Цифровизация энергетики: международный опыт и взгляд в будущее

Аторская статья Матвеева И.Е. Цифровизация энергетики: международный опыт и взгляд в будущее

 Cifrovizaciya_energetiki_mejdunarodnii_opit_i_vzglyad_v_buduschee

   Рассмотрены особенности развития мировой энергетики в условиях ускорения НТП, внедрения конвергентных (НБИКС) технологий, обладающих высоким рыночным потенциалом. Отмечен ряд тенденций. Во-первых, снятие технологических и географических ограничений на добычу ископаемого углеводородного топлива, повышение эффективности производств. Во-вторых, расширение возможностей для экспансии капитала, т.е. создание новых рынков и ниш, трансформация торговли, товарно-денежных отношений. В-третьих, формирование условий для «ухода в отрыв» стран и транснациональных корпораций, обладающих высоким научно-технологическим и промышленным потенциалом. Показано, что развитие отраслей ТЭК осуществляется в эволюционном ключе в условиях усиления политического и экономического воздействия со стороны международного сообщества, отдельных государств и их групп, ТНК, «подталкивающих» ход вещей в определенных направлениях, например, путем стимулирования развития сферы ВИЭ, проведения политики по борьбе с глобальным потеплением климата. Сформулирована идея о том, что переход энергетики на следующий технологический уровень будет осуществлен на основе внедрения принципиально иных технологий, в разработке которых одним из мировых лидеров является Российская Федерация.   

    План данной научной статьи таков. В начале даются краткие сведения о развитии энергетического хозяйства в ретроспективе и фиксируется текущая ситуация. Затем рассматриваются технологические и организационные аспекты современного развития энергетики, сферы торговли топливно-энергетическими товарами, а также процесс цифровизации экономики Российской Федерации. В заключение приводятся основные характеристики нового «энергетического» мира.      

Текущая ситуация как итог многовекового развития

    В обозримом прошлом смена доминирующих энергоносителей в следующем порядке: мускульная сила и низкотехнологичные возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - уголь - нефть – газ, которые использовались без ограничений. Во второй половине прошлого века в условиях опережающего развития промышленности, появления и развертывания новых энерго- и ресурсоёмких отраслей требовалось неуклонно наращивать производство энергии, обеспечивая безопасность и надежность энергопоставок. Опорой энергоснабжения являлось углеводородное топливо. В конце 60-х годов в ведущих государствах мира начала создаваться атомная электроэнергетика. За семь лет с 1967 г. по 1973 г. введено в эксплуатацию АЭС суммарной мощностью 31 ГВт, а в следующий семилетний период аналогичный показатель приблизился к отметке в 230 ГВт. 

За два десятилетия с 1950 г. по 1970 г. мировое потребление энергии сравнялось с соответствующим интегрированным показателем за предыдущие 100 лет, а за весь ХХ век человечество израсходовало энергии в количестве, сопоставимом с суммарным показателем за последние 2 тыс. лет.

Экспоненциальный рост производства и потребления энергии, осознание исчерпаемости природных ресурсов определили необходимость пересмотра подходов к развитию энергетики. В тот период времени просматривался переход от газа к атомной энергии, а в отдаленном будущем – к солнечной энергии и водороду (вырабатываемому на базе атомной электроэнергии) как доминирующим энергоносителям. Для контроля за использованием энергии в странах нетто-импортерах нефти стали широко применяться удельные показатели (характеризующие расход энергии на единицу продукции, душу населения).

Инциденты различной тяжести и катастрофы, произошедшие на АЭС во второй половине ХХ века (в США и СССР в 70-80 гг.) и в конце 2000-х годов (в Японии в 2010 г.) привели к повторному пересмотру планов на будущее. Отметим, одной из основных причин аварий на АЭС являлся человеческий фактор (нарушение инструкций, недооценка рисков, т.е. беспечность персонала и ответственных лиц).   

 Акценты в энергетической политике сместились на газовую отрасль (этот феномен получил название «газовая» пауза), а приоритетными направлениями определены ресурсосбережение, энергоэффективность и ВИЭ (это были не новые идеи – примерно с середины прошлого века развитием соответствующих технологий занимались капиталистические страны и государства социалистического сообщества).

В 2010 г. ведущая экономика Евросоюза ФРГ первой в мире совершила «энергетический поворот» - отказалась от использования атомной электроэнергии в период после 2022 года, сфокусировала энергетическую политику на возобновляемой энергетике, энергоэффективности, сокращении объема выбросов «парниковых» газов, снижении зависимости от импорта энергоносителей. Ожидается, что по завершении этого манёвра Германия резко снизит зависимость от ввоза радиоактивных материалов (останется потребность лишь со стороны медицинской промышленности и научных лабораторий атомной отрасли), перенесет на соседние государства бремя эксплуатации АЭС, поставляющих электроэнергию по низкой цене. Вместе с тем, расширение крупных ВИЭ-мощностей (ветроэнергетических установок морского базирования, а также сухопутных ветропарков), повышает риски для энергоемких производств и других объектов - заводов, крупных вычислительных центров и хранилищ цифровой информации, транспорта, элементов инфраструктуры.

Данные, характеризующие мировое потребление энергии, представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Потребление первичной энергии в мире (млрд. т. н.э.) и структура расходной части энергобаланса (удельный вес, %) в 1950 г., 2007 г. и 2017 г.

Источник: рассчитано автором

Таблица 2. Энергоресурсы и подходы к их потреблению в зависимости от типа организации общества

Источник: составлено автором.

Текущую ситуацию можно охарактеризовать следующим образом. За последние 80 лет глобальный спрос на энергию вырос более чем в пять раз, при этом темпы прироста потребления замедлились примерно в три раза (до 2% в год). Экономики ОЭСР стабилизировали или снизили энергопотребление, а их доля в расходной части мирового энергобаланса сократилась до 42% (в 60-х годах – около 70%).

Структура мирового потребления изменилась, но углеводородное топливо осталось ключевым источником энергии. Об этом свидетельствуют следующие показатели. В середине ХХ века доминировали уголь (60%) и нефть (27%), на долю газа приходилось 10%, а удельный вес неуглеродных источников энергии, представленных гидроэлектростанциями, составил около 2%.

К началу 2018 г. аналогичные показатели были следующими: доля угля сократилась до 28%, нефти – выросла до 34%, рыночная ниша газа расширилась более чем в два раза - с 10% до 23%. В целом, в мировой системе энергоснабжения удельный вес углеводородов составил 85%.  

Природные запасы «дешевого» углеводородного сырья закончились в подавляющем большинстве добывающих государств, кроме стран Ближнего и Среднего Востока - традиционных нетто-экспортеров нефти. Новые способы разведки и производства, опирающиеся на цифровые и космические технологии (моделирование структуры подземных/подводных слоев недр, гидроразрыв пласта, бурение со значительным отходом от вертикали, на морском шельфе и в глубинах Мирового океана, в условиях низких, сверхнизких температур и опасной ледовой обстановки, прохождение пластов с аномально высоким давлением и температурой на глубинах в несколько километров, разработка истощенных месторождений и др.), расширили экономические рамки производства жидкого и газообразного ископаемого топлива .

Низкоуглеродные источники энергии укрепили позиции. Их удельный вес вырос с 1,6% до 15%. Дальнейшее развитие этого направления сдерживается по ряду причин. Расширение мощностей ГЭС большой и средней мощности (более 5 МВт) затруднено ввиду природных и социально-экономических ограничений. Атомная электроэнергетика продолжает совершенствовать системы безопасности атомных реакторов и разрабатывает пути преодоления ресурсной проблемы (конечности природных запасов урана, разработка которых рентабельна). Уязвимость возобновляемой энергетики, сферы энергоэффективности определяется их высокой зависимостью от политической и экономической поддержки государств и международных институтов, которая является главной движущей силой их развития.  

Основные задачи развития энергетического хозяйства

В современном мире параметры глобального энергетического хозяйства изменяются под воздействием природных, научно-технических социально-экономических, экологических и многих других факторов. В рамках данной научной статьи рассмотреть их не представляется возможным. Остановимся на двух аспектах развития – технологическом и организационном.

Трансформация мировой энергетики осуществляется в рамках концепций «чистого» («зеленого», «низкоуглеродного») устойчивого развития путем внедрения новых технологий (включая цифровые и другие из ряда НБИКС). В числе основных задач сектора можно указать следующие:

- совершенствование способов добычи природных ресурсов - нефти, газа, угля, радиоактивных материалов;

- создание новой и модернизация действующей транспортной инфраструктуры (газопроводов, нефтепроводов, продуктопроводов высокой пропускной способности, проложенных в том числе в труднодоступных и удаленных регионах, морских и сухопутных терминалов для перевалки топлива, сетей нового поколения, других объектов);

- модернизация сегмента тепловой генерации (увеличение КПД котлов и турбин газовых и угольных ТЭС/ТЭЦ, снижение потребления топлива, ко-генерация, переключение угольных электростанций на газ и биомассу, изменения качественного состава используемого газа путем включения в его состав водорода, других веществ, способствующих снижению уровня вредных выбросов в окружающую среду, повышению теплотворной способности энергоносителя и другие способы);

- расширение ВИЭ-мощностей в электро- и теплоэнергетике (использующих энергию воды, ветра, солнца, тепла Земли, биомассы, бытовых и промышленных отходов);

- модернизация атомной отрасли путем внедрения технологий, позволяющих снизить производственные и эксплуатационные риски, увеличить эффективность АЭС, регулировать мощность энергоблоков в расширенных пределах, создавать энергоблоки малой мощности (кроме отдельных стран, не развивающих это направление по социальным, экономическим и иным соображениям);

- внедрение энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий во всех отраслях энергетического хозяйства;

- строительство воздушных, кабельных и комбинированных линий дальней и сверхдальней передачи переменным и постоянным током;

- внедрение технологий улавливания и поглощения углекислого газа, серы, других вредных веществ, создание хранилищ углекислоты;

- создание активно-адаптивных сетей («smart», «умных») распределительных систем, объединяющих (1) промышленные объекты генерации различной мощности и типа (по виду энергоносителя и используемых технологий преобразования вещества/ресурса в энергию), (2) централизованные накопители энергии, (3) электрический транспорт, (4) бытовые энергоустановки, электрические системы;

- частичная децентрализация систем энергоснабжения.

Развитые государства контролируют ситуацию в мировой энергетике, направляют ход развития экономическими и другими способами: путем формирования общественного мнения, разработки стандартов, систем показателей, рекомендаций политикам, т.е. «подталкивают» общество к принятию конкретных решений. В 2018 году «Международный экономический форум» впервые представил рейтинг 114 государств, ранжированных с использованием индекса «Energy Transition Index» (таблица 3), который по нескольким десяткам показателей оценивает уровень готовности национальной энергетики к интеграции в будущую безопасную, устойчивую, доступную и всеобщую энергетическую систему, создание которой также является одной из глобальных задач.

Таблица 3. Индекс «Energy Transition Index-2018» отдельных стран мира.

Новые технологии и энергетика

Внедрение цифровых (а также космических и биотехнологий) в энергетический сектор началось более полувека назад и продолжает осуществляться в первоочередном порядке, вслед за отраслями военно-промышленного комплекса, неуклонно, на всех технологических этапах и «этажах» (в ходе разведки месторождений, при производстве, транспортировке, хранении, переработке, распределении энергии, утилизации отходов, в торговле энергоносителями) с целью оптимизации производства, повышения надежности, доступности безопасности энергоснабжения (таблица 4).

Природоподобные технологии как «ядро» следующего технологического уклада позволяют повысить эффективность решения многоплановых задач устойчивого «чистого» развития, в том числе таких, как: (1) оптимизация потребления ресурсов, (2) снижение антропогенного влияния на окружающую среду, (3) увеличение эффективности отраслей ТЭК, (4) повышение предсказуемости спроса и предложения на энергию, (5) расширение охвата рыночными отношениями потребителей и производителей, снижение уровня «энергетической» бедности, (6) повышение уровня жизни населения, и даже (7) сокращение стоимости единицы энергии.

Таблица 4. Использование цифровых технологий в мировой энергетике в 2018 г.

Цифровые технологии преобразуют не только сферу производства, но и сектор транспортировки/распределения электроэнергии, развитие которого идет в направлении создания активно-адаптивных («smart», интеллектуальных) электроэнергетических сетей, призванных решить ключевые задачи устойчивого развития, в том числе:

- объединить в общую/единую энергетическую систему генерирующие объекты, которые отличаются по мощности и типу используемого энергоносителя, физически расположенные на коротких, дальних и сверхдальних дистанциях;

- обеспечить непрерывный контроль за состоянием оборудования, перетоками, накоплением и распределением электроэнергии;

- расширить рамки взаимодействия участников рынка (потребителей с поставщиками и между собой в различных комбинациях), реализовать принцип «направление в сеть избытков – получение энергии при нехватке».

В строительстве «интеллектуальных» сетей наибольшие успехи демонстрируют страны объединенной Европы, США, Япония, Китай, Республика Корея, Австралия. С технической точки зрения «умные» сети пока нельзя отнести к прорывным решениям, ввиду того обстоятельства, что их создание и развитие базируются на известных принципах и технологиях.

Иными словами, в современном сетевом хозяйстве идет процесс глубокой модернизации. Внедряется более эффективное, надежное и безопасное оборудование (зачастую - на новой элементной базе), при этом создаваемые сетевые структуры продолжают выполнять функцию «замыкающих» технологий для текущего технологического уклада. 

Отметим, политика всеобъемлющей цифровизации смыкается с глобальной политикой по противодействию климатическим изменениям, генезис которых наукой не определён. Основными выгодоприобретателями этих процессов являются крупные и сверхкрупные ТНК, обладающие высоким научно-технологическим потенциалом, развитой производственной базой и торгово-сбытовой инфраструктурой.  

Трансформация торговли

Торговля энергоносителями необходима для перераспределения ресурсов ввиду несовпадения центров их производства и концентрированного спроса.

На современном этапе происходит изменение традиционных бизнес-моделей. Трансформируются традиционные рынки, создаются новые рыночные ниши, что позволяет вовлекать в хозяйственные отношения широкий круг участников, увеличивать возможности для инвестиций (экспансии капитала).  

В обозримой перспективе в торговле топливно-энергетическими товарами возможны такие изменения, как:

- сокращение дальнемагистральных поставок первичных и вторичных энергоносителей с использованием трубопроводного транспорта из-за расширения локального производства энергии (на базе местных видов топлива и ВИЭ), повышения «гибкости» транспортировки (например, газа – в виде СПГ, СУГ, твердого топлива – путем предварительного гранулирования, брикетирования, перевода в жидкую и газообразную фазы, электроэнергии – с использованием технологий дальней передачи, аккумулирования, энерго-информационных сетей);

- децентрализация торговли, ввиду увеличения числа хозяйствующих субъектов, деятельность которых основана на принципе свободы выбора контрагентов и условий сотрудничества, формирования новых рыночных «ниш» на стыке отраслей и сфер экономики;

- трансформация рыночных отношений, механизмов функционирования рынков топливно-энергетических товаров из-за перехода на сетевые технологии («Интернет вещей», затем - «Интернет всего»);

- использование новых величин при определении меры стоимости (например, криптовалюта, единица стоимости электроэнергии), расширение альтернативных форм и способов расчетов – взаимозачет, коллективное пользование («энергошеринг»), обмен электроэнергии на товары, услуги.

Цифровизация экономики Российской Федерации

Долгосрочные планы развития Российской Федерации в сфере новых технологий нацелены на преодоление больших вызовов, разработку отечественных технологий и решений, отвечающих на них наиболее эффективно.

В числе основных из них - стратегия развития информационного общества, стратегия научно-технологического развития, стратегия развития информационного общества, стратегия инновационного развития.

В стране действуют ряд государственных программ (программа научно-технологического развития, и программа «Цифровая экономика Российской Федерации») и две ФПЦ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Одной из ведущих научных организаций является НЦ «Курчатовский институт», созданный в 2008 г. В его состав входят «Институт физики высоких энергий» им. А.А. Логунова, «Институт теоретической и экспериментальной физики» им. А.И. Алиханова, «Петербургский институт ядерной физики» им. Б.П. Константинова, ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» им. И.В. Горынина, «ГосНИИгенетики и селекции промышленных микроорганизмов», «Научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ». Научные программы указанных организаций направлены на изучение фундаментальных свойств материи и охватывают широкий спектр направлений. Работы ведутся в рамках атомного, космического и других проектов, нацеленных «прорыв» в новый технологический мир.

НЦ «Курчатовский институт» является участником международных программ мирового уровня, в том числе таких, как: термоядерный реактор «ITER» (создается на юге Франции), европейский синхротронный центр «European Synchrotron Radiation Facility» (г. Гренобль), тяжелоионный протонный ускоритель «FAIR» (г. Дармштадт), рентгеновский лазер на свободных электронах «X-ray Free Electron Laser» (г. Гамбург, стоимость проекта 1,2 млрд. евро, из них 50% обеспечивает ФРГ, 30% - России).

В 2018 г. в рамках «Национальной технологической инициативы» (НТИ) созданы планы («дорожные карты») развития экономики в долгосрочной перспективе (до 2035 г.). В плане НТИ по направлению «Энерджинет» («Интернет энергии») намечены меры по развитию и продвижению на локальные и международные рынки высокотехнологичной продукции и услуг, созданию гибких распределительных сетей, объектов распределенной генерации (гибридных систем, состоящих из оборудования на базе возобновляемых источников энергии, углеводородного топлива, включая местные виды топлив, накопители, системы управления и распределения электрической энергии), потребительских сервисов (в сегментах транспортировки, торговли, распределения и других сферах). Главным ожидаемым результатом «дорожной карты» является создание правового поля, позволяющего (1) разрабатывать и внедрять новые технологии, продукты, услуги, (2) расширить количество и улучшить качество услуг в сфере энергоснабжения, оказываемых с применением новых бизнес-моделей, (3) сформировать класс активных потребителей (энергетических комплексов), организаций-агрегаторов и других сервисных организаций в сфере интеллектуальной энергетики, (4) создать условия для развития интеллектуальной энергетики в труднодоступных, изолированных и удаленных территориях, (5) расширить рынок систем хранения электрической энергии, (6) в секторе регулирования поставок и потребления электрической и тепловой энергии реализовать пилотные проекты в рамках новых бизнес-моделей.

Наша страна обладает высоким научным, кадровым и производственным потенциалом, позволяющим создать «прорывные» промышленные технологии в атомной электроэнергетике и некоторых других секторах.         

Взгляд в будущее

Вопросами прогнозирования занимаются многочисленные коллективы ученых и специалистов. В данной работе рассуждения строятся на основе анализа событий, наступление которых можно ожидать в долгосрочной перспективе с высокой долей вероятности. Эти события - технологические рубежи, за которыми будут происходить сдвиги в производстве и потреблении энергии (таблица 5).

Таблица 5. События, способные оказать влияние на ход развития мировой энергетики на обозримом временном горизонте и за его пределами.

Источник: составлено автором

Отталкиваясь от представленных данных, энергетику будущего следует наделить такими чертами, как: неисчерпаемость энергоресурсов, низкий уровень выбросов в окружающую среду, надежность, эффективность, доступность, согласованность в развитии на глобальном уровне (таблица 6).

Таблица 6. Рамочные параметры мировой энергетики нового облика.

Источник: составлено автором.

Таким образом, в ближайшие три десятилетия:

- углеводороды остаются основным источником энергии. Одно из перспективных направлений развития – газогидраты, крупнейший источник метана, запасы которого в этой природной фазе относительно равномерно рассредоточены по поверхности Земли и в Мировом океане;

- атомная энергия может стать доминирующим энергоносителем при условии разработки технологий, позволяющих использовать радиоактивные материалы, широко распространенные в природе, и отработанное ядерное топливо. В противном случае развитие сектора затормозится из-за ограниченности ресурсной базы и по социально-политическим причинам;

- возобновляемые источники энергии в странах, обладающих крупной промышленной базой, остаются слабо конкурентоспособными и высокорисковыми объектами - ВИЭ-установки не способны обеспечить требуемую надежность энергопотребления. Факторами, сдерживающими развитие, являются, с одной стороны, экономические и технические (высокая стоимость и стохастичность выработки энергии, слабое развитие систем накопителей, дальней передачи электроэнергии), а также природные (обусловленные изменением климата, т.е. условий формирования ВИЭ). С другой стороны, это - геополитические, военно-политические факторы;

- процессы электрификации экономики и глобальной цифровизации определяют необходимость создания пространственных энерго-информационных сетевых структур, включающих производителей, потребителей энергии, других субъектов хозяйственной деятельности. Возможно, в отдаленном будущем локальные и региональные сети могут быть объединены в несколько крупных или общую глобальную сеть;

- в отдаленной перспективе стабилизация геополитической ситуации позволит реализовать принцип синхронной соразмерности развития мирового энергетического хозяйства.

С основными выводами по статье, можно ознакомиться на моем канале в Яндекс.Дзен