Введение к работе
Актуальность работы. Определение приоритетных областей и направлений развития науки и технологий является составной частью государственной научно-технической политики. Ее цель - концентрация ограниченных сил и средств на небольшом числе научно-технических проектов, обеспечивающих конкурентные преимущества национальной экономики и/или социальной сферы на перспективу заданной глубины. В нашей стране к середине 1980-х гг. сложилось научное направление, связанное с планированием технологического развития в энергетике, -системные исследования НТП в энергетике. В процессе смены российской государственности на рубеже 1990-х гг., когда в экономике наблюдался заметный спад, спрос на системные технологические исследования полностью иссяк в связи с существенным сокращением горизонта экономического планирования. В настоящее время восстановление темпов экономического роста породило своего рода бум спроса на исследования и прогнозы технологического развития в энергетике. Уже накоплен опыт решения задач в условиях либерализованной экономики, который позволяет рафинировать и развить ранее известные методы на новой информационной, правовой и компьютеризованной базе. Выполняется много работ по обоснованию рациональных приоритетов и пропорций развития ТЭК и его технологического обеспечения, сформирован федеральный перечень критических технологий, разрабатываются энергетические стратегии страны и субъектов Российской Федерации, разработан первый форсайт. Требуют ответа вопросы: какая потребуется техника, как ее внедрять, какими окажутся затраты, как их распределять, как сделать эти затраты окупаемыми и на каких производителей ориентироваться. Все эти вопросы составляют проблематику и предмет системных технологических исследований в энергетике. Настало время для ревизии имеющегося инструментария (подходов, методов, моделей), применимого для научно-технологического прогнозирования в энергетике.
Несколько факторов, включая колебания мировых цен на энергоносители, глобальные изменения климата и связанные с ними международные экологические ограничения, геополитические риски в связи с политической нестабильностью в регионах добычи ископаемых энергоносителей, предубеждения относительно безопасности атомной энергетики и другие, привели к существенному росту разнообразия технологий получения и преобразования энергии. В этой связи специалисты прогнозируют смену технологического уклада энергетики в 2025-2030 гг. Россия пока остается в стороне от этих процессов. В этих условиях критическая оценка инструментария системных технологических исследований обладает безусловной актуальностью и приоритетом.
Здесь возникает проблема. С одной стороны, выполнять инвентаризацию методов, моделей и данных в отрыве от конкретных технологий бессмысленно. С другой стороны, такая инвентаризация срочно требуется в отношении широкого спектра технологий, который сегодня насчитывает без преувеличения тысячи разновидностей технологий, конкурирующих между собой по десятку критериев, значения которых еще предстоит верифицировать.
Чтобы начать эту масштабную работу, в качестве объекта исследования в диссертации выбран один достаточно широкий класс энергетических технологий, для которого перспективы массового внедрения пока не очевидны. Макротехнология термохимической конверсии (ТХК) низкосортных твердых топлив (НТТ), объединяющая всю совокупность разнообразных технологий преобразования таких топлив в горючие газы, выбрана в качестве объекта исследования не случайно. По-
лучение из твердого топлива горючих газов с возможностью дальнейшего производства электроэнергии или жидких моторных топлив позволяет получить остальные виды конечной энергии в любом месте и в любом сочетании. Поэтому оно часто ассоциируется с энергетической независимостью. Однако, несмотря на значительные усилия, сосредоточенные на развитии технологий ТХК в разных странах, их массовое внедрение пока не началось. Если верить заявлениям разработчиков, технологии газификации «находятся на рубеже широкого внедрения в энергетике» уже слишком долго - около 40 лет. Таким образом, технологии данного класса сами по себе представляют весьма актуальный объект для системного исследования.
Цели и основные задачи работы. Исследование преследует две основные цели: (1) методологическую, связанную с систематизацией и развитием методов системных технологических исследований в энергетике, и (2) проблемную, предполагающую анализ технологий определенного класса, оценку их потенциала в экономике и выработку рекомендаций относительно освоения этого потенциала.
Первая цель достигается решением следующих задач: (1) исследованы причины, обусловившие необходимость изучения НТП в энергетике; (2) исследован временной и пространственный масштаб изменений в технике, составляющих предмет системных технологических исследований; (3) предложена иерархия задач системных технологических исследований, показана их взаимосвязь; (4) сделан обзор критериев, применяемых при решении задач развития энергетической техники;
(6) обсуждены особенности системных энергетических моделей; (7) введено поня
тие институциональной среды технического развития, показаны этапы и законо
мерности ее формирования; (8) обоснованы существование и необходимость изу
чения институциональных ограничений на внедрение новой техники в энергетике
России; (9) выявлены общие тенденции развития энергетических технологий;
(10) сформулированы актуальные задачи исследований НТП в энергетике.
Вторая цель достигается решением задач: (1) выделены признаки НТТ, существенные для его эффективного использования; (2) классифицированы технологии, в совокупности образующие макротехнологию ТХК твердого топлива; (3) оценены объемы доступных ресурсов НТТ; (4) исследованы уровень и направления развития современных технологий конверсии твердого топлива; (5) на большом числе конкретных примеров исследованы технико-экономические показатели технологий для разных их вариантов; (6) исследованы рынки технологий ТХК;
(7) текущие и прогнозные показатели удельной стоимости технологий ТХК сопос
тавлены с показателями альтернативных технологий; (8) технологии сопоставлены
по уровню технической зрелости и степени проникновения на рынок; (9) на основе
SWOT-анализа определены «окна возможностей» для успешной реализации при
кладных проектов; (10) выполнен физико-технический анализ показателей эффек
тивности и управляемости процессов ТХК, оценены предельные показатели их эф
фективности; (11) исследована эффективность процессов ступенчатой газификации
угля; (12) сформулированы наиболее перспективные направления НИР и ОКР по
разработке установок конверсии.
Научная новизна работы определяется следующими положениями:
-
Методология системных исследований НТП в энергетике требует обобщения и переосмысления в связи со становлением рыночной экономики и появлением новых критериев эффективности для обоснования направлений развития техники. Результаты критического анализа методов в данной области являются новыми.
-
Обобщенные технико-экономические показатели технологий ТХК НТТ, полученные на единой методической базе, являются новыми.
-
Результаты экспериментального воспроизведения процессов и режимов газификации в широком диапазоне параметров получены впервые.
-
Разработанные модификации моделей экстремальных промежуточных состояний (МЭПС) являются оригинальными. Учет макрокинетических ограничений (как методический прием), формулировка вида и оценка эффективности этих ограничений применительно к ТХК сделаны впервые.
-
Теоретическое исследование показателей технической эффективности ступенчатой газификации твердого топлива и оценка возможностей управления им средствами термодинамического анализа выполнены впервые.
-
Результаты анализа конкурентоспособности макротехнологии ТХК в малой и распределенной энергетике являются новыми.
-
Постановка задачи исследования институциональной среды технического развития в рамках системных исследований в энергетике прежде не выдвигалась.
-
Понятие институциональных ограничений при создании и внедрении новых энергетических технологий введено автором впервые. Впервые предложен метод выявления подобных ограничений.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Обобщение методологии системных технологических исследований в энергетике с позиций современных представлений об НТП и его роли в экономике, нашедшее выражение в предложенной иерархии задач системных исследований энергетических технологий.
-
Развитие методологии системных технологических исследований путем включения в состав ее методов исследования институциональных ограничений, которые в условиях рыночной экономики и достигнутой фазы НТП стали одним из определяющих факторов технологического развития.
-
Система обобщенных технико-экономических показателей, характеризующих макротехнологию ТХК твердых топлив и отдельных технологий в ее составе, а также методика получения обобщенных технико-экономических показателей, включающая анализ внутренних и внешних факторов развития технологии.
-
Новые модификации МЭПС с макрокинетическими ограничениями, позволяющие рассчитывать профили параметров реагирующей системы по высоте реакционной зоны.
-
Результаты численного и экспериментального исследования режимов термохимической конверсии НТТ, включая оценки предельных показателей технической эффективности и управляемости процесса ступенчатой газификации.
-
Выводы относительно конкурентоспособности и степени проникновения на рынок технологий ТХК НТТ по сравнению с альтернативными технологиями.
-
Выводы по результатам анализа институциональной среды технического развития, а также институциональных ограничений в коммунальной энергетике.
Методы исследования следуют методологии системных исследований в энергетике (Л.А.Мелентьев, А.А.Макаров, Ю.Н.Руденко, Л.С.Беляев, С.П.Филиппов и др.; за рубежом - В.Хефеле, Н.Накиченович и др.) и включают комплексный сравнительный анализ физико-технической, экономической и экологической эффективности технологий, возможных и целесообразных масштабов их использования. Вопросам методологии системных технологических исследований целиком посвящена первая глава диссертации. В анализе физико-технической эффективности сочетаются методы численного физико-химического и физического моделирования процессов ТХК. В численном моделировании использована методология МЭПС (Б.М Каганович, С.П.Филиппов, Е.Г.Анциферов).
Практическая значимость и внедрение результатов. Развиваемая автором методология системной оценки энергетических технологий неоднократно использована в разработке прогнозов развития различных технологий производства и преобразования энергии, подготовленных по заказам государства - Федеральное агентство по науке и инновациям (2008, 2009 гг.), Министерство науки и образования России (2011, 2012 гг.); других организаций - Институт современного развития (ИНСОР, 2010, 2011 гг.), ОАО «ИнтерРАО ЕЭС» (2011 г.); международных проектов по программам TACIS (Россия-Евросоюз, 1995-1997 гг., 1998-1999 гг.) и SEPS (Россия-Великобритания, 2001-2002 гг.). Результаты анализа технико-экономических характеристик технологий переработки твердых топлив и их рынка использованы при разработке стратегий и концепций развития топливно-энергетического комплекса ряда субъектов РФ (Респ. Саха (Якутия), Иркутская и Кемеровская обл.). Соответствующие рекомендации закреплены в нормативных актах указанных субъектов РФ. Кроме того, они использованы при выполнении НИР для государственных нужд Иркутской области и ряда научно-технических экспертиз по заказам органов государственной власти РФ и Иркутской области. Результаты технико-экономических исследований в области ТХК твердых топлив, а также методология системного сопоставления использованы в рамках системного сопоставления технологий распределенной генерации энергии, выполненного в интересах компании «Группа ОНЭКСИМ». Результаты физико-технических исследований ТХК нашли применение в рамках ОКР по проекту, получившему в 2011-2012 гг. поддержку со стороны фонда «Сколково».
Личный вклад автора. Автору принадлежат систематизация методологии системных исследований, иерархия и взаимосвязь задач системных технологических исследований, анализ системы применяемых критериев и учитываемых ограничений на разных уровнях иерархии. Автор обосновал принципиальную разницу между инвестиционным и инновационным подходами, а также взаимосвязи системных технологических исследований с формированием государственной научно-технической политики, с одной стороны, и процессами бизнес-планирования - с другой. Анализ понятия НТТ, оценка технико-экономического значения его признаков, обзор ресурсов НТТ сделаны автором лично. Анализ технико-экономических показателей ТХК, автор выполнил сам. Работы по физико-техническому обоснованию перспективных показателей эффективности технологий ТХК, выполнены коллективом под руководством автора. При сопоставлении технологий ТХК с альтернативными технологиями автор использовал материалы, подготовленные сотрудниками ИСЭМ СО РАН по такой же методике, что использована в диссертации. Сама методика, включая состав исследуемых показателей, подход к их интерпретации, оценку источников информации, состав учитываемых факторов и выделение групп модельных потребителей, предложена автором и составляет одно из защищаемых положений. Общие тенденции развития энергетических технологий, институциональная среда и институциональные ограничения их развития исследованы автором лично.
Апробация работы. Все части диссертационной работы опубликованы и обнародованы. Отдельные результаты работы обсуждались на следующих конференциях: Int. Conf. on Sustainable Energy Technologies (SET), Italy 2006, Germany 2009, Canada 2012; «Горение твердого топлива», Новосибирск, 2006, 2009, 2012; Int. Conf. on Thermal Analysis, 2011, DeMoin, Iowa, USA; 7th Int. Workshop on Mathematics in Chemical Kinetics and Engineering (MaCKiE 2011), 2011, Germany; Всерос. семинар «Моделирование неравновесных систем», Красноярск, 1998, 2006, 2007, 2010; Байкальский междунар. эконом, форум, Иркутск, 2008, 2010; Всерос.
конф. «Энергетика России в XXI веке», Иркутск, 2000, 2005, 2010; Симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, 2005, 2008; Всерос. науч.-практ. конф. «Итоги реализации проектов в рамках приоритетного направления «Энергетика и энергосбережение» ФЦНТП» Москва, Роснаука, 2009; Всерос. конф. "Современные проблемы термодинамики и теплофизики", 2009, Новосибирск; Всерос. конф. «Механика и наномеханика структурно-сложных и гетерогенных сред. Успехи, проблемы, перспективы», Москва, 2009; Междунар. конф. ОЭСР-Россия «Дорожные карты как инструмент прогнозирования научно-технологического развития и продвижения новых энергетических технологий», Москва, 2009; Мелентьевские чтения, Звенигород 2003, Иркутск 2008; Междунар. конф. по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2008), Алушта, 2008; Междунар. школа-семинар «Методы оптимизации и их приложения», Иркутск, 2008; конф. ОЭММПУ РАН «Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение», Москва, 2008; III Междунар. конф. «Актуальные проблемы энергетики», Екатеринбург, 2007; конф. «Дискретная оптимизация и исследование операций», Владивосток, 2007; XV Междунар. конф. по выч. механике и соврем, прикл. программ, системам, Алушта, 2007; XII Байкальская всеросс. конф. «Информационные и математические технологии», Иркутск, 2007; научная сессия Общего собрания РАН, Москва, 21.12.2005; научные сессии Президиума Сибирского отделения РАН «Проблемы нетрадиционной энергетики», Новосибирск, 24.02.2005, 13.12.2005; конф. «Энергетика: эффективность, управление, развитие», Благовещенск, 2005; VI Всеросс. совещание по энергосбережению, Екатеринбург, 2005; Междунар. конф. «Малая энергетика», Москва, 2004, 2005; 2-й междунар. конф. «Энергия биомассы», Киев, 2004; ASME Int. Mech. Engineering Congress, USA, 2004; 3rd Int. Conf. on Heat Transfer, Fluid Mech. and Thermodynamics, 20046 Cape Town, South Africa; семинар "Междисциплинарные исследования в Байкальском регионе" Иркутск, 2000; конф. «Энергосбережение: Проблемы и пути их решения», Иркутск, ИрГТУ, 1999.
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы более 60 научных работ (исключая тезисы конференций). Перечень публикаций представлен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 386 страницах текста, включающего 55 рисунков и 49 таблиц, и состоит из введения, шести глав с выводами, заключения и списка литературы из 398 наименований.
