DOI 10.57112/22022-05

УДК 621.31


ФОРМИРОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И НАУЧНЫХ ПРИОРИТЕТОВ В ЦЕЛЯХ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ


Сташко Василий Иванович



Аннотация:

В данной статье рассматриваются основные технологические и научные приоритеты инновационного развития в электроэнергетике. Рассматриваются предпосылки возникновения проблемы развития новой энергетики, такие как смена технологических укладов, энергетический переход, трансформация энергосистемы и др.  Приведена динамика ежегодного прироста мощности за счёт возобновляемых источников энергии, динамика изменения генерирующих мощностей, рассмотрены основные драйверы энергетического перехода. Подробно рассмотрены направления деятельности, которые позволят реализовать основные технологические и научные приоритеты. В статье указывается на необходимость объединения научного и производственного потенциалов, интеграции вузовской науки в инновационную систему реального сектора экономики с целью быстрого и эффективного решения стоящих перед российской электроэнергетикой проблем.


Ключевые слова: энергетика, технологии, энергосистема, ВИЭ, энергия, электроэнергия, генерация, мощность, инновации, экономика



Одними из основных приоритетов, которые определены в Стратегии научно-технологического развития, наряду с переходом к цифровым и интеллектуальным производственным технологиями являются переход к эффективной и экологически чистой энергетике, а также формирование новых источников, способов хранения и транспортировки энергии. Эти же приоритеты отражены и в Энергетической стратегии Российской Федерации, первый этап реализации которой завершается  в  2024 году, второй этап продлиться до 2035 года [1, 2].


Энергетическая стратегия, как и доктрина энергобезопасности, периодически корректируются, что связано с теми актуальными изменения в нашей отечественной экономике, которые зависят от глобальных экономических трендов и происходящих мировых процессов.


К глобальным процессам, которые касаются энергетики, относятся два  основных периодических процесса, которые происходят на протяжении последних нескольких веков. Но, вся проблема заключается в том, что нынешние изменения носят кардинальный характер, касаются непосредственно технологий и энергии, и, самое важное, что эти глобальные процессы совпали по времени.


Смена технологических укладов, графически изображена на рисунке 1. Как видно из рисунка, начальная стадия 6-го технологического уклада (ТУ) завершилась в 2018 году. Что касается фазы роста, то её завершение фактически совпадает по времени с завершением второго этапа реализации энергостратегии. Далее, примерно начиная с 2040 года, 6-ой ТУ завершится, и начнётся следующий, 7-ой технологический уклад.


Таким образом, в нынешнем ТУ, наряду с бурным развитием нано и биотехнологий, будет развиваться, и уже развивается новая энергетика.


Важно отметить тот факт, что в отечественной экономике приоритет инновационного развития, связанный с разработкой энергетических технологий,  рассматриваться в качестве системообразующего по отношению ко многим другим приоритетам инновационной деятельности [3].



Смена технологических укладов


Рисунок 1 – Смена технологических укладов



Кроме того, анализ краткосрочных прогнозов и тенденций развития как мировой, так и российской энергетики показывает, что происходящие изменения имеют ярко выраженную региональную зависимость, и не всегда коррелируются с текущими прогнозами. Особенно это касается годовых темпов роста спроса на электроэнергию в энергосистемах Сибири и Востока, где этот показатель может превышать среднероссийский в несколько раз [4].


Наиболее точно основные рынки и составляющие новой энергетики отражает архитектура (рисунок 2) Энерджинет Национальной технологической инициативы (НТИ) [5].


Второй глобальный процесс, это более важный для мировой энергетики процесс – 4-й энергетический переход. Текущий, четвертый энергопереход - это очередное фундаментальное преобразование мирового энергетического сектора. Каждый последующий энергетический переход – это результат коренных изменений в технологиях, которые позволяют существенно изменить структуру мирового первичного энергопотребления.




Архитектура Энерджинет НТИ


Рисунок 2 - Архитектура Энерджинет НТИ



Нынешний, 4-й энергетический переход обуславливается не одной конкретной технологической революцией, а целой массой технологических прорывов (рисунок 3).

Бурный рост технологических инноваций в энергетике и изменение государственных приоритетов в области энергетической политики в сторону более широкого применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволяет отказаться от дорогостоящих и невозобновляемых энергоресурсов и открывает путь к диверсификации энергоснабжения.



Энергетические переходы и энергопотребление


Рисунок 3 – Энергетические переходы и энергопотребление



В первую очередь, речь сегодня идет об энергосистемах и системах электроснабжения, получающих электроэнергию от ВИЭ. Но, и здесь, судя по тенденции развития электроэнергетики в мире, традиционная схема «генерация – транспортировка - потребитель» претерпевает существенные изменения [6].


На рисунке 3 видна динамика снижения доли угля и нефти в течении нескольких последних лет, что касается природного газа, который уступит место ВИЭ, то он будет востребован ещё достаточно долго. Даже по самым пессимистичным прогнозам, природный газ будет использоваться в качестве углеводородного топлива, как минимум до 2050 г.


Природный газ лидирует среди ископаемого топлива по вполне понятным причинам: имеет самый высокий процент содержание водорода и высокую температуру сгорания (таблица 1).



Таблица 1 – Содержание водорода в ископаемом топливе


Топливо

Состав органической части,  %

Теплота сгорания,

кДж/кг

H

C

Древесина

6

50

19000

Уголь

2-5

75-95

26000-34000

Нефть

13

87

40000

Природный газ

25

75

40000




Если учесть тот факт, что начавшийся 4-й энергопереход идёт полным ходом в течении нескольких лет, то сегодня с уверенностью уже можно сказать, что стержнем текущей глобальной повестки являются ВИЭ.


По прогнозам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), в ближайшие пять лет рост возобновляемой энергетики ускорится и составит почти 95 % от прироста мировых энергомощностей (рисунок 4).



Прирост мощностей работающих на основе ВИЭ


Рисунок 4 - Прирост мощностей работающих на основе ВИЭ



Динамика ежегодного прироста мощности ВИЭ впечатляет. Так, в прошлом, 2021 году, прирост составил 257 ГВт, из них солнечные электростанции (СЭС) – 133 ГВт, ветряные электростанции (ВЭС) – 93 ГВт, вместе – это 88 %.


Если ещё 10 лет назад, ежегодное дополнение к генерирующим мощностям в мире было примерно 50х50 между возобновляемыми и не возобновляемыми источниками энергии, то сегодня этот показатель составляет 84 % (рисунок 5). Таким образом можно констатировать тот факт, что солнечная и ветровая генерация постепенно становится крупнейшим сектором мировой электроэнергетики.



Динамика изменения генерирующих мощностей


Рисунок 5 - Динамика изменения генерирующих мощностей



Если к генерирующим мощностям СЭС и ВЭС добавить гидро- био- и геотермальную энергетику, то получается, что доля производства электроэнергии на основе ВИЭ сегодня приблизилась к 30 % (рисунок 6).


Производство электроэнергии на основе ВИЭ за 10 лет


Рисунок 6 - Производство электроэнергии на основе ВИЭ за 10 лет



Ожидается, что к 2050 г. ежегодный прирост будет на уровне  450 ГВт и более (рисунок 7).



Ежегодное увеличение мощностей ВИЭ в разбивке по технологиям


Рисунок 7 - Ежегодное увеличение мощностей ВИЭ в разбивке по технологиям



Таким образом нет сомнений в том, что основное направление развития мировой энергетики уже определено. Под влиянием изменений в энергетической политике и развития новых технологий мир вступает в этап широкого использованию ВИЭ и вытеснению ископаемых видов топлива [7]. Вместе с тем, скорость энергоперехода и темпы трансформации энергосистемы связаны ещё с достаточно высокой неопределенностью. В любом случае, скорость этих преобразований будет зависеть от двух важных факторов, изображённых на рисунке 8.



Драйверы энергоперехода - государственная энергетическая политика и развитие технологий


Рисунок 8 - Драйверы энергоперехода - государственная энергетическая политика и развитие технологий



Первый фактор - государственная энергетическая политика. Но, если в области государственной энергетической политики достаточно определить глав­ные стратегические ориентиры и далее, поэтапно двигаться к достижению поставленных целей, то с новыми технологиями гораздо сложнее.


Всё дело в том, что между  научно-техническим и техническим прогрессом есть принципиальная разница. Если научно-технический прогресс – это поступательное, эволюционное движение науки и техники, развитие всех элементов производительных сил и т.д., то технический прогресс – это экономический показателем инноваций. Таким образом, если рассматривать технический прогресс как некую количественную величину развития инноваций, то можно будет констатировать тот факт, что в данном случае этот экономический показатель будет отражать прибыль или убыток какого-то конкретного предприятия.  Предприятие – то бизнес, а бизнес всегда имеет одну главную цель - получение прибыли.


Но, если раньше для получения прибыли достаточно было просто вести свою обычную,  и желательно успешную деятельность, то сегодня такая формула уже фактически не работает. Т.е., если целью является получение прибыли, то приоритетом в деятельности любого предприятия сегодня должно быть создание инновационных продуктов. Только инновации, только внедрённое, востребованное рынком новшество способно обеспечить существенное повышение эффективности производства, повышение качества продукции, и в конечном счёте принести предприятию прибыль. Важно также и то, что  применение новшества, например, в технологическом процессе, позволяет получить требуемый эффект при затратах кратно ниже, чем при использовании традиционной технологии, продукции, материалов и т.д.


Накопившаяся к началу второго десятилетия нынешнего века критическая масса технологических инноваций как на стороне производства, так и на стороне потребления энергии, неминуемо ведет к постепенной, но достаточно глубокой трансформации всего энергетического сектора.


В этой связи, сегодня важно определить технологическую базу и правильно расставить приоритеты, что в результате позволит нам более динамично развивать энергетику, решать те актуальные задачи, которые ставятся сегодня и на региональном и на федеральном уровнях.


Всего существует семь основных технологических направлений, которые, как считается, в ближайшее десятилетие изменят и мировую и отечественную энергетику.  


Поэтому, если ставить целью инновационное развитие, то реализовать основные технологические и научные приоритеты можно ориентируясь только на эти семь направлений:


- энергоэффективность;

- электрификация;

- удешевлении производства электроэнергии и тепла на основе ВИЭ;

- технологии накопления и хранения энергии;

- водородная энергетика;

- повышение управляемости и надёжности за счёт внедрении цифровых и интеллектуальных систем;

- децентрализация энергосистемы.


Энергоэффективность объединяет три направления (рисунок 9): декарбонизацию, цифровизацию и децентрализацию [7].




Драйверы энергоперехода


Рисунок 9 - Драйверы энергоперехода



Ключевые направления электрификации по секторам потребления электроэнергии в мире, представлены на рисунке 10. Электрификация касается и отечественной энергетики, это сегодня нельзя не заметить.


Например, темпы распространения электромобилей год от года растут, а факторы сдерживающие развитие этого рынка  постепенно устраняются.



Ключевые направления электрификации по секторам потребления электроэнергии


Рисунок 10 - Ключевые направления электрификации по секторам потребления электроэнергии



Особенно важным направлением технологического развития является удешевление производства электроэнергии и тепла на основе ВИЭ. Здесь необходимо отметить тот факт, что особенно высокая динамика ежегодного увеличения мощности заметная в солнечной энергетике (рисунок 11). Так в 2021 г. увеличение мощностей за счёт солнечной генерации составило без малого 1000 ГВт.



Увеличение мощностей за счёт солнечной генерации в мире


Рисунок 11 - Увеличение мощностей за счёт солнечной генерации в мире



В настоящее время, одним из факторов, сдерживающих развитие ВИЭ, является отсутствие эффективных технологий накопления и хранения энергии. Поэтому технологический прорыв в это области может кардинально снизить фактически абсолютно все ограничения, которые сдерживают сегодня не только развитие ВИЭ, но и всей электроэнергетики. Кроме того, накопители энергии радикально изменят не только конъюнктуру рынков электроэнергии, но и вообще сами принципы работы энергосистем, так как обеспечат им большую гибкость и адаптивность.


Водородная энергетика становится сегодня одной из самых обсуждаемых тем, и является одной из стратегических инициатив по социально-экономическому развитию России. Это связано с тем, что именно реализация водородной стратегии может создать существенный задел для сохранения позиций России в мировой энергетике будущего [8].


Сформированные в концепции развития водородной энергетики направления развития и ожидаемые при ее реализации результаты должны к 2050 г. сделать Российскую Федерацию крупнейшим экспортером водорода. Так, уже к 2024 году объемы производства российского водорода должны достичь 200 тыс. т, в 2035  г. – до 12 млн т, и в 2050 г. – до 50 млн т [9].


Тема развития водородной энергетики -  важная и актуальная тема для Алтайского края, где фактически все 100 % генерации, это генерация на основе использования ископаемого топлива, в основном угля,  который к тому же закупается в других регионах.


Говоря о цифровых и интеллектуальных системах в электроэнергетике, если не касаться темы ИИ (искусственный интеллект), необходимо отметить, что сегодня актуальны два направления цифровизации в энергетике: «Умные сети»  и «Умные устройства-потребители энергии».


«Умные сети» - это ключевой элемент системы, который позволяет обеспечить эффективное функционирование всех её элементов. Одним из ключевых требований к умным сетям является надежность функционирования и обеспечение возможности быстрого самовосстановления в случае сбоев.


«Умные устройства-потребители энергии» способны на стороне потребителя оптимизировать режимы потребления электроэнергии в зависимости от нагрузки системы и потребностей в работе электрооборудования. Дополнительно, у потребителя появляется возможность не только принимать электроэнергию, но и отдавать её в сеть.


Усложнение энергосистемы неизбежно ведёт к повышению рисков, которые связанных с безопасностью и уязвимостью программного обеспечения.  Поэтому всё большую актуальность сегодня приобретает создание цифровых двойников реальных систем, на которых можно моделировать различные нештатные ситуации и аварийные режимы.


Создание цифрового двойника - актуальная тема для современных энергокомпаний. Это связано с тем, что в обычной компании существует только одна физическая электрическая сеть, у которой есть множество различных моделей, и они используется не только для разных целей, но и с разным программным обеспечением. Несоответствия данных модели в разных подразделениях одной и той же компании могут приводить к неточностям в представлении сети, снижению эффективности и производительности системы и ошибкам так называемого человеческого фактора [10].


Организация в энергетической отрасли взаимодействия между цифровыми и реальными системами с помощью технологий цифровых двойников и киберфизических систем, сегодня является достаточно важным и актуальным направлением работ отечественных и зарубежных ученых [11].


Следующий важнейший драйвер трансформации энергосистемы – это децентрализация, суть которой заключается в развитии распределенной энергетики.


К технологиям распределенной энергетики относят:

    • распределенную генерацию;
    • управление спросом;
    • управление энергоэффективностью;
    • микрогриды;  
    • распределенные системы хранения электроэнергии;
    • электромобили.


Потребитель электроэнергии сегодня начинает играть всё большую роль в энергосистеме. Теперь он по сути становится равноправным её участником, может и генерировать и накапливать электроэнергию, таким образом способствуя трансформации энергосистемы, превращая её из  централизованной в децентрализованную (рисунок 12).



Трансформация энергосистемы


Рисунок 12 – Трансформация энергосистемы



По всем вышеперечисленным направлениям на Энергетическом факультете Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, ведётся большая научно-исследовательская работа, результаты которой представляются в виде выпускных квалификационных и аттестационных работ, магистерских и кандидатских диссертаций.


Подготовка высококвалифицированных кадров, которые сегодня, в достаточно сложных экономических условиях нужны российской энергетике - это важная государственная задача.


На наш взгляд, объединение научного и производственного потенциалов, а также интеграция вузовской науки в инновационную систему реального сектора экономики России и Алтайского края, позволит быстро и эффективно решить все те проблемы и задачи, которые сегодня стоят перед нами.





Список используемой литературы


1. Куракова Н. Г. Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации до 2035 года. Комментарии экспертов. Наталия Куракова: в качестве главного субъекта научно-технологического развития страны вновь выбран ученый // Экономика науки. 2016. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/strategiya-nauchno-tehnologicheskogo-razvitiya-rossiyskoy-federatsii-do-2035-goda-kommentarii-ekspertov-nataliya-kurakova-v-kachestve (дата обращения: 19.10.2022).

2. Жаворонкова, Н. Г. Энергетическая стратегия - 2035: правовые проблемы инновационного развития и экологической безопасности / Н. Г. Жаворонкова, Ю. Г. Шпаковский // Вестник Университета имени О.Е. Кутафина (МГЮА). – 2020. – № 3(67). – С. 31-47. – DOI 10.17803/2311-5998.2020.67.3.031-047. – EDN DCCMBK.

3. Садриев, А. Р. Российская энергетика в условиях перехода к шестому технологическому укладу: состояние и перспективы развития / А. Р. Садриев // Экономика и управление. – 2016. – № 11(133). – С. 20-26. – EDN XKPCEP.

4. Сташко, В. И. Электроэнергетика Сибири в условиях новой энергетической парадигмы / В. И. Сташко, Н. А. Серебряков // Актуальные вопросы гуманитарного знания : материалы Международной научно-практической конференции «Ползуновские чтения-2018», Барнаул, 12–13 декабря 2018 года. – Барнаул: Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, 2019. – С. 38-44. – EDN KVFAIH.

5. Волкова, И. О. Energynet.UNICON 2021: новое видение развития энергетики / И. О. Волкова // Энергоэксперт. – 2022. – № 1(81). – С. 4-8. – EDN HUWPJS.

6. Сташко, В. И. От плана электрификации России к энергетическому переходу и трансформации парадигмы энергоснабжения / В. И. Сташко // Интеллектуальная энергетика : Сборник научных статей кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» АлтГТУ им. И. И. Ползунова / Сост. С. О. Хомутов, В. И. Сташко. – Барнаул : ООО «МЦ ЭОР», 2021. – С. 9-19. – EDN MKLJYY.

7. Прогноз развития энергетики мира и России 2019 / под ред. А. А. Макарова, Т. А. Митровой, В. А. Кулагина;  ИНЭИ РАН–Московская школа управления СКОЛКОВО – Москва, 2019. – 210 с. - ISBN978-5-91438-028-8.

8. Сайт Правительстве Российской Федерации. Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации. Распоряжение от 5 августа 2021 г. № 2162-р. URL: http://government.ru/docs/42971/ (дата обращения: 19.10.2022).

8. Развитие «зеленой» водородной энергетики в европейской части Российской Федерации / Э. Р. Зверева, И. Г. Ахметова, А. И. Назаров, А. Р. Нурисламова // Экономика промышленности. – 2022. – Т. 15. – № 2. – С. 167-176. – DOI 10.17073/2072-1633-2022-2-167-176. – EDN FICUJZ.

9. Моравель, В. И. Возможности использования цифровых двойников в задачах электроэнергетики / В. И. Моравель, В. А. Борисов // Современные научные исследования и инновации. – 2022. – № 6(134). – EDN EDTLXT.

10. Салов, И. В. Применение цифровых двойников и киберфизических систем на объектах генерации тепловой и электрической энергии / И. В. Салов, И. А. Щербатов, Ю. А. Салова // International Journal of Open Information Technologies. – 2022. – Т. 10. – № 3. – С. 57-62. – EDN FHNYUS.



Информация об авторах


Сташко В. И. – к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.





              



  






-


-