Книги, научные публикации
стратегии Энергетические технологии 2050 I II III IV V М. Аренс, М. Витшель, К. дётч, В. Кревитт, П. Маркевиц, VI VII VIII IX д. Мёст, Ю. обершмидт, с. Херкель, М. Шойфен Процесс исследований
и разработок в энергетике сопряжен с рисками и требу ет значительных инвестиций, масштабы которых не сопоставимы с возможностями промышленного сектора. для обеспечения технологического прогресса необходи мо финансовое участие государства.
Вариант эффективного отбора приоритетных технологических направлений про демонстрирован в проекте Энергетические технологии-2050. Предложенные методология и рекомендации представляют ценный опыт для развития данной сферы.
I Аренс Марлен Ч научный сотрудник, Фраунгоферовский институт системных и инновационных исследований (Германия). E-mail: marlene.arens@isi.fraunhofer.de II Витшель Мартин Ч руководитель направления Экономика энергетики, Фраунгоферовский институт системных и инновационных исследований (Германия).
E-mail: martin.wietschel@isi.fraunhofer.de III Дётч Кристиан Ч руководитель бизнес-подразделения Энергетические системы, Фраунгоферовский институт технологий защиты окружающей среды, обеспечения безопасности и энергетики (Германия). E-mail: christian.doetsch@umsicht.fraunhofer.de IV Кревитт Вольфрам Ч руководитель подразделения, Германский центр авиации и космонавтики.
V Маркевиц Петер Ч научный сотрудник, Исследовательский центр Юлиха. E-mail: p.markewitz@fz-juelich.de VI Мёст Доминик Ч руководитель проектов, Высшая техническая школа, Университет Карлсруэ (Германия). E-mail: dominik.moest@wiwi.uni-karlsruhe.de VII Обершмидт Юлия Ч научный сотрудник, Фраунгоферовский институт системных и инновационных исследований (Германия). E-mail: julia.oberschmidt@gmx.de VIII Херкель Себастьян Ч руководитель подразделения, Фраунгоферовский институт систем солнечной энергетики (Германия). E-mail: sebastian.herkel@ise.fhg.de IX Шойфен Мартин Ч научный сотрудник, Институт техники высоких напряжений, Рейнско-Вестфальский технический университет Аахена (Германия).
E-mail: scheufen@ifht.rwth-aachen.de Статья подготовлена по результатам исследования, проведенного по инициативе Федерального министерства экономики и технологий на основании реше ния Бундестага ФРГ. Ответственность за содержание статьи лежит на авторах. Авторы благодарят Федеральное министерство экономики и технологий за финансовую поддержку. Более детально результаты исследования представлены в докладе [Wietschel et al., 2010].
4 ФорсАйт т. 5. № 1 стратегии сследования и разработки (ИиР), связан- ности, предотвращение климатических изменений ные с созданием новых и модернизаци- и другие аспекты охраны окружающей среды. Чтобы Ией существующих энергетических техно- систематически сравнивать исследовательские темы, логий Ч длительный процесс. Из-за медленного вынесенные на обсуждение, предстоит одновремен внедрения и коммерциализации инновационных но учитывать множество целей или критериев.
разработок развитие энергетики требует долгосроч- В рамках проекта Энергетические технологии - ных капиталовложений. Во многих случаях, чтобы 2050 была разработана методика, которая стала удовлетворить динамично меняющийся спрос на отправной точкой формирования рекомендаций энергетическом рынке, требуется продолжительное о целесообразности поддержки тех или иных тех время. Поддержка со стороны государства может нологий в этой сфере. Технологические области, существенно снизить имеющиеся риски и повысить объединяющие энергетические технологии со эффективность принятия решений в данной сфе- сходными характеристиками (например, солнечно ре. Руководствуясь приведенными соображениями, термальные электростанции) и входящие в состав Федеральное министерство экономики и техноло- перечисленных тематических направлений, оце гий Германии (das Bundesministerium fr Wirtschaft ниваются по ряду критериев. Главная цель методи und Technologie, BMWi) летом 2008 г. инициировало ки Ч выявить, нуждаются ли исследования в той проект Энергетические технологии - 2050: основ- или иной области в дальнейшей государственной ные задачи исследований и разработок. поддержке. Следующим шагом в случае положи Проект был призван расставить новые акценты тельного решения становится выявление специ в существующих направлениях, а также определить фических проблем для каждой технологической темы, разработка которых требует государственного области.
вмешательства. Пристальное внимание уделялось Отметим, что задача заключается не в составлении следующим тематическим направлениям: энерго- некоего рейтинга приоритетности технологических эффективность промышленности, торговли, сферы областей или входящих в них тем ИиР, а в обеспече услуг и домохозяйств;
возобновляемые источники нии механизма принятия обоснованных решений по энергии;
водородная энергетика;
системы аккуму- поддержке энергетических исследований, базирую лирования энергии;
электростанции, работающие щихся на открытости процесса разработки рекомен на горючем топливе;
электрические сети;
стацио- даций и оценке их выполнимости.
нарные топливные элементы;
экономика метанола. Критерии, по которым оцениваются различные Изначально проект Энергетические техноло- технологические области, исходят из задач государ гии - 2050 позиционировался как площадка для ственной политики. Значимыми при оценке техно формирования государственной научной полити- логий являются не только специфические характе ки, предусматривающей выбор приоритетов ИиР ристики, но и рамочные условия, при которых они неядерных источников энергии. Его результаты будут реализовываться. Сценарий динамичного станут основой для разработки исследовательских роста стоимости горючих энергоносителей пред программ министерства в сфере энергетики. полагает иную расстановку приоритетов, чем при стабильных ценах. Так, строительство геотермаль Методика исследования ных электростанций вряд ли получит весомую под Для рационального распределения бюджета энерге- держку в случае отсутствия жесткой политики по тических исследований следует систематически кор- предотвращению изменений климата и сохранения ректировать программы ИиР. Исходя из имеющих- умеренных цен на горючие энергоносители.
ся энергетических стратегий и широкого спектра С целью выработки рекомендаций были опреде задач такой пересмотр должен учитывать множе- лены три сценария, которые должны приниматься ство самых разных аспектов. Задача политики в об- во внимание при оценке технологических областей ласти энергетических исследований, сформулиро- по отдельным критериям. Сценарии синтезированы ванная в Пятой рамочной программе Федерального из множества вариантов, описывающих релевант правительства Германии по исследованиям в обла- ные экономические и экологические пути развития сти энергетики, заключается в том, чтобы поддер- Германии до 2050 г. Они охватывают важнейшие жать усилия бизнеса в тех случаях, когда он в силу тенденции энергорынка Германии и служат осно длительного подготовительного периода или высо- вой для исследования Энерготехнологии - 2050.
ких технологических и экономических рисков не в Сценарии различаются в основном с точки зрения состоянии самостоятельно оказать ведущимся ис- цен на энергоносители, стоимости квот на выбросы следованиям инвестиционную поддержку [BMWA, CO2, цен на потребляемую электроэнергию и вы 2005]. Другими словами, в государственном содей- бросов CO2, предполагаемых соответствующими ствии нуждаются те технологические области, ИиР энергетическими концепциями.
и вывод на рынок которых связаны с высокими лумеренный сценарий. Описывает развитие со технологическими и экономическими рисками и бытий при сохранении существующих рамочных требуют длительного времени. Рассматривая пер- условий энергетической политики и экономики ис спективы коммерциализации технологий, важно ходя из ранее намеченных целей защиты климата учитывать политические приоритеты в области и освоения возобновляемых источников энергии.
энергоснабжения: обеспечение его надежности, кон- Имеется и модифицированный вариант, в котором курентоспособности и экономической эффектив- ведущая роль отводится ядерной энергетике (рис. 1).
2011 т. 5. № 1 ФорсАйт стратегии рис. 1. развитие производства электроэнергии в Германии Возобновляемые источники энергии Природный газ Нефть Атомная энергия Бурый уголь Каменный уголь 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 2005 2010 2020 2030 Сценарии: 1 Ч умеренный;
2 Ч климатический;
3 Ч ресурсный;
4 Ч атомно-энергетический Источник: расчеты авторов по данным [BMU, 2007;
VDEW, 2007;
EWI/Prognos, 2005;
DENA, 2008].
климатический сценарий. Охватывает долго- Прежде всего Ч это барьеры технического характе срочные задачи и меры по сокращению выбросов ра, имеющие определяющее значение при выработ CO2.
ке решений о поддержке тех или иных разработок.
Ресурсный сценарий. Раскрывает возможное Также учитываются экономические, правовые или состояние энергетического рынка в условиях дефи- социальные сдерживающие факторы. Выявляются цита сырья и высоких цен на топливные энергоре- важнейшие взаимосвязи между сценариями (на сурсы.
пример, рост цен на энергоносители), барьерами Анализ энергетических технологий на основе (увеличение тарифов на поставку электроэнергии) сценариев позволяет идентифицировать лунивер- и потенциалами технологий.
сальные технологии, которые будут играть зна- Для определения ключевых условий, как тормо чимую роль в любых условиях, а также выявить зящих, так и способствующих развитию техноло технологии, поддержка которых оправдана при реа- гии, требуется по возможности полный учет крити лизации только одного из сценариев.
ческих факторов (рис. 3). Это позволяет не только Алгоритм оценки технологических областей идентифицировать необходимые составляющие приведен на рис. 2. Подобная методология ранее за- успеха, но и учесть накопленный ранее исследова рекомендовала себя в проектах ESTIR2 и EduaR&D тельский опыт преодоления узких мест.
и была адаптирована нами применительно к зада чам, стоявшим перед нашим исследованием. рис. 2. алгоритм оценки технологических областей первый этап, согласно алгоритму, представ ленному на рис. 2, состоит в отграничении ана 1. Описание технологической области лизируемой технологической области (например, солнечно-термальные электростанции) и описании 2. Оценка современного состояния относящихся к ней технологий (параболические развития и перспективного спроса желоба, френель-коллекторы, солнечные башни и т. п.). Технологии, развитие которых не требует 3. Выявление основных государственной поддержки, на этом этапе могут барьеров для развития быть исключены из дальнейшего рассмотрения.
Цель второго этапа Ч описание текущего со 4. Оценка необходимости стояния рассматриваемой области и определение государственной поддержки будущих потребностей в ИиР. Вначале технологии, входящие в ту или иную область, ранжируются по стадиям развития (табл. 1). Для каждой стадии Необходимость государственной поддержки определяются основные задачи ИиР и необходимое доказана?
оснащение, а также идентифицируются ведущие для технологической области акторы. Кроме того, да на основе финансовых отчетов по ИиР прошлых нет 5. Детальная оценка лет проводится ретроспективный анализ динамики технологической области научной активности.
На третьем этапе идентифицируются крити 6. Подготовка рекомендаций по мерам ческие факторы развития технологий, в том чис научно-технологической политики ле основные препятствия для их вывода на рынок.
Energy Scientific & Technological Indicators and References. Подробнее о проекте см.: [Ragwitz et al., 2005].
Energy Data and Analysis of Research & Development. Подробнее о проекте см.: [Bartels et al., 2008;
Jochem et al., 2009].
6 ФорсАйт т. 5. № 1 электроэнергии (ТВтч) Общий объем производства стратегии рис. 3. определение критических факторов критические факторы, влияющие на развитие Релевантные параметры Характеристики барьера для развития Эффективность, объем инвестиций, профилактика и техническое обслуживание, КПД Важнейшие барьеры для развития Связаны с технической модернизацией, системной интеграцией, выводом на рынок (объем затрат, эксплуатационная готовность, срок службы и т. п.) Чтобы зафиксировать прогресс технологий, 1. Оценка технических и экономических рисков устанавливаются ориентировочные показатели ИиР на основе заранее определенной шкалы критических факторов на временных отметках 2020, (минимальный;
низкий;
средний;
выше средне 2030 и 2050 гг. Процесс их идентификации отра- го;
высокий;
очень высокий).
жен на рис. 3. Рассмотрим в качестве примера ис- 2. Оценка рисков, связанных с обеспечением бес пользование ветровой энергии. В данном случае перебойного энергоснабжения и возможностью значительным препятствием для развития является внезапного повышения цен на электроэнергию, относительно короткий период эксплуатации ве- на основе ряда показателей, таких как сезонная троэнергетических установок, ограниченный сро- эксплуатационная готовность, частота плано ком службы их компонентов (например, мачты, вых и неплановых сбоев, обеспеченность необ передаточного механизма или лопастей ротора).
ходимыми запасами энергоносителей и т. п.
Период безотказной работы установки определяет- 3. Ранжирование временных периодов, пред ся долговечностью наименее надежного ее элемента.
шествующих коммерциализации технологий, Следовательно, критическим фактором дальней- по заранее определенной шкале (менее 5 лет;
шего прогресса становится, например, повышение 5Ц15 лет;
15Ц30 лет;
более 30 лет). Рассматриваются прочности зубчатых колес трансмиссии. У топлив- два варианта Ч с учетом государственной под ных элементов срок службы может ограничиваться держки и при ее отсутствии.
износостойкостью мембраны и коррозией стеков.
Перечисленные критерии исходят из положений Таким образом, наиболее уязвимые компоненты Пятой программы исследований в области энерге механизмов, подверженные влиянию специфиче- тики, предусматривающей оказание государствен ских технических факторов, могут рассматриваться ной поддержки, если разработка технологии требует в качестве барьеров, на преодоление которых долж- длительного подготовительного периода либо свя на быть направлена государственная поддержка ис- зана с повышенным риском [BMWA, 2005]. Каждая следований.
технологическая область оценивается по приведен Четвертый этап Ч выяснение степени необходи- ным критериям и индикаторам. Государственная мости государственной поддержки ИиР для анали- поддержка технологической области становится зируемой области. При этом используются опреде- оправданной при наличии: а) высоких технических ленные критерии и индикаторы:
и/или экономических рисков, связанных с реали табл. 1. Детализация стадий развития энергетических технологий (на примере геотермальных систем) производство в промышленных инновационные масштабах(годовой прирост опытное производство ииР идеи генерирующих мощностей) Традиционные и усовершенствованные Усовершенствованные Усовершенствованные Освоение ГеоТЭС ГеоТЭС ГеоТЭС залежей магмы и труднодоступных В мировом масштабе Введение в строй около Разведка месторождений гейзеров 3 МВт дополнительных и их освоение Тепловая энергия: в 2005 г. Ч около 12 ГВт мощностей в 2008 г.
Электрическая энергия: в 2007 г. Ч около Гидротермальный цикл 9 ГВт Искусственное повышение Повторное Пробные поставки пропускной способности использование В масштабе страны (Германия) энергии потребителям термических резервуаров отработанного пара Тепловая энергия: в 2008 г. Ч около 50 МВт Системный анализ Расширение поставок перспектив развития электро- и тепловой Электрическая энергия: в 2008 г. Ч около энергии 6 МВт 2011 т. 5. № 1 ФорсАйт стратегии зацией ИиР;
б) значительных рисков для обеспече- их обслуживание и т. д.), с учетом текущих про ния бесперебойного энергоснабжения;
в) длитель- цессов.
ных периодов времени, предшествующих выходу Критерии подбирались таким образом, чтобы новой разработки на рынок. Если необходимость можно было провести сравнительную оценку по поддержки не будет доказана, оцениваемая область тенциального вклада отдельных технологических исключается из дальнейшего рассмотрения. Либо областей в решение задач энергоснабжения: обе проводится более детальный анализ выбранных спечение надежности, рентабельность, конкурен технологических областей, позволяющий соотнести тоспособность на международном уровне и защита возможные преимущества и недостатки входящих окружающей среды. Вначале алгоритм оценки по в их состав технологий. зволяет выделить отдельные области технологий, пятый этап. Дальнейшая оценка технологиче- государственная поддержка которых жизненно не ской области проводится по следующим критериям: обходима (этапы 1Ц4 согласно рис. 2, критерии 1 - 4. Общий потенциал, включая экономический, из перечисленных в списке). Далее следует система а также потенциал, который может проявиться тическое сопоставление отличительных характери в среднесрочной перспективе при благоприят- стик технологий (этап 5, критерии 4Ц10), по резуль ных рамочных условиях, таких как отсутствие татам которого разрабатываются рекомендации правовых или политических барьеров и т. п. и формируются приоритеты поддержки ИиР.
С помощью этого критерия можно оценить, Рассмотрим результаты оценки, выполненной в какой степени та или иная технология способ- с помощью описанной методики.
на внести вклад в энергообеспечение, в особен основные результаты ности в Германии.
5. Ранжирование потребности технологий в ин Электростанции, работающие фраструктуре по категориям: 1) потребность от- на ископаемом топливе сутствует;
2) возможно применение в условиях Около 60% суммарного объема электроэнергии, вы сложившейся инфраструктуры;
3) необходима рабатываемой в Германии, производится электро модернизация существующей инфраструктуры;
станциями, работающими на природном горючем 4) требуется строительство новой инфраструк- топливе. На их долю приходится не менее 40% от туры.
совокупных выбросов CO2 в атмосферу. Страна про 6. Эффективность затрат Ч возможное сокраще- изводит пятую часть суммарного объема электро ние затрат в краткосрочной (2020 г.), средне- энергии, вырабатываемой во всем мире с помощью срочной (2030 г.) и долгосрочной (2050 г.) пер- источников подобного типа. Для повышения энер спективах в сравнении с эталонной технологией гоэффективности и снижения выбросов CO2 потре по каждому из трех базовых сценариев.
буются масштабные технологические сдвиги. КПД 7. Зависимость от выбранной траектории раз- строящихся электростанций на каменном угле уве вития и связанная с ней способность к гибко- личится до 46%, а на буром Ч до 43%. В будущем му реагированию на внешние изменения, что возможно увеличение КПД по меньшей мере до 50% позволит оценить, как и в какой мере вывод для электростанций на каменном угле, а позднее Ч и технологии на рынок повлияет на структуру для электростанций на буром угле. Это станет воз энергетических систем в кратко-, средне- или можным за счет технологической модернизации долгосрочной перспективе. За основу берутся установок острого пара (рабочая температура 700C, такие показатели, как: 1) плановое время строи- давление 365 бар) и системных мер по обеспечению тельства типовой установки;
2) реальное время энергоэффективности. Поскольку потенциал произ строительства;
3) средние сроки амортизации;
водительности последних (по соотношению затраты/ 4) необходимые инвестиции (евро/кВт).
полезность) практически себя исчерпал, дальнейшее 8. Вклад в энергоэффективность. Определяется увеличение КПД возможно только за счет повы исходя из потенциала экономии первичной шения рабочей температуры установок до 800C.
энергии в кратко- (2020 г.), средне- (2030 г.) Поэтому ключевая роль отводится созданию новых и долгосрочной (2050 г.) перспективах в срав- недорогих материалов с необходимыми характери нении с эталонной технологией по каждому из стиками. В отличие от угольных, КПД современных трех базовых сценариев.
газо- и паротурбинных электростанций может до 9. Вклад в защиту окружающей среды и предотвра- стигать 59-60% (пример Ч электростанция в городе щение изменений климата. Предполагаемое со- Иршинг). Дальнейшее увеличение КПД подобных кращение объема выбросов CO2 и других основ- электростанций достижимо за счет повышения ра ных загрязняющих веществ в кратко- (2020 г.), бочей температуры турбины при использовании ин средне- (2030 г.) и долгосрочной (2050 г.) пер- новационной концепции системы охлаждения.
спективах в сравнении с эталонной технологией Согласно сценарию, подразумевающему умерен по каждому из трех базовых сценариев.
ные цены на энергоносители и снижение выбросов 10. Создание внутренней добавленной стоимости CO2, приоритет получают ИиР, связанные с разви в Германии исходя из возможных объемов про- тием топливной энергетики. В климатическом изводства в будущем (например, ячеистых то- сценарии акцент сделан на улавливание и консер пливных элементов) и развития рынков услуг вацию СО2, в то время как в ресурсном из-за вы (в частности, монтаж установок фотовольтаики, соких цен на энергоносители использованию при 8 ФорсАйт т. 5. № 1 стратегии родного топлива отводится незначительная роль. что в среднесрочной перспективе это существенно Потенциал увеличения КПД Ч аргумент в пользу повлияет на экономию затрат. Предпосылка тому Ч использования в дальнейшем электростанций на целенаправленное выведение на рынок технологий природном горючем, вследствие чего он образует и проведение ИиР, что позволит ускоренно пройти фокус будущих ИиР. кривые обучения и раскрыть потенциал сниже Однако для ввода в строй электростанций с высо- ния издержек.
ким КПД крайне необходимы создание новых мате- Задачи защиты окружающей среды и предот риалов и глубокое изучение возможностей примене- вращения климатических изменений могут быть ния в различных условиях уже существующих. Это решены только при помощи комплексных мер по относится и к традиционным угольным электро- развитию возобновляемых источников энергии. В станциям, цель для которых Ч достижение рабочей ближайшей перспективе для Германии особенно температуры энергоустановок 800C. С другой сто- актуально проведение исследований в области при C. С другой сто. С другой сто роны, необходимы дальнейшее увеличение рабочей брежной ветровой энергетики. Для реализации ко температуры газопаротурбинных установок, раз- лоссальных возможностей солнечной энергии по работка новых материалов и изменения в системе требуется средне- и долгосрочная поддержка ИиР.
охлаждения. В долгосрочной перспективе лопасти Условием успеха инновационных разработок в от газовых турбин будут изготавливаться из цельной даленной перспективе выступает согласование про керамики, что позволит существенно снизить по- водимых ИиР с механизмами коммерциализации.
тери энергии на охлаждение и, соответственно, обе- Развитие ветровой энергетики, в особенности спечит требуемое повышение КПД. Наряду с зареко- использование энергии ветра в прибрежной зоне, мендовавшими себя технологическими решениями, предполагает, прежде всего, углубленный анализ следует рассматривать и новые идеи (например, ком- розы ветров (с использованием данных спутнико бинированная угольная электростанция), которые вого зондирования и наземных метеорологических демонстрируют высокий потенциал эффективности наблюдений). Следующим шагом должны стать и предполагают значительное снижение выбросов исследования по оптимизации концепций буду CO2. Концепции электростанций с высочайшим по- щих ветроэнергоустановок (нестационарная аэро тенциалом эффективности (например, крупные ги- динамика и аэроакустика;
усовершенствованные бридные электростанции, универсальные паровые материалы;
несущие конструкции, как серийно электростанции, работающие на различных видах выпускаемые, так и адаптированные для работы топлива) пока только зарождаются. Их реализация на больших глубинах;
сопроводительные экологи станет возможной лишь в отдаленном будущем. По ческие исследования) и сетевой интеграции (совер мере появления новейших знаний (например, в об- шенствование механизмов управления энергоуста ласти создания новых материалов) подобные кон- новками, системное обслуживание).
цепции должны систематически переоцениваться и Условием применения фотогальванических уточняться. установок является проведение исследований, на В настоящее время для очистки выбросов от CO2 правленных на повышение КПД и увеличение сро рассматриваются три различные технологические ка службы компонентов. Эти задачи будут решаться последовательности Ч предкамерное сгорание, до- за счет улучшения характеристик существующих жигание и кислородное сжигание. Современный материалов и создания новых, разработки ком уровень развития знания не позволяет отдать пред- плексного производственного процесса с высокой почтения какой-либо из них. Потери КПД при их производительностью и отдачей, лумной интегра реализации оцениваются в диапазоне 10-14%. Все ции фотогальванических систем.
технологии CCS (фильтрации и консервации угле- Для развития солнечно-термальных систем не CCS (фильтрации и консервации угле (фильтрации и консервации угле кислого газа) обладают существенным потенциа- обходимо увеличение рабочей поверхности солнеч лом повышения эффективности и снижения стои- ных батарей. Важнейшее значение в этом процессе мости. В среднесрочной перспективе потери КПД приобретает создание новых материалов (прежде могут быть снижены до 8-10%. Ключевую роль всего полимерных) для производства коллекто здесь играют создание высокоэффективных про- ров и совершенствование системной интеграции.
мывочных жидкостей и оптимальная интеграция Основной компонент солнечно-термической си сепарации и очистки в производственном процессе. стемы Ч тепловой аккумулятор, и, чтобы достичь Эффективность всех технологических вариантов высокой плотности аккумуляции, требуются мате в отдаленном будущем предполагается повысить с риалы, обеспечивающие латентное и химическое помощью новых методов (например, мембранных аккумулирование. Предпосылка успешного вы технологий, организации химических и карбонат- вода на рынок технологии солнечного охлажде ных циклов). При этом ожидается уменьшение по- ния Ч комплексные фундаментальные исследова терь КПД до уровня значительно ниже 8%. ния свойств применяемых материалов, в частности их адсорбционной и абсорбционной способности.
Возобновляемые источники энергии Кроме того, целесообразна дальнейшая разработка Использование возобновляемых источников энер- систем теплопередачи и механизмов охлаждения гии взамен горючих энергоносителей имеет боль- низкой мощности (менее 10 кВт).
шой потенциал для снижения выбросов CO2 не толь- При использовании биогаза следует уделять вни ко в Германии, но и во всем мире. Можно ожидать, мание процессам газообразования (более глубокому 2011 т. 5. № 1 ФорсАйт стратегии пониманию процессов, совершенствованию спосо- тромагнитной форме (двуслойные конденсаторы, бов предварительной обработки топлива), очистке сверхпроводящие магнитные катушки), при этом газа и его применению, соединив все в единую кон- хранение больших объемов слишком затратно.
цепцию. В качестве еще одной альтернативы предлагаются Центральное направление в развитии геотер- термические конденсаторы, в которых сберегаемая мальной энергетики Ч совершенствование геотер- энергия не трансформируется обратно в электриче мальных систем. Планируется создание пилотной ство, а используется в форме тепла.
петротермальной системы, работа которой будет В настоящее время использование накопителей продемонстрирована как минимум в двух репрезен- энергии экономически обоснованно лишь в узко тативных районах Ч в условиях средней глубины, специализированных приложениях, где конденса высокой температуры и низкой естественной про- тор технически необходим (например, в автоном дуктивности природного резервуара, что позволит ных электросетях). Исключением можно считать оценить ее готовность к функционированию на зарекомендовавшие себя во всем мире пневмоак всех этапах: от разведки месторождений до выра- кумулирующие электростанции. Тем не менее, в ботки готовой энергии. Искусственное повышение среднесрочной и долгосрочной перспективе ожида продуктивности месторождений Ч одна из основ- ется достаточно высокая востребованность подоб ных задач развития геотермальной энергетики ных хранилищ электроэнергии. Для гармоничной и на отдаленную перспективу. экономически обоснованной интеграции таких на копителей в мировую энергосистему должна быть Аккумулирование энергии осуществлена специальная программа ИиР.
Специфика производства электроэнергии приводит Степень актуальности технологий и их научно к неравномерной загрузке электрической сети и к исследовательский потенциал ранжируются по че увеличивающемуся дисбалансу между энергоснаб- тырем группам. Высшая оценка Ч чрезвычайная жением и энергопотреблением. Возникает необхо- важность (1 балл), низшая Ч лактуальность со димость создания межрегионального равновесия в мнительна (4 балла) (рис. 4). Актуальность оцени энергообеспечении, управления нагрузками и про- валась с позиций общеевропейской энергосистемы изводством и аккумулирования энергии с целью ее и европейских компаний, а потенциал ИиР Ч с точ последующей подачи в сеть. ки зрения ЕС в целом и Германии в частности.
Электрическая энергия чаще всего хранит- Из приведенной диаграммы видно, что наи ся в одной из следующих форм: механико- большим потенциалом и актуальностью для ЕС, и в потенциальная (гидро- и пневмоаккумулирующие частности для Германии, обладают ИиР по следую электростанции), механико-кинетическая (гиро- щим направлениям: адиабатические пневмоаккуму скопическая аккумуляция) или электрохимическая лирующие электростанции (Adiabatic Compressed (кислотно-аккумуляторные, литиево-ионные, жид- Air Energy Storage, A-CAES) и водородные акку Energy Storage, A-CAES) и водородные акку Energy Storage, A-CAES) и водородные акку Storage, A-CAES) и водородные акку Storage, A-CAES) и водородные акку, A-CAES) и водородные акку A-CAES) и водородные акку -CAES) и водородные акку CAES) и водородные акку ) и водородные акку коэлектродные окислительно-восстановительные, мулирующие электростанции (Wasserstoff-Gas никелево-металлгидридные, никелево-кадмиевые und-Dampf, H2-GuD) для накопления больших батареи, водородные аккумулирующие установки). объемов энергии;
жидкоэлектродные окислительно При распаковке ее накопительные формы пре- восстановительные батареи (Redox-Flow) для сред образуются в электрический ток. Энергия может них объемов;
литиево-ионные батареи для мо накапливаться и в электростатической либо элек- бильных устройств. За ними следуют термические конденсаторы и литиево-ионные батареи для ста ционарного применения. К перспективным темам рис. 4. расстановка приоритетов в области исследований относятся также гироскопические на технологий аккумулирования энергии копители и двухслойные конденсаторы.
приоритетность ИиР в области натриево-серных батарей (NaS), I Ч чрезвычайная важность кислотных батарей и сверхпроводящих магнит II Ч высокая важность ных катушек (Superconducting Magnetic Energy III Ч умеренная важность Адиабатические Storage, SMES) актуальны лишь в отдельных IVЧ актуальность сомнительна пневмоаккумулирующие станции аспектах. Исследования, связанные с никель Водородные аккумулирующие станции металлгидридными (NiMh) и никель-кадмиевыми Окислительно восстановительные батареи (NiCd) батареями, не представляют интереса для Термические Литий-ионные батареи для конденсаторы мобильных приложений государственной поддержки.
Развитие пневмоаккумулирующих электростан Натриево серные кислотные ций потребует разработки адиабатных конденсато батареи ров, а также малозатратных герметичных и высоко Литий-ионные аккумуляторы для стационарных приложений температурных термических конденсаторов. Для Гироскопические накопители гидроаккумулирующих электростанций прежде Никель- Двуслойные конденсаторы металлгидридные и всего нужны эффективные и недорогие электроли никель-кадмиевые батареи Сверхпроводящие зеры высокого давления. В долгосрочной перспек магнитные катушки тиве ожидается появление газовых турбин (в пер Потенциал ИиР вую очередь Ч системы горения), работающих на чистом водороде. ИиР в области жидкоэлектродных 10 ФорсАйт т. 5. № 1 Актуальность стратегии рис. 5. изменения направлений информационного (оранжевый цвет) и энергетического (зеленый цвет) потоков в традиционных (слева) и будущих системах электроснабжения (справа) окислительно-восстановительных батарей ориен- электроэнергии и сохранением регламентной си стемной производительности (например, соблюде тированы на снижение общей стоимости мембран и стеков, создание новых электролитов (как альтерна- ние требований по бесперебойным поставкам энер гии). Это касается и идеи широкого использования тивы ванадию) и мембран, а также соответствующих электромобилей (E-mobility).
структур стеков и ячеек. В фокусе исследований по Адаптация передающих и распределительных се созданию литиево-ионных батарей для мобильного применения Ч уменьшение их стоимости, увеличе- тей должна обеспечить, прежде всего, возможность применения новых технологий, надежность и каче ние срока службы и повышение надежности за счет ство энергоснабжения и оптимизацию затрат.
объединения в крупные массивы.
Увеличение пропускной способности сетей со Электрические сети ставляет одну из задач государственной поддержки в ближайшем будущем. Потребуется высокая ин Электросети являются существенной предпосылкой для внедрения инновационных технологий произ- тенсивность реализации программ ИиР, чтобы вы водства электроэнергии и таким образом определя- играть время для осуществления более масштабных ют осуществление настоящего и будущего произ- исследовательских инициатив.
Наиболее актуальное направление германских водственных сценариев. Для того чтобы обеспечить качественное, надежное, бесперебойное и рентабель- ИиР Ч гибридные системы переменного/посто янного тока. Эти технологии, особенно создание ное энергоснабжение, следует заранее планировать асинхронных коридоров передачи электроэнергии развитие сетей;
решения, касающиеся поддержки ИиР, должны приниматься одновременно с выбо- (die Hochspannungs-Gleichstrom-bertragung, HG), обладают большим техническим потенциалом, так ром сценария развития энергетики. Традиционная как хорошо совместимы с сетями переменного тока, организация сетей по принципу односторонней передачи электроэнергии от поставщиков потреби- отвечают высоким техническим стандартам энер телям постепенно трансформируется в двунаправ- госнабжения и конкурентоспособности.
Многообещающими являются и технологии на ленную, где энергия гибко распределяется (рис. 5).
Изменения принципов производства и потре- основе сверхпроводимости, но им сопутствуют вы сокие технико-экономические риски. Растет потреб бления электроэнергии требуют создания новых ность в надежных сетевых элементах, способных вы и радикальной перестройки существующих сетей энергоснабжения. Чтобы они выдерживали повы- держивать повышенную нагрузку. Государственная поддержка особенно актуальна для осуществления шенную нагрузку и обеспечивали стабильность стратегий регулирования и стимулирования произ энергоснабжения в любой ситуации, необходимо уже сегодня осуществлять замену отдельных ком- водства на базе концепции гибких систем передачи переменного тока (Flexible AC Transmission Systems, понентов.
). Основой реализации новых стратегий про В современных условиях процесс развития се- FACTS). Основой реализации новых стратегий про тей определяется двумя основными факторами: из- изводства и рыночных моделей становятся концеп ции лактивной сети и лумной сети, обеспечиваю менением структуры источников электроэнергии, обусловленным использованием энергии ветра, от- щие постоянный мониторинг состояния всех узлов распределительной сети. Ключевая роль наряду с казом от атомной энергии, перемещением новых автоматизацией предприятий и сопутствующей ей электростанций на природном сырье с севера на юг и т. д., а также набирающей обороты междуна- разработкой политики энергосистем (grid policy) родной торговлей электроэнергией. Растущая инте- принадлежит общесистемному анализу интеграции, трансформации и эксплуатации инфраструктуры грация децентрализованных поставщиков энергии вызывает дополнительные проблемы при соблюде- сетей. Соответственно, растет потребность в разра ботке новых динамичных систем переключения, за нии технических границ системы. Возникают новые щиты и изоляции. Ранжирование технологических задачи, связанные с оптимизацией распределения 2011 т. 5. № 1 ФорсАйт стратегии областей по степени актуальности и величине по- В основном ИиР в области повышения энерго тенциала ИиР приведено на рис. 6. эффективности промышленности и третичного сектора сфокусированы на эффективности исполь Рациональное использование зования ресурсов в энергоемких обрабатывающих энергии в промышленности секторах и внедрении комплексных технологиче Для повышения эффективности использования ских решений.
энергии в промышленности и третичном секто- В рамках стратегий рационального использо ре (объединяющем сферы торговли, транспорта и вания ресурсов особую актуальность приобре услуг) разработаны разнообразные организацион- тают исследования по переработке материалов и ные и технологические решения. На долю указанных вторичному использованию топлива, облегчению секторов приходится более 40% электроэнергии, конструкций транспортных средств и статичных потребляемой в Германии, и почти 30% прямых вы- механизмов, эффективности использования мате бросов CO2. Согласно сценариям Международного риалов. Усиливается значимость исследовательских энергетического агентства (International Energy работ, связанных с применением биогенного сырья Agency, IEA), приведенным в докладе [IEA 2008b], в химической индустрии, в центре которых Ч раз повышение энергоэффективности Ч наиболее витие концепции биорафинирования. В энергоем действенная из возможных мер для значительного ких отраслях, таких как производство железа и ста снижения выбросов CO2. В рамках нашего исследо- ли, цемента, бумаги и цветных металлов, приоритет вания были подробно проанализированы соответ- отдается модернизации существующих технологий.
ствующие инструменты, в той или иной степени Освоение новых способов производства предпола признанные релевантными. К ним относятся: гается лишь в долгосрочной перспективе. Области Х Технологии сбережения электроэнергии за счет катализа и энергоемких методов сепарации веществ более рационального потребления ресурсов: ре- также являются актуальными зонами для ИиР.
сайклинга, эффективного применения материа- Особенно перспективны (при системной опти лов, использования облегченных конструкций, мизации) комплексные технологии, в частности автоматизации управления и контроля. электросиловые установки. Важны и специальные Х Эффективные технологии в энергоемких про- исследования, направленные на повышение эффек цессах: инновации в сырьевом секторе, новые тивности процессов теплопередачи, но реальный подходы в химико-биологической индустрии потенциал таких работ до конца не оценен.
и водоснабжении населенных пунктов.
Х Кросс-технологии: усовершенствованные элек- Энергоэффективность зданий и сооружений тромеханизмы, мембранные технологии, управ ление энергоснабжением и потреблением, обра- На отопление, кондиционирование и освещение ботка поверхностей. жилых и коммерческих зданий в Германии прихо Х Технологии вторичного использования и аккумуля- дится примерно 35% всего объема энергии, выра ции тепла, выделяемого в ходе производственного батываемой за год, или 2.940 ПДж. При этом в ат процесса: термоэлектроэнергетика, органический мосферу поступает 342 млн т CO2. Снижение доли цикл Ренкина, цикл Калины, машина Стирлинга, CO2 в выбросах Ч одна из ключевых задач госу промышленные высокотемпературные тепловые дарственной политики по предотвращению изме насосы, солнечно-термальные системы, теплоизоля- нений климата. Энергоэффективные технологии в ция производственно-технического оборудования. жилищно-коммунальном секторе можно разделить на две группы. Первую составляют технологии, уменьшающие затраты энергии на отопление, кон рис. 6. расстановка приоритетов в сфере диционирование и освещение, а вторую Ч техноло Электрические сети гии, повышающие эффективность преобразования энергоносителей в полезную энергию.
Повышение пропускной Уже сегодня часть зданий, построенных с при способности Концепции сетей менением технологий энергоэффективности лактивной сети (краткосрочное) и лумной сети (с нулевым энергопотреблением), используют незначительное количество энергии, обеспечить Гибридные сети постоянного/ которое могут локальные возобновляемые ис Управляющие переменного элементы тока точники энергии. Другая важная составляющая энергоэффективности зданий Ч их планировка Переключатели, изоляторы и условия эксплуатации, они составляют весь ма перспективный рынок. В индустриально раз витых странах важнейшее значение приобретает энергетическая модернизация зданий, а в быстро развивающихся регионах мира, таких как Китай, Повышение Сверхпроводники пропускной Индия и Ближний Восток, еще и возведение новых.
способности сетей Энергетические стандарты строительства будут только повышаться: к существующим строениям Потенциал ИиР станут предъявляться столь же жесткие требова 12 ФорсАйт т. 5. № 1 Актуальность стратегии рис. 7. Экспертная оценка актуальности государственной поддержки различных технологических областей (медианы и дисперсные коэффициенты) Чрезвычайная важность Высокая важность Умеренная важность Актуальность сомнительна Медиана (сценарий I Ч умеренный) Дисперсия (сценарий I Ч умеренный) Медиана (сценарий II Ч климатический) Дисперсия (сценарий II Ч климатический) Медиана (сценарий III Ч ресурсный) Дисперсия (сценарий III Ч ресурсный) ния, как и к вновь возводимым. К тому же фасады кондиционирования и освещения) с целью их про новых домов помимо своей основной задачи Ч те- движения на рынок.
плоизоляции, будут выполнять функции по энер определение приоритетов гообеспечению процессов вентиляции, отопления поддержки исследований и кондиционирования, а также вносить вклад в ге нерацию электроэнергии. Преобразование систем Описанная выше методика оценки позволяет иден отопления и кондиционирования происходит под тифицировать необходимость исследований в от влиянием двух ключевых тенденций: растущего дельных технологических областях. Для опреде использования возобновляемых источников энер- ления исследовательских задач, нуждающихся в гии (особенно солнечной) и неуклонного сокраще- государственной поддержке, предстоит ранжиро ния выбросов СО2. Усилению качества и оптимиза- вать области и объединяющие их тематические ции процессов планировки и эксплуатации зданий сферы по приоритетности.
способствует внедрение информационных и ком- С этой целью в рамках заключительного семина пьютерных технологий. ра был проведен анкетный опрос участников про Задача повышения энергоэффективности соору- екта. Исходя из проведенной оценки каждой техно жений подразумевает увеличение расходов на ИиР. логической области и разработанных на ее основе В фокусе государственной научной политики нахо- рекомендаций по мерам политики (см. предыду дятся системно-технические задачи, решение кото- щий раздел) респонденты смогли дать собственные рых предполагает сравнительно небольшие расходы заключения по поводу их актуальности. На рис. на ИиР, поскольку они основаны на универсально- приведены медианы и дисперсии экспертных оце сти оборудования и технологий. нок. Следует подчеркнуть, что в большинстве слу В каждой из рассмотренных областей присут- чаев отмечена высокая степень совпадения мнений ствуют исследовательские темы, реализация кото- экспертов в определении приоритетности темати рых связана со значительной степенью риска или ческих сфер и составляющих их областей.
требует продолжительного времени. Как правило, В лумеренном сценарии приоритетное значение они связаны с новыми материалами, технологиями, имеют исследования в области ископаемых видов способами оценки и комплексной системной модер- топлива. В других сценариях их значимость умень низацией, например, в области многофункциональ- шается, и доминантную роль начинают играть новые ных фасадов. Междисциплинарный характер носят источники энергии. Не менее высокую актуальность исследования, касающиеся создания нормативов, в умеренном сценарии приобретают тематические управления производством, обеспечения качества, области Возобновляемые источники энергии и новых методик оценки (например, эксергия4), мо- Энергоэффективность в промышленности и тре ниторинга и демонстрации лучших разработок тичном секторе. Еще более заметная роль отводит (новых энергоэффективных способов отопления, ся им в климатическом и ресурсном сценариях, Эксергия Ч термин, применяемый в термодинамике для обозначения максимальной работы, которую может совершить система при переходе из данного состояния в равновесие с окружающей средой. Эксергией иногда называется работоспособность системы ( (прим. ред.).
2011 т. 5. № 1 ФорсАйт энергии энергии метанола элементы источники энергетика Топливные Экономика Водородная Технологии Ископаемые Распределение энергоносители электроэнергии Возобновляемые аккумулирования в промышленности Энергоэффективность Энергоэффективность в строительстве зданий стратегии Заключение где использование возобновляемых источников энергии выступает основным средством решения Проект Энергетические технологии - 2050 направлен проблем. Указанные тематические сферы, наряду с на расстановку приоритетов в выборе исследований, нуж Ископаемыми видами топлива, являются предме- дающихся в государственной поддержке. Для достижения том наиболее жестких рекомендаций.
этой цели была разработана методика оценки, обеспе Большее, чем когда-либо, значение приобре- чивающая систематическое сравнение технологических тают исследования областей Аккумулирование областей, исследования в которых претендуют на госу энергии и Электрические сети. Рост техниче- дарственное финансирование. Исходя из долгосрочного ских требований к инфраструктуре электрических характера поддержки исследований необходимо учесть сетей и их компонентам определяет потребность в не до конца определенные рамочные условия. Затем на ИиР, необходимых для каждого из сценариев. Все основе установленных условий оценка технологических сценарии при этом предполагают разработку воз- областей может быть существенно пересмотрена.
обновляемых источников энергии, которые долж- Три сценария, разработанные на основе актуальных ны быть интегрированы в существующие сети, что исследований, раскрывают весь спектр возможных на указывает на важность модернизации инфраструк- правлений развития энергетического рынка и позволя туры энергоснабжения, повышения эффективно- ют предложить общие технологические рекомендации.
сти производства и поставок энергии. Кроме того, Поскольку проект охватывал различные направления требуется разработка новых стратегий управления неядерных энергетических ИиР, предстояло сформу производством.
лировать критерии, в равной степени применимые для Другие тематические области в большей степе- всех тематических сфер и технологических областей, ни зависят от реализации одного определенного обеспечив унифицированную базу для сравнения.
сценария и, следовательно, соблюдения соответ- При этом были отобраны критерии, отражающие клю ствующих рамочных условий. Так, Фильтрация и чевые цели энергетической политики. Взвешивание и консервация выбросов CO2, относящаяся к темати- агрегирование критериев в рамках исследования не ческой сфере Горючие энергоносители, приобре- проводилось, так как окончательное решение в выбо тает особое значение в климатическом сценарии.
ре целевых ориентиров находится в компетенции лиц, В ресурсном сценарии, предполагающем преодо- ответственных за разработку энергетической политики.
ление зависимости от импорта горючих энергоно- Опросы экспертов в области энергетики или обществен сителей, на первый план выходит водородная энер- ного мнения позволяют лишь расширить, исходя из гетика. Кроме того, в климатическом сценарии возможных перспектив, диапазон целей, а также прове развитие водородной энергетики позволит снизить сти их сравнительный анализ. Подобное исследование выбросы парниковых газов в транспортном секто- может внести существенный вклад в идентификацию ре. Экономика метанола в этом контексте рассма- перспективных тем и определение приоритетов под тривается лишь как переходное решение. F держки ИиР.
Bartels M., Dittmann L., Huther H., Kocyba H., Lindenberger D., Lutsch W., Mnch W., Neckel S., Oberschmidt J., Radgen P., Witterhold F.-G.
(2008) Schwerpunkte und Effizienzstrategien in der Energieforschung: Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben Multidimensionale Technikbewertung / Programm EduaR&D des BMWi, Arbeitsgemeinschaft fr Wrme und Heizkraftwirtschaft (AGFW). Frankfurt am Main:
VDEW.
BMU (2007) Ausbaustrategie Erneuerbare Energien. BMU Leitstudie. Stuttgart.
BMWA (2005) Innovation und neue Energietechnologien. Das 5. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung. Berlin: Bundesministerium fr Wirtschaft und Arbeit.
BMWI (2008) Energiedaten Ч nationale und internationale Entwicklung. Berlin. energiestatistiken.html.
DENA (2008) Abschlussbericht Ч GermanHy Ч Studie zur Frage Woher kommt der Wasserstoff in Deutschland bis 2050?. Berlin.
EWI/Prognos (2005) Energiereport IV Ч Die Entwicklung der Energiemrkte bis zum Jahr 2030., Mnchen: Oldenburg Industrieverlag.
EWI/Prognos (2006) Auswirkungen hherer lpreise auf Energieangebot und -nachfrage Ч lpreisvariante der Energiewirtschaftlichen Referenzprognose 2030. Kln, Basel.
VDEW (2007) Energiewirtschaftliches Gesamtkonzept 2030. Kln. Erweiterte_Dokumentation_Juli_2007.pdf.
Wietschel M., Arens M., Dtsch C., Herke S., Krewitt W., Markewitz P., Mst D., Scheufen M.(2010) Energietechnologien - Schwerpunkte fr Forschung und Entwicklung. Stuttgart: Fraunhofer Verlag. ISBN 978-3-8396-0102-0.
European Commission, Eurostat (2008) Energy Yearly Statistics 2006. Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities.
European Commission (2006) World Energy Technology Outlook 2050. WETO H2. Bruxelles: Office for Official Publications of the European Communities.
IEA (2008a) Energy Technology Perspectives 2008 Ч Scenarios and Strategies to 2050. Paris: IEA Publications.
IEA (2007) World Energy Outlook 2007 Ч China and India Insights. Paris: IEA Publications.
IEA (2008b) World Energy Outlook 2008. Paris: IEA Publications.
Jochem E. (ed.) et al. (2009) Improving the efficiency of R&D and the market diffusion of energy technologies. Heidelberg: Physica-Verlag. ISBN 978-3-7908-2153-6.
Ragwitz M., Eichhammer W., Hasenauer U. et al. (2005) Energy scientific & technological indicators and references (ESTIR). Karlsruhe:
Fraunhofer-Institut fr System- und Innovationsforschung.
14 ФорсАйт т. 5. № 1
Книги, научные публикации