: Науково-технологічні прогнози розвитку енергетики Росії // Загальні питання // Наука та технології | Neftegaz.UK

Також ви можете прочитати