Опыт реализации технологического форсайта на примере сибирской угольной генерации энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт экономики и организации промышленного производства СО РАН

Опыт реализации технологического форсайта на примере сибирской угольной генерации энергии

Горбачева Н.В. к.э.н., м.н.с.

Nata_lis@mail.ru

Кузнецов А.В. м.н.с.

torro@gmail.ru

В последние десятилетия в мире Данная работа проводилась в рамках проекта «Перспективы развития экономики Сибири: инновационный сценарий» программы Фундаментальных исследований Президиума РАН «Научно-технологический прогноз развития экономики России» и является первым шагом масштабного исследования, посвященного проблеме модернизации экономики Сибири. Его результатами в перспективе станут не только модели технологического прогресса, наборы технологических макрохарактеристик и разнообразные количественные оценки их значений, но и «дорожные карты» - программы действий. широкое распространение получили форсайт Форсайт (foresight) - процесс, связанный с систематическими попытками заглянуть в долгосрочные перспективы развития науки, технологий, экономики и общества в целом с целью выявления сфер стратегических исследований и развивающихся фундаментальных технологических решений, обладающих наибольшими экономическими и общественными выгодами (глоссарий ЮНИДО).-исследования, направленные на определение перспективных направлений научно-технологического и инновационного развития разных отраслей экономики.

В современном мире энергетика является основой развития производственных отраслей экономики, определяющих прогресс общественного производства и экономический рост.

Особенности предстоящего периода развития мировых энергетических рынков связаны с процессами их реструктуризации, возрастанием удельного веса развивающихся стран, обострением конкуренции. При этом в последнее время существенно увеличилась степень неопределенности и рисков в развитии мировых рынков, в том числе в связи с резкой и непредсказуемой динамикой цен на нефть, негативными последствиями мирового финансового кризиса, угрозами дефицита поставок энергоресурсов в посткризисный период, неоднозначными перспективами заключения международных соглашений по вопросам экологической политики и изменения климата.

Перспективы угля как основного источника энергии пока многообещающие. В энергетических стратегиях ведущих стран мира (США, Китай, Индия, Германия и т. д.) угольная генерация занимает одно из ключевых мест. В России развитие угольной энергетики в настоящий момент затруднено, прежде всего в связи с конъюнктурным дисбалансом цен на энергоносители. Однако интеграция России в мировое экономическое пространство стимулирует поиск технологических решений в области энергетики, который может осуществляться с помощью методов форсайта.

В ходе постановки задачи проведения форсайта общий объект «Энергетика» был постепенно конкретизирован. На первом этапе конкретизации была выбрана угольная энергетика, и как наиболее перспективная с точки зрения запасов в Сибири углей, и как представляющая интерес с позиций общего тренда развития технологий генерации в мире. Из составных частей процесса генерации: добыча топлива, транспортировка, подготовка, сжигание, очистка, складирование несжигаемых остатков, был выбран основной объект - технологии сжигания и трансформации энергии.

Реализация Форсайта предусматривала проведение шести этапов.

На первом этапе осуществлялась подготовка информационно-аналитического материала для выявления роли и места угольной генерации в современном тренде мировой энергетики и выработки видения перспектив ее развития. Анализ прогнозов, представленных авторитетными организациями в области технологического прогнозирования, позволил выявить технологические ниши, которые в будущем могут обеспечить прорыв в эффективности и экологизации генерации энергии на угле. Дополнительно был сформирован предварительный перечень из десяти технологий угольной генерации и двенадцати индикаторов, дающий комплексную их характеристику.

На втором этапе сформирован пул экспертов, которые отбирались из числа ведущих специалистов-практиков в области энергетики и ученых. На его основе была организована работа двух экспертных групп. Первая, усеченная группа экспертов (10 экспертов) непрерывно участвовала в проведении форсайта, особенно на начальных этапах при формировании понятийного аппарата и согласовании целей исследования с учетом специфики функционирования энергетической отрасли. Основной задачей данной группы являлась подготовка пакета документов для анкетирования расширенной группы экспертов. Вторая, расширенная группа экспертов сформирована с помощью метода комизации (снежного кома) и непосредственно участвовала в форсайте в качестве носителей экспертных оценок при проведении анкетирования.

На третьем этапе, в ходе подготовки пакета документов для анкетирования был проведен ряд мероприятий с ключевой группой экспертов в виде рабочих групп, неформализованных интервью и экспертных панелей. Данный пакет включал два документа:

базовая таблица «Технологии-индикаторы» - перечень перспективных макротехнологий и характеризующих их индикаторов;

памятка экспертам, в которой были указаны вопросы, развернутые ответы на которые описывали контекст современного состояния и необходимые условия развития перспективных технологий - экспертные заключения.

Работа усеченной группы экспертов была направлена на систематизацию предварительно собранной информации по технологиям и индикаторам. На ее основе формировались рабочий вариант базовой таблицы и перечень вопросов, целесообразных для включения в памятку экспертам.

Неформализованные интервью с экспертами проводились для сбора дополнительной уточняющей информации о технологических процессах угольной генерации. В результате перечень технологий и индикаторов расширился до 23 и 31 соответственно.

Повестка экспертных панелей отражала назревшие противоречия и возникшие неясности в ходе исследования и была нацелена на достижение консенсуса в решении поставленных задач. Первая экспертная панель проводилась в рамках ключевой экспертной группы для ознакомления с промежуточными результатами исследования и согласования мнений относительно полноты, корректности и ясности представленной информации в документах для предстоящего анкетирования. Основным результатом первой экспертной панели явился окончательный вариант базовой таблицы и памятки экспертам, которые содержали список из четырех макротехнологий и семи индикаторов.

На четвертом этапе расширенной группе экспертов предоставлялся пакет подготовленных на предыдущем этапе документов для заполнения:

базовая таблица «Технологии-индикаторы», включающая четыре макротехнологии и семь ключевых индикаторов;

памятка для формирования экспертных заключений.

Базовая таблица «Технологии-индикаторы» заполняется для систематизации характеристик технологий угольной генерации по макроиндикаторам и их сопоставления. В головке таблицы (табл. 1) располагаются перспективные угольные технологии, в боковике - индикаторы, которые их характеризуют.

Таблица 1. Схема построения базовой таблицы «Технологии-индикаторы»

Таблица «Технологии-индикаторы» заполняется в двух вариантах:

оценка технологического развития современного состояния электроэнергетики;

оценка технологического развития перспективного состояния электроэнергетики до 2030 г.

Дополнительно экспертам предлагалось ответить на развернутые вопросы анкеты по четырем направлениям:

выводы о современном состоянии и перспективах развития технологий в России и Сибири (отставание/опережение по сравнению с мировым уровнем, необходимость модернизации/усовершенствования технологий с учетом российских (сибирских) условий или обоснованный отказ от их применения);

точку зрения о подготовленности/наличии условий осуществления в России НИОКР, проектных, производственных и внедренческих работ по их реализации (наличие научно-исследовательских и проектных организаций, заводов-изготовителей и пуско-наладочных организаций) либо о приобретении технологий на мировых рынках. Мнение обосновать ссылкой на используемый источник (собственные или другие материалы: результаты НИР, аналитические обзоры, публикации, директивные документы, документы энергетических компаний и др.);

требования, которые необходимо предъявить к качеству угольного топлива для использования рассматриваемыми технологиями;

оценку возможных проблем, которые могут препятствовать развитию и реализации технологий с учетом российских (сибирских) условий.

На пятом этапе проводился анализ анкет и согласование экспертных заключений. В ходе второй экспертной панели ключевой группе экспертов сообщался разброс в оценках современного состояния и прогнозах индикаторов технологий и представлялись обобщенные результаты экспертных заключений. На основе этого был достигнут консенсус по поводу современного состояния и прогноза развития «прорывных» технологий угольной генерации с учетом позиции профессионального сообщества.

Шестой этап заключался в оформлении и визуализации полученных результатов, которые были представлены в виде различных траекторий развития технологий угольной генерации.

Анализ экспертных заключений

В общей сложности в ходе проведения форсайта были получены заполненные базовые таблицы и экспертные заключения от 20 экспертов, представлявших ведущие энергетические кампании (ООО «Сибтермо», OAO «Сибкотес», «Группа Е4» и т. д.) и научно-исследовательские институты России (Институт теплофизики СО РАН, ООО «Топливно-энергетический независимый институт», Институт энергетических исследований РАН, ОАО «Сибирский энергетический научно-технический центр», Институт систем энергетики СО РАН и т. п.).

Взаимосвязь технологического прогресса в области угольной генерации и макроиндикаторов, характеризующих прогресс, можно представить в виде дерева, корни которого символизируют макроиндикаторы, а в ветвях расположены перспективные технологии (рис. 1).

Рис.1. Дерево технологий угольной генерации.

Интегральные оценки современного состояния и прогноз тенденций на первом этапе исследований были представлены в виде траекторий развития технологий угольной энергетики в координатах температуры и КПД, которые являются ключевыми физическими показателями эффективности сжигания угля.

В результате в качестве перспективных были выделены четыре технологии: факельное сжигание, циркулирующий кипящий слой, парогазовые установки на угле, энерготехнологический комплекс. Пределы научно-технологического прогресса в сфере преобразования угля в электричество задаются идеальным циклом Карно. Геополитические различия современного уровня развития технологий учитывались при сопоставлении вышеупомянутых технологий в разрезе «мир, Россия, Сибирь».

Факельные технологии в настоящее время задаются широким диапазоном температурных режимов (560-700°С) и КПД (34-48%). При использовании данного метода смесь мелкоразмолотого угля и горячего воздуха непрерывно подается в зону горения, поддерживая горящий факел, являющийся источником лучистой и тепловой энергии для нагрева рабочего тела.

Главное направление развития технологий факельного сжигания заключается в увеличении его КПД посредством повышения температуры и давления пара. Основные ступени развития - это докритические (8,8 и 12,8 МПа), сверхкритические (23,5 МПа, 560°С) и суперсверхкритические параметры (30 МПа, 620°С; 30-35 МПа, 700°С).

Научный поиск направлен на развитие данных технологий с точки зрения изменения состава топлива, температуры и давления пара, внутренних процессов горения угля, схем эффективного переноса энергии топлива в тепловую и электрическую форму. В настоящее время факельные технологии угольной генерации позволяют сжигать угли различных бассейнов с различной теплотворностью, зольностью и др. при соответствующих технологических изменениях процессов. Развитие данного направления в СССР привело к появлению технологий, позволяющих строить крупные тепловые электростанции, запроектированные на использование высокозольных, низкокалорийных и влажных углей. Последствием стало то, что технологии обогащения не применялись.

Анализ источников позволил выявить следующие основные технологии сжигания, основанные на принципах факельного сжигания: псевдофакельное, низкотемпературное вихревое, низкоэмиссионное вихревое, камерное водоугольное.

На современном этапе в Сибири данные технологии представлены докритическими параметрами пара с КПД 34-36%, в европейской части России имеются технологии с суперкритическими параметрами - с КПД 33,2-37,8% (например, Рязанская ГРЭС). Технологический разрыв современного состояния факельного сжигания в России объясняется значительным транспортным плечом доставки угля от места его добычи (Сибирь) до потребителей в европейской части страны. Начальник отдела перспективного развития ЗАО «E4-СибКОТЕС» Е.Е. Русских так комментирует сложившуюся ситуацию: «Удорожание угля в процессе его доставки в европейскую часть России стимулирует ГРЭС использовать более эффективные технологи сжигания угля для выработки электроэнергии, повышая температурный режим давлением и, как следствие, КПД».

Перспективы факельного сжигания связаны с суперсверхкритическими параметрами пара в целях прироста КПД по сравнению с суперкритическими параметрами на 1,5-2%. Для этого необходимы новые сверхжаропрочные металлы для котлов, новая система вентиляции и улавливания пара. По мнению ряда экспертов, в результате соотношение усилий для реализации данных технологических решений и прирост КПД будут не в пользу суперсверхкритических технологий факельного сжигания угля. Ориентировочная стоимость энергоблоков на суперкритических параметрах пара колеблется от 1250 до 1300 дол.кВт (в ценах 2009 г.). Между тем в мире уже сейчас достигнуты значения КПД в 50%, а в ближайшей перспективе он будет доведен до 55% при повышении температуры до 1000 °С.

Технология сжигания в циркулирующем кипящем слое в России представлена только на стадии проектного образца. Она относится к технологиям слоевого сжигания и представляет собой сжигание твердого топлива в слое, состоящем из достаточно крупных фракций, с подводом воздуха к поверхностным слоям.

В зависимости от объема и скорости подаваемого из-под слоя окислителя выделяют следующие основные технологии: стационарный, пузырьковый (кипящий) и циркулирующий кипящий слой. Среди нетрадиционных технологий здесь можно выделить водоугольное сжигание в кипящем слое, сжигание в кипящем слое и в циркулирующем кипящем слое под давлением, низкотемпературный кипящий слой.

Современная мировая энергетика работает на технологии сжигания в циркулирующем кипящем слое при КПД 36-40% с перспективой довести его до 52-55% за счет инновационных решений в механизме подачи топлива. Несмотря на существенный рост КПД, вопрос об эффективности данной технологии дискуссионный. По мнению Ю.Н. Дубинского, главного специалиста ТЭП ОАО «ЭТНЦ», «преимущества данной технологии весьма сомнительны и её продвижение на российский энергетический рынок политизировано за счет лоббирования интересов зарубежных проектировочных компаний для расширения рынка сбыта довольно устаревшей под "инновационной оберткой" технологии». Ориентировочная стоимость подобных энергоблоков от 1430 до 1490 дол.кВт (в ценах января 2005 г.).

Парогазовые установки на угле относятся к технологии газификации угля. Суть ее заключается в получении из твердого топлива газообразного продукта «синтез-газа», который является основным компонентом генерации тепловой и электрической энергии на станции.

Анализ источников показал наличие и других технологий газификации топлива. Среди них необходимо выделить парогазовые установки: с внутренней газификацией угля, со сжиганием угля в слое под давлением, с низкотемпературной газификацией угля, с газификацией нефтяного кокса, водоугольное сжигание с газификацией.

Происходит развитие вышеперечисленных технологий в сторону повышения технологических параметров и экономической эффективности выработки энергии. Однако сегодня получают развитие «чистые технологии» генерации, суть которых заключается в улавливании и удалении СО₂ с последующей его утилизацией. форсайт угольный факельный

Парогазовые установки на угле в мире работают с КПД 43-47%, их основное преимущество связано с меньшей нагрузкой на окружающую среду. Выбросы NO_x составляют менее 25 мг/нм³, SO₂ - менее 5 мг/нм³, выбросы СO₂ снижаются в 2-4 раза. Данная технология является относительно новым и высокопотенциальным направлением в угольной энергетике; в перспективе планируется довести КПД до 52-53%. В России существует ряд амбициозных инновационных решений, которые позволяют поднять КПД до 64%. Ориентировочная стоимость таких установок составляет 1400-1430 евро/кВт (в ценах января 2005 г.).

Энерготехнологический комплекс является объектом малой энергетики и в исследовании представлен для иллюстрации преимуществ и перспектив по сравнению с технологиями большой энергетики. В России данные технологии практически не представлены. В Китае, например, подобные комплексы мощностью 75 МВт работают с КПД 39,6-41,3%, в перспективе планируется увеличение их мощности до 200-300 МВт, КПД - до 42-43%. Суммарный объем капитальных вложений в расчете на тонну условного топлива (перерабатываемого) составляет 400-500 долл. (в ценах января 2005 г.).